[发明专利]一种超细晶粒的新型β/γ-TiAl合金

说明书

技术领域

    本发明属于TiAl合金技术领域，具体是通过合理设计合金成分，发明了一种片层晶粒晶界上保存大量β相的铸态超细晶粒新型β/γ-TiAl合金。

背景技术

    γ-TiAl基合金具有密度低、高温强度和弹性模量高、抗蠕变及抗氧化腐蚀能力强等良好的综合性能而被认为是航空航天、汽车、能源、兵器等工业领域具有发展潜力的高温结构材料。但是，由于γ-TiAl合金组织粗大，各向异性强，晶粒尺寸在150~500μm，导致这种合金较差的室温塑性和较低的热变形能力，限制了其广泛应用。目前，通过合金化、热处理、包套等温锻造、包套热挤压、包套热轧制等手段来细化并均匀化组织，可以在一定程度上提高合金的塑性和热加工性能，却使其整体加工成本较高，工艺设备复杂，不适于TiAl基合金的规模应用。

TiAl 合金其本身的塑性较差，断裂韧性低是限制其使用的主要瓶颈。均匀、细小的等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、性能优异、塑性好，利于铸造及随后的塑性加工，这是提高TiAl合金塑性及热变形能力的唯一途径。β/γ-TiAl合金的优点在于β相凝固使合金形成细小均匀的铸态组织，并具有良好的热变形能力。β/γ-TiAl合金β相的含量远比传统TiAl合金多，可达30%以上，由于β相（室温下为有序化的B2相）在高温下是体心立方结构，具有独立的滑移系，可以有效协调合金的塑性变形。β/γ-TiAl合金由于大量β相的存在，使合金在铸态下就能够获得细小更均匀的显微组织，而且采用传统的热锻造工艺和设备就可以加工成实体零件。陈玉勇等（一种beta-gamma TiAl合金及其制备方法. 专利申请号: 201210369708.5）通过添加一种β相稳定元素，真空感应熔炼出铸锭，晶粒尺寸在50μm左右，并锻造最终获得晶粒大小在5~10μm的细晶β/γ-TiAl合金。但不同β相稳定元素对β/γ-TiAl合金组织的影响存在差异，同时β相稳定元素复合添加更会对合金组织尤其是晶粒度产生很大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合添加不同的β相稳定元素，在获得片层结构及较高的β相数量的同时，使铸态晶粒尺寸达到10μm的超细晶粒β/γ-TiAl合金。

实现本发明的技术方案：

一种具有超细晶粒的新型β/γ-TiAl合金，所述的合金化学成分按原子百分比计：Al：40~45%、Nb：2~9%、Cr：0~4%、Mo：0~6%、B：0.1~0.3%、其余为Ti，所述合金中Cr与Mo的含量不能同时为0；其组织特征在于：铸态组织呈片层结构，片层晶粒尺寸平均为10~30μm，β相稳定至室温并富集在片层晶粒晶界处。

优选配比：所述合金中Al的原子百分比为：42~43%、Nb的原子百分比为：4~8%、Cr的原子百分比为：0~2%、Mo的原子百分比为：0~4%、B的原子百分比为：0.1~0.2%。

    在上述化学成分中，合理β稳定元素的选择，是得到理想的β/γ-TiAl合金铸造组织的关键。

    Nb是稳定β相的重要元素之一，而且高Nb含量的TiA1合金大量的Nb元素能有效提高合金的高温力学性能外，还能显著提高合金的高温耐氧化能力。所以本发明在β相元素复合添加时，保留较多的Nb元素添加量为2~9%，以便于保留高Nb-TiAl的优势。

    Cr、Mo被认为是比较有效的β相稳定元素。1~3%Cr的添加量将有助于提高TiAl合金的塑性及热加工能力，但是Cr元素无法将大量的β相稳定至室温，而且过量Cr的添加将会破坏TiAl合金的片层结构，故Cr含量应控制在4%以下；    Mo元素可提高细晶合金的塑性和强度，改善合金抗氧化性，新型β/γ-TiAl合金最突出的优势就是细化晶粒，Mo元素对细晶合金的强化作用显著，所以Mo含量在0~6%之间较为合适。

    B元素在TiAl-Nb合金中溶解度极低，但通过凝固时析出的B化物，可细化TiAl合金晶粒，提高强度及热加工性，改善合金的铸造性能。B元素含量在0.1~0.5%为宜。

    Al含量必须保证合金凝固初生相为β相，考虑到Nb等高熔点β相稳定元素的添加会使TiAl合金β相区向高温低Al方向扩大，所以将Al元素的含量控制在45%以下，保证其初生相为β相并避免了包晶转变。

    所述合金的熔炼工艺采用下述两种方法：

方法一：水冷铜坩埚电磁感应悬浮熔炼，具体步骤如下：