一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法
阅读说明：本技术 一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法 (Seed crystal preparation method for TiAl-based alloy directional solidification ) 是由 刘桐 李建生 鹿宪珂 桂凯旋 王刚 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法,包括以下步骤：S1、分别准备海绵钛、高纯铝、高纯硅,Al为43～46at.％、Mo为0～1.5at.％、Si为0.8～3at.％,其余为Ti；S2、籽晶原料分层加入到真空感应熔炼炉中；S3、将熔炼室抽真空,通入氩气；S4、打开电源,增加电源功率至55～60kW,熔炼；S5、将电源功率降至50～55kW,保温,得籽晶熔体；S6、直接切断电源,利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷,冷却至室温,得到用于TiAl基合金定向凝固的籽晶铸锭。本发明提出的制备方法得到的籽晶缩孔区小。(The invention discloses a seed crystal preparation method for TiAl-based alloy directional solidification, which comprises the following steps: s1, preparing titanium sponge, high-purity aluminum and high-purity silicon respectively, wherein the Al accounts for 43-46 at.%, the Mo accounts for 0-1.5 at.%, the Si accounts for 0.8-3 at.%, and the balance is Ti; s2, adding seed crystal raw materials into a vacuum induction melting furnace in a layered manner; s3, vacuumizing the smelting chamber, and introducing argon; s4, turning on a power supply, increasing the power of the power supply to 55-60 kW, and smelting; s5, reducing the power of a power supply to 50-55 kW, and preserving heat to obtain a seed crystal melt; and S6, directly cutting off a power supply, chilling the seed crystal melt in the water-cooled copper crucible by using the water-cooled copper crucible, and cooling to room temperature to obtain the seed crystal ingot for directional solidification of the TiAl-based alloy. The seed crystal shrinkage hole area obtained by the preparation method provided by the invention is small.)
技术领域
本发明涉及铸造技术领域，尤其涉及一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法。
背景技术
TiAl基合金因具有较低的密度，良好的高温强度、抗蠕变性能、抗氧化能力以及较大的弹性模量而被研究者们广泛关注。TiAl基合金的室温组织通常由γ相(TiAl)和α2相(Ti3Al)构成，而根据组织中γ相和α2相形态和含量的不同，TiAl基合金室温下通常会有多种类型的组织，如全片层组织、近全片层组织、双态组织和γ板条组织等。其中，全片层组织的TiAl基合金的综合性能最好。日本学者采用PST晶体材料进行的TiAl基合金性能测试表明，全片层组织性能具有明显的各向异性，外加载荷平行于片层方向时，屈服强度和延伸率达到最佳组合，此时室温延伸率可以达到5％～10％。因此采用定向凝固技术，获得由平行柱状晶组成的全片层组织，是改善TiAl基合金性能的有效途径之一。但常规的定向凝固方法无法获得与生长方向平行的定向全片层组织。
根据初生相的不同，目前可以采用籽晶法定向凝固工艺或者改变凝固路径的非籽晶法定向凝固工艺来控制片层取向。其中，以前者更为普遍。在籽晶法定向凝固中，籽晶的制备是至关重要的一步，而现有方法在制备籽晶时，常出现液态收缩的现象。基于现有技术存在的不足，本发明提出一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，而提出的一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法。
一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法，包括以下步骤：
S1、分别准备籽晶原料，包括海绵钛、高纯铝、高纯硅，其中，Al为43～46at.％、Mo为0～1.5at.％、Si为0.8～3at.％，其余为Ti；
S2、将步骤S1准备的籽晶原料分层加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中；
S3、将真空感应熔炼炉中的熔炼室抽真空至1×10-3～3×10-3Pa以下，向真空感应熔炼炉中通入氩气至0.03～0.07Pa；
S4、打开电源，以3～6kw/min的速率增加电源功率至55～60kW，熔炼3～5min；
S5、将电源功率以0.4～0.6kw/min的速率降至50～55kW，继续保温2～5min，得籽晶熔体；
S6、直接切断电源，利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷，冷却至室温，得到用于TiAl基合金定向凝固的籽晶铸锭。
优选的，步骤S1中，所述海绵钛为0级海绵钛。
优选的，步骤S1中，所述籽晶原料中Al为43at.％、Mo为0at.％、Si为3at.％，其余为Ti。
优选的，步骤S1中，所述籽晶原料中Al为46at.％、Mo为1.5at.％、Si为1at.％，其余为Ti。
优选的，步骤S2中，所述分层从下至上分别为海绵钛层、高纯铝层、高纯硅层、海绵钛层。
优选的，步骤S4中，电源功率的增长速度为5kw/min。
优选的，步骤S4中，电源功率的降温速度为0.5kw/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用准备籽晶原料，原料分层加入熔炼炉，抽真空并通氩气，大功率条件下熔炼，降功率保温，水冷铜坩埚激冷的方式得到用于TiAl基合金定向凝固的籽晶，且在熔炼前对原料进行分层加入的方式，从下至上分别为海绵钛层、高纯铝层、高纯硅层、海绵钛层，采用这种“夹心”填料的方式能够辅助后续高功率熔融的充分性和熔炼后物料的均一性，对后续减小籽晶材料的缩孔区也具有促进作用；在高功率熔融过程中，合金具有较高的过热度，在传统的冷却过程中会产生较大的液态收缩，容易形成较大的缩孔区，而本发明采用的先缓慢降低电源功率，对熔体进行均化处理后，再用坩埚激冷制备籽晶，可以显著降低液态金属的过热度，减小液态收缩，从而明显减小了籽晶材料的缩孔区。
附图说明
图1为采用电火花线切割法对本发明实施例1制备得到的Ti-43Al-3Si籽晶横向抛开，从横向截面观察的宏观组织示意图；
图2为采用电火花线切割法对本发明实施例1制备得到的Ti-43Al-3Si籽晶纵向抛开，从纵向截面观察的微观组织示意图；
图3为采用电火花线切割法对本发明实施例1制备得到的Ti-46Al-1.5Mo-1Si籽晶横向抛开，从横向截面观察的宏观组织示意图；
图4为采用电火花线切割法对本发明实施例1制备得到的Ti-46Al-1.5Mo-1Si籽晶纵向抛开，从纵向截面观察的微观组织示意图。
具体实施方式
参照图1-4，下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例1
本发明提出的一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法，包括以下步骤：
S1、分别准备籽晶原料，包括0级海绵钛、高纯铝、高纯硅，其中，Al为43at.％、Mo为0at.％、Si为3at.％，其余为Ti；
S2、将步骤S1准备的籽晶原料分层加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，从下至上分别为0级海绵钛层、高纯铝层、高纯硅层、0级海绵钛层；
S3、将真空感应熔炼炉中的熔炼室抽真空至3×10-3Pa以下，向真空感应熔炼炉中通入氩气至0.03Pa；
S4、打开电源，以5kw/min的速率增加电源功率至55kW，熔炼3min；
S5、将电源功率以0.4kw/min的速率降至50kW，继续保温2min，得籽晶熔体；
S6、直接切断电源，利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷，冷却至室温，得到Ti-43Al-3Si籽晶铸锭。
实施例2
本发明提出的一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法，包括以下步骤：
S1、分别准备籽晶原料，包括0级海绵钛、高纯铝、高纯硅，其中，Al为46at.％、Mo为1.5at.％、Si为1at.％，其余为Ti；
S2、将步骤S1准备的籽晶原料分层加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，从下至上分别为0级海绵钛层、高纯铝层、高纯硅层、0级海绵钛层；
S3、将真空感应熔炼炉中的熔炼室抽真空至3×10-3Pa以下，向真空感应熔炼炉中通入氩气至0.07Pa；
S4、打开电源，以5kw/min的速率增加电源功率至60kW，熔炼3min；
S5、将电源功率以0.6kw/min的速率降至55kW，继续保温2min，得籽晶熔体；
S6、直接切断电源，利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷，冷却至室温，得到Ti-46Al-1.5Mo-1.0Si籽晶铸锭。
实施例3
本发明提出的一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法，包括以下步骤：
S1、分别准备籽晶原料，包括0级海绵钛、高纯铝、高纯硅，其中，Al为46at.％、Mo为1.5at.％、Si为1.2at.％，其余为Ti；
S2、将步骤S1准备的籽晶原料分层加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，从下至上分别为0级海绵钛层、高纯铝层、高纯硅层、0级海绵钛层；
S3、将真空感应熔炼炉中的熔炼室抽真空至2×10-3Pa以下，向真空感应熔炼炉中通入氩气至0.05Pa；
S4、打开电源，以3kw/min的速率增加电源功率至60kW，熔炼5min；
S5、将电源功率以0.5kw/min的速率降至55kW，继续保温5min，得籽晶熔体；
S6、直接切断电源，利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷，冷却至室温，得到籽晶铸锭，即得Ti-46Al-1.5Mo-1.2Si籽晶铸锭。
实施例4
本发明提出的一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法，包括以下步骤：
S1、分别准备籽晶原料，包括0级海绵钛、高纯铝、高纯硅，其中，Al为46at.％、Mo为1.5at.％、Si为0.8at.％，其余为Ti；
S2、将步骤S1准备的籽晶原料分层加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，从下至上分别为0级海绵钛层、高纯铝层、高纯硅层、0级海绵钛层；
S3、将真空感应熔炼炉中的熔炼室抽真空至1×10-3Pa以下，向真空感应熔炼炉中通入氩气至0.05Pa；
S4、打开电源，以6kw/min的速率增加电源功率至55kW，熔炼3～5min；
S5、将电源功率以0.4kw/min的速率降至50kW，继续保温5min，得籽晶熔体；
S6、直接切断电源，利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷，冷却至室温，得到Ti-46Al-1.5Mo-0.8Si籽晶铸锭。
对比例1
一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法，包括以下步骤：
S1、分别准备籽晶原料，包括0级海绵钛、高纯铝、高纯硅，其中，Al为43at.％、Mo为0at.％、Si为3at.％，其余为Ti；
S2、将步骤S1准备的籽晶原料直接加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中；
S3、将真空感应熔炼炉中的熔炼室抽真空至3×10-3Pa以下，向真空感应熔炼炉中通入氩气至0.03Pa；
S4、打开电源，以5kw/min的速率增加电源功率至55kW，熔炼3min；
S5、将电源功率以0.4kw/min的速率降至50kW，继续保温2min，得籽晶熔体；
S6、直接切断电源，利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷，冷却至室温，得到Ti-43Al-3Si籽晶铸锭。
对比例2
一种用于TiAl基合金定向凝固的籽晶制备方法，包括以下步骤：
S1、分别准备籽晶原料，包括0级海绵钛、高纯铝、高纯硅，其中，Al为43at.％、Mo为0at.％、Si为3at.％，其余为Ti；
S2、将步骤S1准备的籽晶原料分层加入到水冷铜坩埚真空感应熔炼炉中，从下至上分别为0级海绵钛层、高纯铝层、高纯硅层、0级海绵钛层；
S3、将真空感应熔炼炉中的熔炼室抽真空至3×10-3Pa以下，向真空感应熔炼炉中通入氩气至0.03Pa；
S4、打开电源，以5kw/min的速率增加电源功率至55kW，熔炼3min，得籽晶熔体；
S5、直接切断电源，利用水冷铜坩埚让籽晶熔体在水冷铜坩埚中激冷，冷却至室温，得到Ti-43Al-3Si籽晶铸锭。
对比例3
传统的金定向凝固方法制备Ti-43Al-3Si籽晶铸锭。
实施例1与对比例3相比，缩孔区仅为对比例3的65.4％，对比例1与对比例3相比，缩孔区仅为对比例3的89.4％，对比例2与对比例3相比，缩孔区仅为对比例3的85.4％。实验结果表明本发明实施例得到的籽晶缩孔区明显小于对比例。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。