一种高强塑积TiAl基复合材料的制备方法转让专利
申请号 : CN201911298379.8
文献号 : CN110904378B
文献日 : 2021-06-15
发明人 : 梁霄鹏 , 刘镇琦 , 李慧中 , 刘咏
申请人 : 中南大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种高强塑积TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于:包括下述步骤,第一步:将A元素粉末与TiAl预合金粉末在V型混料机中充分混合5 8小时,得到混合粉~
末;所述A元素粉末为Nb元素粉末;
所述TiAl预合金粉末以原子百分比计,由下述组分组成:Al:42 50%,
~
A元素:1.0 6.0%,~
W:0.1 0.4%,
~
其余杂质元素总量小于0.1%,剩余为Ti;
A元素粉末的原子个数占TiAl预合金粉末+A元素粉末原子总个数的0.5 10%;
~
第二步:将步骤一所得混合粉末装入包套中,进行振实、密封后抽真空处理;第二步中,抽真空处理的温度为500℃ 550℃,时间为2 3小时;
~ ~
第三步:将抽好真空的密封罐进行热等静压处理,获得钛铝金属间化合物基复合材料坯料;第三步中,热等静压温度为1255℃ 1265℃,压强为150 155MPa,时间为5 5.5h,随炉~ ~ ~
冷却;
第四步:从第三步获得的热等静压坯料上切取圆柱形坯料,圆柱形坯料的高径比大于
1;不锈钢包套的壁厚大于坯料直径的10%,上下底厚度为壁厚2倍;
第五步:将带包套的坯料在1240℃ 1260℃保温3 5小时,同时对挤压筒和挤压模具进~ ~
行预热;第五步中挤压筒和挤压模具预热温度为500℃ 520℃;
~
第六步:将第五步保温后的带包套坯料在预热后的模具中进行高温包套挤压,挤压后自然冷却;第六步中挤压温度为1240℃ 1260℃,挤压速度为20 30mm/min,挤压比大于6,整~ ~
个成形过程温度偏差小于10℃,且挤压速度恒定,挤压后空冷,获得原位生成TiAl金属间化合物基复合材料;
第七步:采用机械方法,将冷却后挤压坯料的包套去除,得到高强塑积TiAl金属间化合物基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种高强塑积TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于:采用粉末冶金方法制坯,利用热塑性成型方法实现增强相原位生成。
3.根据权利要求1所述的一种高强塑积TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于:所用TiAl预合金粉末为‑100目通粉,氧含量小于800ppm,采用旋转电极法制备;所用Nb元素粉末为‑200目 ‑100目,氧含量小于500ppm。
~
4.根据权利要求1所述的一种高强塑积TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于:原位生成的增强相为纤维状分布的富Nb相和颗粒状分布的Ti2AlNb相。
5.根据权利要求1所述的一种高强塑积TiAl基复合材料的制备方法,其特征在于:挤压获得的原位生成TiAl金属间化合物基复合材料在800℃下的高温拉伸强塑积大于38GPa%,在850℃下的高温拉伸强塑积大于46GPa%。
说明书 :
一种高强塑积TiAl基复合材料的制备方法
技术领域
背景技术
的高温综合力学性能(强度和塑性),尤其高温韧性不足,严重限制了其大规模应用。强塑积
(强度×塑性)作为表征材料强韧性水平的综合性能指标,是评价TiAl金属间化合物可否应
用的重要指标之一,提高TiAl金属间化合物的高温强塑积,是实现其广泛应用的重要基础。
行准确控制。
常规TiAl合金具有更优的塑性。然而β相在常温下转变为脆性B2相,严重不利于合金的塑
性。
TiC、B4C、Al2O3、BN、 Ti2AlN等碳化物、氮化物、氧化物颗粒,制备颗粒增强TiAl金属间化合
物基复合材料。(2)在TiAl金属间化合物基体中引入W、Mo、 Nb等高熔点、高强度的纤维或晶
须制备纤维或晶须增强复合材料。 (3)将高塑性的金属或合金与TiAl金属间化合物复合,
制备层状结构的复合材料。但是目前TiAl金属间化合物基复合材料制备方法普遍存在工艺
路线复杂,增强原理单一的缺陷。
金属颗粒,实现类似β相提高材料塑性变形能力的作用,利用纯金属颗粒在热挤压过程中与
基体的扩散作用,原位生成纤维状韧性相,起到类似纤维增强或层状结构增强的作用,同时
原位生成颗粒状第二相起到颗粒增强的作用。本发明结合了多种增强方法,实现了对TiAl
金属间化合物的复合增强。
发明内容
选为Nb元素粉、进一步优选为Nb元素的球状粉;
5.5%。
于500ppm。在本发明中“‑100目通粉”可以理解为小于100目的所有粉末,包含了‑120目, ‑
150目,‑180目······等等。
厚大于坯料直径的10%,上下底厚度为壁厚2倍。
小于10℃,且挤压速度恒定,挤压后空冷,获得原位生成TiAl金属间化合物基复合材料。
塑积大于46GPa %。
金属间化合物晶粒大小可控的原理,通过控制原始粉末粒径,实现了具有高塑性细晶TiAl
坯体制备;通过在原始粉末中混合Nb元素粉,利用Nb元素粉末的高塑性特点,在变形过程中
起到类似β相协调变形,提高合金塑性变形能力的作用,顺利实现材料高温挤压变形;在高
温变形过程中,利用 Nb元素与TiAl基体间良好的扩散能力,使挤压后Nb元素粉通过相变转
变为纤维状富Nb相和颗粒状Ti2AlNb相,纤维状富Nb相具有良好的韧性,可阻碍断裂过程中
裂纹扩展,引起载荷转移,同时增加裂纹扩展消耗的能量,从而提高材料的塑性和韧性,起
到纤维增韧或层状结构增韧的效应;而颗粒状Ti2AlNb相能够阻止变形过程中的位错运动,
实现提高强度的目的,具有颗粒增强的效应。由于这种复合材料有原位生成,因此同时具有
优良的基体与第二相的界面强度,避免了外加第二相增强复合材料的界面缺陷。因此本发
明本发明结合了多种增强方法,实现了对TiAl金属间化合物完美的复合增强。
℃时的强塑积提高6倍以上,在850℃时提高20%以上。而800℃~850℃正是TiAl金属间化
合物公认的最佳使用温度范围。
生产。
附图说明:
相,在纤维相内部分布颗粒状第二相。元素分布情况可说明,纤维状相为富Nb相,而颗粒状
相为Ti2AlNb相,富Nb相起纤维增强或层状结构增强作用, Ti2AlNb相起颗粒增强作用,元素
细小的双态组织基体起细晶增强作用,该复合材料结合了多元增强效应。
复合材料的高温性能对比,可见在800℃时,该复合材料的强塑积为38.8GPa%,而锻造态和
轧制态普通TiAl仅为3.4GPa %和5.4GPa%;850℃时,该复合材料的强塑积为46.9GPa%,
而锻造态和轧制态普通TiAl仅为31.0GPa %和 37.6GPa%。
具体实施方式:
100目通粉,氧含量为780ppm,Nb元素粉为‑200目~‑100目,氧含量为 450ppm。然后将充分
混合后的Nb元素粉末与TiAl合金粉末装入Φ100mm×200mm不锈钢包套中,进行振实、密封
后在520℃条件下抽真空2.5小时。将抽好真空的密封罐在温度为1260℃,压强为 152MPa条
件下,热等静压处理5h后随炉冷却。然后从热等静压坯料上切取尺寸为Φ65mm×70mm的圆
柱形坯料,并封装入尺寸为Φ85mm×110mm的不锈钢包套中。将坯料表面均匀涂覆防氧化玻
璃粉后置入温度为1250℃的高温炉中保温4h后进行挤压,挤压前将挤压筒和挤压模预热至
510℃,挤压温度为1250℃,挤压速度为 25mm/min,挤压比为6.25,整个挤压过程控制温度
偏差小于10℃,且挤压速度恒定,挤压后空冷,去除包套后获得原位生成TiAl金属间化合物
基复合材料。该复合材料800℃时的强塑积为38.8GPa%, 850℃时的强塑积为46.9GPa%。
100目通粉,氧含量为780ppm,Nb元素粉为‑200目~‑100目,氧含量为450ppm。然后将充分混
合后的Nb元素粉末与TiAl合金粉末装入Φ100mm×200mm不锈钢包套中,进行振实、密封后
在550℃条件下抽真空3小时。将抽好真空的密封罐在温度为1255℃,压强为155MPa 条件
下,热等静压处理5.5h后随炉冷却。然后从热等静压坯料上切取尺寸为Φ65mm×70mm的圆
柱形坯料,并封装入尺寸为Φ85mm×110mm的不锈钢包套中。将坯料表面均匀涂覆防氧化玻
璃粉后置入温度为1240℃的高温炉中保温5h后进行挤压,挤压前将挤压筒和挤压模预热至
500℃,挤压温度为1240℃,挤压速度为 30mm/min,挤压比为6.25,整个挤压过程控制温度
偏差小于10℃,且挤压速度恒定,挤压后空冷,去除包套后获得原位生成TiAl金属间化合物
基复合材料。该复合材料800℃时的强塑积为35.2GPa%, 850℃时的强塑积为42.6GPa%。
100目通粉,氧含量为780ppm,Nb元素粉为‑200目~‑100目,氧含量为 450ppm。然后将充分
混合后的Nb元素粉末与TiAl合金粉末装入Φ100mm×200mm不锈钢包套中,进行振实、密封
后在550℃条件下抽真空2小时。将抽好真空的密封罐在温度为1265℃,压强为150MPa 条件
下,热等静压处理5.5h后随炉冷却。然后从热等静压坯料上切取尺寸为Φ65mm×70mm的圆
柱形坯料,并封装入尺寸为Φ85mm×110mm的不锈钢包套中。将坯料表面均匀涂覆防氧化玻
璃粉后置入温度为1260℃的高温炉中保温3h后进行挤压,挤压前将挤压筒和挤压模预热至
520℃,挤压温度为1260℃,挤压速度为 20mm/min,挤压比为6.25,整个挤压过程控制温度
偏差小于10℃,且挤压速度恒定,挤压后空冷,去除包套后获得原位生成TiAl金属间化合物
基复合材料。该复合材料800℃时的强塑积为36.9GPa%, 850℃时的强塑积为45.3GPa%。
100目通粉,氧含量为780ppm,Ta元素粉为‑200目~‑100目,氧含量为 420ppm。然后将充分
混合后的Ta元素粉末与TiAl合金粉末装入Φ100mm×200mm不锈钢包套中,进行振实、密封
后在530℃条件下抽真空3小时。将抽好真空的密封罐在温度为1255℃,压强为150MPa 条件
下,热等静压处理5h后随炉冷却。然后从热等静压坯料上切取尺寸为Φ65mm×70mm的圆柱
形坯料,并封装入尺寸为Φ85mm×110mm的不锈钢包套中。将坯料表面均匀涂覆防氧化玻璃
粉后置入温度为1255℃的高温炉中保温5h后进行挤压,挤压前将挤压筒和挤压模预热至
520℃,挤压温度为1255℃,挤压速度为 25mm/min,挤压比为6.25,整个挤压过程控制温度
偏差小于10℃,且挤压速度恒定,挤压后空冷,去除包套后获得原位生成TiAl金属间化合物
基复合材料。该复合材料800℃时的强塑积为40.5GPa%, 850℃时的强塑积为45.2GPa%。