CN101758236B - 一种TiAl基合金板材的制备方法 - Google Patents

一种TiAl基合金板材的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种TiAl基合金板材的制备方法，它涉及一种合金板材的制备方法。本发明解决现有TiAl基合金在室温条件下难以加工成型；粉末冶金技术制备的TiAl基合金板材存在极易受间隙元素的污染而且含氧等杂质较多；铸锭冶金技术和精密铸造工艺制备TiAl基合金板材存在晶粒组织粗大，强度较低及组织疏松的问题。方法：纯钛颗粒堆积到钢模具中得多孔钛预制体，将Al-Si合金铸锭线切割成块体，置于多孔钛预制体上，烧结后得Ti-Al双金属复合体，经冷轧后得Ti-Al双金属复合板，再烧结，冷却至室温后退模，即得。本发明实现了TiAl基合金在室温条件下加工成型，致密，结构均匀，晶粒组织细小，强度高，降低氧化与杂质的负面影响。

Description

一种TiAl基合金板材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金板材的制备方法。
背景技术
TiAl基合金因其轻质、高强、抗蠕变和抗氧化性能突出等优点，使其成为航天、航空及汽车用耐热结构件极具竞争力的材料。随着TiAl基合金实用化进程的发展，对制备TiAl基合金板材的要求越来越迫切，但TiAl基合金塑性很低、加工性能很差，因此TiAl基合金板材制备的难度很大。
目前，TiAl基合金板材大部分采用铸锭冶金技术(如挤压、锻造、轧制、板材成型)、粉末冶金技术(包括模压和挤压烧结)和精密铸造技术等成形方法。粉末冶金技术一般需要对粉末进行包套热压、热挤、热等静压及烧结而成形，虽然可以显著降低晶粒尺寸，获得组织细小均匀的毛坯，但合金板材在制备过程中极易受间隙元素的污染而且含氧等杂质较多，许多工艺尚需要完善；采用铸锭冶金技术和精密铸造工艺制备TiAl基合金板材主要缺点是铸件仍存在晶粒组织粗大，强度较低，合金凝固收缩较大以及凝固组织疏松等缺点；而且TiAl基合金，在室温条件下难以加工成型；以上存在的问题阻碍了TiAl基合金板材的实用化。
发明内容
本发明为了解决现有TiAl基合金在室温条件下难以加工成型；采用粉末冶金技术制备的TiAl基合金板材存在极易受间隙元素的污染而且含氧等杂质较多；采用铸锭冶金技术和精密铸造工艺制备TiAl基合金板材存在晶粒组织粗大，强度较低及组织疏松的问题，而提供一种TiAl基合金板材的制备方法。
TiAl基合金板材的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为50～150μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/min的速度升温至590～640℃并保温30～120min，再加压到5～30MPa，保压10～30min，然后保压冷却至室温，得Ti-Al双金属复合体；三、Ti-Al双金属复合体进行冷轧，得厚度为1～3mm的Ti-Al双金属复合板；四、Ti-Al双金属复合板置于真空热压烧结炉中，在温度为640～700℃、压力为10～30MPa的条件下烧结0.5～3h，然后升温至1100～1400℃，在压力为10～30MPa的条件下烧结1～4h，保压冷却至室温后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步骤三中冷轧的条件是轧制压力为200～600T，轧制速度为0.1～2m/s，道次变形量为5％～15％，轧制总变形量为70％～95％。
本发明将Al-Si合金渗入到多孔钛预制体中，并且控制温度使Ti、Al尽量不发生反应，形成塑性良好的Ti-Al双金属复合体，然后冷轧成Ti-Al双金属复合板，实现室温条件下加工成型，便于塑性加工，克服了TiAl基合金冷热加工变形性差的缺陷，可充分满足各种成型要求；本发明采用AlSi合金代替纯Al，可有效降低Al的熔点，使得在浸渗过程中减少Ti与Al的反应，且Si元素在热处理过程中作为有益元素参与反应；本发明可有效提高TiAl基合金板材的致密度(致密度达97％～99％)和结构均匀性，晶粒组织细小，避免了铸态组织缺陷的产生，板材强度达730MPa～780MPa。本发明压力浸渗过程在真空中进行，且省去了粉末冶金工艺中球磨混粉的过程，减少Ti、Al发生氧化及融入新杂质的机会，降低氧化与杂质对TiAl基合金板材的负面影响。
附图说明
图1是具体实施方式十一步骤二中所得Ti-Al双金属复合体的显微照片，图2是具体实施方式十一中所得TiAl基合金板材的显微照片。
具体实施方式
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。
具体实施方式一：本实施方式TiAl基合金板材的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为50～150μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/min的速度升温至590～640℃并保温30～120min，再加压到5～30MPa，保压10～30min，然后保压冷却至室温，得Ti-Al双金属复合体；三、Ti-Al双金属复合体进行冷轧，得厚度为1～3mm的Ti-Al双金属复合板；四、Ti-Al双金属复合板置于真空热压烧结炉中，在温度为640～700℃、压力为10～30MPa的条件下烧结0.5～3h，然后升温至1100～1400℃，在压力为10～30MPa的条件下烧结1～4h，保压冷却至室温后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步骤三中冷轧的条件是轧制压力为200～600T，轧制速度为0.1～2m/s，道次变形量为5％～15％，轧制总变形量为70％～95％。
本实施方式步骤一中多孔钛预制体为松装结构，孔隙率为47.6％～52％。
本实施方式步骤二中保压目的是使熔融Al-Si合金充分渗入到多孔钛预制体中。
本实施方式步骤四中烧结是为了防止空洞的形成；首先是低温热压真空反应烧结，这是为了使Al-Si合金充分和纯钛发生反应，其化学反应式为：Ti+3Al→TiAl3；然后是高温热压真空反应烧结，这是为了使TiAl3完全转变成TiAl基合金，其化学反应式为：2Ti+TiA13→3TiAl。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中采用直径为60～140μm纯钛颗粒。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中采用直径为80μm纯钛颗粒。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中采用直径为120μm纯钛颗粒。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二、三或四不同的是步骤二中抽真空至0.005Pa，然后以15℃/min的速度升温至600℃并保温60min，再加压到10MPa，保压15min。其它步骤及参数与具体实施方式二、三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二、三或四不同的是步骤二中抽真空至0.008Pa，然后以18℃/min的速度升温至620℃并保温100min，再加压到30MPa，保压12min。其它步骤及参数与具体实施方式二、三或四相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤三中冷轧的条件是轧制压力为300T，轧制速度为0.5m/s，道次变形量为8％，轧制总变形量为80％。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤三中冷轧的条件是轧制压力为500T，轧制速度为1.5m/s，道次变形量为10％，轧制总变形量为90％。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是步骤四中在温度为650℃、压力为15MPa的条件下烧结1h，然后升温至1200℃，在压力为20MPa的条件下烧结2h。其它步骤及参数与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是步骤四中在温度为680℃、压力为25MPa的条件下烧结2h，然后升温至1300℃，在压力为28MPa的条件下烧结3h。其它步骤及参数与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十一：本实施方式TiAl基合金板材的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为100～120μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.01Pa，然后以10℃/min的速度升温至620℃并保温60min，再加压到20MPa，保压15min，然后保压冷却至室温，得Ti-Al双金属复合体；三、Ti-Al双金属复合体进行冷轧，得厚度为2mm的Ti-Al双金属复合板；四、Ti-Al双金属复合板置于真空热压烧结炉中，在温度为660℃、压力为20MPa的条件下烧结1.5h，然后升温至1200℃，在压力为30MPa的条件下烧结3h，保压冷却至室温后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步骤三中冷轧的条件是轧制压力为600T，轧制速度为2m/s，道次变形量为10％，轧制总变形量为90％。
本实施方式步骤一中多孔钛预制体的孔隙率为48.3％。
本实施方式步骤二中所得Ti-Al双金属复合体，由图1中可以看出，本实施方式中可得到双金属复合体，且组织均匀。
本实施方式所得TiAl基合金板材，经测试致密度为99％，强度为780MPa；从图2中可知，Ti和Al反应完全，TiAl基合金板材的结构均匀，晶粒组织细小，无铸态组织缺陷。
具体实施方式十二：本实施方式TiAl基合金板材的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为50～150μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/min的速度升温至590～640℃并保温30～120min，再加压到5～30MPa，保压10～30min，然后保压冷却至室温，得Ti-Al双金属复合体；三、Ti-Al双金属复合体进行冷轧，得厚度为1～3mm的Ti-Al双金属复合板；四、Ti-Al双金属复合板置于真空热压烧结炉中，在温度为640～700℃、压力为10～30MPa的条件下烧结0.5～3h，然后升温至1100～1400℃烧结1～4h，保压冷却至室温后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步骤三中冷轧的条件是轧制压力为200～600T，轧制速度为0.1～2m/s，道次变形量为5％～15％，轧制总变形量为70％～95％。
本实施方式步骤一中多孔钛预制体的孔隙率为48.9％。
本实施方式所得TiAl基合金板材，经测试致密度为98％，强度为770MPa；所得TiAl基合金板材的结构均匀，晶粒组织细小，无铸态组织缺陷。

Claims (10)

1.一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于TiAl基合金板材的制备方法按以下步骤实现：一、采用直径为50～150μm纯钛颗粒直接堆积到钢模具中，得多孔钛预制体；二、将Al-Si合金铸锭线切割成与钢模具形状尺寸相当的块体，然后置于多孔钛预制体上，再置于真空热压烧结炉中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/min的速度升温至590～640℃并保温30～120min，再加压到5～30MPa，保压10～30min，然后保压冷却至室温，得Ti-Al双金属复合体；三、Ti-Al双金属复合体进行冷轧，得厚度为1～3mm的Ti-Al双金属复合板；四、Ti-Al双金属复合板置于真空热压烧结炉中，在温度为640～700℃、压力为10～30MPa的条件下烧结0.5～3h，然后升温至1100～1400℃，在压力为10～30MPa的条件下烧结1～4h，保压冷却至室温后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步骤三中冷轧的条件是轧制压力为200～600T，轧制速度为0.1～2m/s，道次变形量为5％～15％，轧制总变形量为70％～95％。
2.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤一中采用直径为60～140μm纯钛颗粒。
3.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤一中采用直径为80μm纯钛颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤一中采用直径为120μm纯钛颗粒。
5.根据权利要求2、3或4所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤二中抽真空至0.005Pa，然后以15℃/min的速度升温至600℃并保温60min，再加压到10MPa，保压15min。
6.根据权利要求2、3或4所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤二中抽真空至0.008Pa，然后以18℃/min的速度升温至620℃并保温100min，再加压到30MPa，保压12min。
7.根据权利要求6所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤三中冷轧的条件是轧制压力为300T，轧制速度为0.5m/s，道次变形量为8％，轧制总变形量为80％。
8.根据权利要求6所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤三中冷轧的条件是轧制压力为500T，轧制速度为1.5m/s，道次变形量为10％，轧制总变形量为90％。
9.根据权利要求7或8所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤四中在温度为650℃、压力为15MPa的条件下烧结1h，然后升温至1200℃，在压力为20MPa的条件下烧结2h。
10.根据权利要求7或8所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤四中在温度为680℃、压力为25MPa的条件下烧结2h，然后升温至1300℃，在压力为28MPa的条件下烧结3h。
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