一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法

摘要

一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，它涉及一种TiAl合金的制备方法。本发明解决了现有的铸造方法难以铸造出具有优异力学性能的细晶全层片组织的TiAl合金以及现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法成本高的问题。方法：一、熔炼；二、热等静压；三、电火花线切割；四、包套封焊；五、经保温、热挤压即得到具有细晶全层片组织的TiAl合金。通过本发明的TiAl合金的组织结构图可以看出，本发明方法制作得到的TiAl合金具有细晶全层片组织，且与现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法相比较，本发明方法的成本减低了50％～70％。

权利要求

1.一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，其特征在于具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备按照以下步骤进行：一、熔炼：采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭，其中TiAl合金铸锭中Al为42at.％～43at.％；二、热等静压：TiAl合金铸锭在温度为1250～1280℃、压力为130～140MPa条件下保温4～5小时，然后随炉冷却出炉；

三、电火花线切割：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；四、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为2～7mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为2～7mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；五、将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为

0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，然后在温度为低于α转变温度10～20℃的条件保温3～4小时，随后在空气中放置10～30s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即得到了具有细晶全层片组织的TiAl合金；步骤四中不锈钢管的壁厚为2～7mm。

2.根据权利要求1所述的一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤一中其中TiAl合金铸锭中Al为42at.％。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤二中在温度为1270℃、压力为135MPa条件下保温4.5小时。

4.根据权利要求3所述的一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤三中电火花线切割的切割速度为0.05mm/s。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤四中喷涂厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，包裹厚度为6mm的硅酸铝纤维，不锈钢管的两端采用厚度为5mm的不锈钢板。

6.根据权利要求1所述的一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤四中不锈钢管的壁厚为4mm。

7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法，其特征在于步骤五中在温度低于α转变温度15℃的条件保温3.5小时，在空气中放置

20s。

说明书

一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种TiAl合金的制备方法。

背景技术

[0002] TiAl金属间化合物具有很高的比强度、比刚度、优良的抗氧化性和抗蠕变性，以及高于常规钛合金的阻燃性，因此被认为是极具应用前景的高温结构材料。添加Nb(5at.％～10at.％)等金属元素可以将TiAl合金的使用温度提高50～100℃，室温强度提高300～
500Mpa，从而进一步拓宽TiAl合金的使用范畴至近1000℃。TiAl合金的高性能使其在航空航天用材料中逐步展现出令人瞩目的发展前景，成为先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片的首选材料。NASA报告指出，到2020年TiAl基合金及其复合材料的用量在航空航天发动机中将占有20％左右的份额。TiAl合金的良好的发展前景，使其成为世界各国高温结构材料研究的热点。但是由于TiAl基合金在铸造过程中普遍存在着缩松、热裂等缺陷，难以铸造出具有优异力学性能的细晶全层片组织的TiAl合金。铸造TiAl基合金因室温塑性差、高温强度低而不能满足高压压气机叶片恶劣工作条件的苛刻需求，如果通过热加工的手段获取细晶全层片组织，该结构因其具有的良好综合力学性能，能够满足高压压气机叶片工作的使用要求。

[0003] 由于通常设计的工程TiAl基合金的铝含量一般在45～48at.％(原子百分比)，不可避免的会发生凝固过程中的包晶反应，包晶凝固通常会产生显著的合金元素微观偏析，这种偏析通常会使得随后的热挤压和锻造加工无法顺利的获得均匀的细晶组织，而是获得由细小和粗大晶粒构成的带状组织或者层片晶团和等轴晶构成的带状组织，这种组织对材料的力学性能会造成非常不利的影响，极大地限制了TiAl基合金的使用，为了消除带状组织，获得均匀细小的组织，通常使用要对原始铸造材质实施长时间的高温均匀化热处理，随后进行多步锻造或者多步挤压，并且在此期间要辅以多次的再结晶热处理，该方法制作工艺复杂，成本高，不利于推广和应用。

发明内容

[0004] 本发明是为了解决现有的铸造方法难以铸造出具有优异力学性能的细晶全层片组织的TiAl合金以及现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法成本高的问题，而提供了一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法。

[0005] at％本发明具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备按照以下步骤进行：一、熔炼：采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭，其中TiAl合金铸锭中Al为42at.％～43at.％；二、热等静压：TiAl合金铸锭在温度为1250～1280℃、压力为130～140MPa条件下保温4～5小时，然后随炉冷却出炉；三、电火花线切割：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；四、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.1～
0.15mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为2～7mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为2～7mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；五、将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，然后在温度低于α转变温度10～20℃的条件保温3～4小时，随后在空气中放置10～30s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即得到了具有细晶全层片组织的TiAl合金；步骤五中不锈钢管的壁厚为2～7mm。

[0006] 本发明的方法中Al占TiAl合金铸锭中的原子百分比仅为42％～43％，不存在包晶反应造成的严重元素偏析，从而省去了高温均匀化热处理工艺，本发明的制备方法又利用热挤压的方法对TiAl合金铸锭进行处理，获得均匀细小的组织，本发明制作得到的TiAl合金的力学性能好，本发明制作得到的TiAl合金经一次挤压后的室温强度高达1GPa以上；通过本发明的TiAl合金的组织结构图可以看出，本发明方法制作得到的TiAl合金具有细晶全层片组织，且与现有的方法相比较，本发明方法省去了中间热处理和多步热加工工序，制作得到了具有细晶全层片组织的TiAl合金，极大的降低了制作成本，与现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法相比较成本减低了50％～70％。

附图说明

[0007] 图1为具体实施方式九步骤一中使用水冷铜坩埚感应熔炼法熔制TiAl合金铸锭，其电流、电压及功率控制图；图2为具体实施方式九中TiAl合金的组织结构图；图3为具体实施方式九制作得到的TiAl合金的力学性能检测结果。

具体实施方式

[0008] 本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

[0009] 具体实施方式一：本实施方式具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备按照以下步骤进行：一、熔炼：采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭，其中TiAl合金铸锭中Al为42at.％～43at.％；二、热等静压：TiAl合金铸锭在温度为1250～1280℃、压力为130～140MPa条件下保温4～5小时，然后随炉冷却出炉；三、电火花线切割：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；四、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为2～7mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为2～7mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；五、将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，然后在温度低于α转变温度10～20℃的条件保温3～4小时，随后在空气中放置10～
30s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即得到了具有细晶全层片组织的TiAl合金；
步骤四中不锈钢管的壁厚为2～7mm。

[0010] 本实施方式制作得到的TiAl合金的力学性能好，本实施方式制作得到的TiAl合金经一次挤压后的室温强度高达1GPa以上。通过本实施方式的TiAl合金的组织结构图可以看出，本实施方式方法制作得到的TiAl合金具有细晶全层片组织，且与现有的方法相比较，本实施方式方法省去了中间热处理和多步热加工工序，制作得到了具有细晶全层片组织的TiAl合金，极大的降低了制作成本，与现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法相比较成本减低了50％～70％。

[0011] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的：步骤一中TiAl合金铸锭中Al为42at.％；其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

[0012] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二不同的：步骤二中在温度为1270℃、压力为135MPa条件下保温4.5小时。其它步骤及参数与具体实施方式一至二相同。

[0013] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的：步骤三中电火花线切割的切割速度为0.05mm/s。其它步骤及参数与具体实施方式一至三相同。

[0014] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的：步骤四中喷涂厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，包裹厚度为6mm的硅酸铝纤维，不锈钢管的两端采用厚度为5mm的不锈钢板。其它步骤及参数与具体实施方式一至四相同。

[0015] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的：步骤四中步骤五中不锈钢管的壁厚为4mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

[0016] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的：步骤五中低于α转变温度15℃的条件保温3.5小时，在空气中放置20s。其它步骤及参数与具体实施方式一至六相同。

[0017] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的：步骤五中挤压比为7～18。其它步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

[0018] 具体实施方式九：本实施方式具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备按照以下步骤进行：一、熔炼：采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭，其中TiAl合金铸锭中Al为42at.％；二、热等静压：TiAl合金铸锭在温度为1270℃、压力为135MPa条件下保温4.5小时，然后随炉冷却出炉；三、电火花线切割：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；四、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为6mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为5mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；五、涂覆润滑剂：将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，然后在温度低于α转变温度15℃的条件保温3.5小时，随后在空气中放置20s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即得到了具有细晶全层片组织的TiAl合金；步骤四中不锈钢管的壁厚为5mm。

[0019] 本实施方式步骤五中α转变温度为1275℃。

[0020] 与现有的方法相比较，本实施方式方法省去了中间热处理和多步热加工工序，制作得到了具有细晶全层片组织的TiAl合金，极大的降低了制作成本，与现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法相比较成本减低了60％。

[0021] 本实施方式制作得到的TiAl合金的组织结构图如图2所示，从图中可以看出本实施方式所制备得到的TiAl合有细晶全层片组织。

[0022] 本实施方式制作得到的TiAl合金的力学性能检测结果如图3所示，图3中 表示应变，□表示抗拉强度，■表示屈服强度，从图3可以看出本实施方式制作得到的TiAl合金经一次挤压后的室温强度高达1GPa以上。