CN101906548A - TiB2颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，它涉及颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法。本发明解决了现有技术制备颗粒增强TiAl基复合材料存在成本高、工艺复杂、污染严重、增强相分布不均匀、组织不致密等问题。本发明的方法如下：一、称料；二、制备预制块；三、装料；四、熔炼并浇注，冷却后制得颗粒增强TiAl基复合材料。本发明方法的成本低、污染小、成分准确，增强相/基体的界面干净，增强相分布均匀，制得的复合材料组织均匀细小，本发明工艺简单，可直接浇注TiAl复合材料铸锭，结合后续的热锻、热轧、热挤压等工艺进行二次加工成形，也可把复合材料的熔炼制备与熔模铸造相结合制备铸件，适合工业化生产。

Description

TiB2颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法。

背景技术

大推力航空发动机和各种航天器、战术、战略导弹的轻型化及超高音速化对结构件提出了越来越高的要求。TiAl基合金比强度和比弹性模量高、同时具有优良的抗氧化、抗蠕变性能，是一种很具应用前景的新型轻质高温结构材料，但钛铝基合金室温塑性和韧性差，难以成形加工，800℃以上抗氧化性能不足等问题成为限制其实际应用的主要障碍。

TiAl基(Ti₃Al、TiAl、TiAl₃)复合材料综合了TiAl金属间化合物和陶瓷的优点，是提高TiAl金属间化合物韧性和高温强度的有效方法之一。相对于长纤维增强复合材料，颗粒增强复合材料对基体和增强相的热膨胀系数不匹配性和化学反应敏感性小，且颗粒增强复合材料具有制备简单、各向同性、可以二次加工等优点。TiB₂热力学稳定，不与TiAl基体发生界面反应等优点，使TiB₂/TiAl复合材料成为优良的高温结构材料的首选，自上世纪80年代以来，美日等过对TiB₂/TiAl复合材料的制备和成形工艺进行了大量研究，并制备出了TiB₂/TiAl复合材料的板材和精铸件。

金属间化合物复合材料有多种制备方法，如粉末冶金法、燃烧合成法、XD法、压铸法、快速凝固法等，这些方法要么涉及制备粉末的过程，要么熔炼过程中要使用坩埚和铸模，这对高活性的钛铝合金来说，不可避免地遭受气体和杂质的污染；同时，这些制备方法制得的复合材料孔隙率高，常常需要后续热压或热等静压、锻、轧、挤出等致密化工序，周期长，工艺复杂，生产所需能耗大，增加了生产成本，而且获得复合材料的增强相分布不均匀、组织不致密。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有制备颗粒增强TiAl基复合材料存在成本高、工艺复杂、污染严重、增强相分布不均匀、组织不致密等问题；提供了一种新的TiB₂增强TiAl基复合材料的制备方法。

TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由0.8％～20％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40％～60％Ti、35％～50％Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、W、Y、C中的一种或其中的几种组合，V在TiAl合金基体中的原子百分比≤10％，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比≤6％，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mn在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，Si在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，W在TiAl合金基体中的原子百分比≤1％，Y在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％，C在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％；TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按TiB₂的含量称取B粉和Ti粉，再按TiAl合金基体的含量称取海绵钛、铝、合金元素和铝中间合金，其中铝由铝块和铝粉组成，铝粉的称取量是TiB₂质量的5％～10％，其余为铝块；二、将步骤一称取的B粉、Ti粉和铝粉放入混料机中混合5～30h，然后压制成致密度为60％～80％的预制块；三、装料：向水冷铜坩埚内装入60％～70％称取量的海绵钛，然后装入合金元素和铝中间合金，再装入预制块，然后装入剩余的海绵钛，最后装入铝块；四、利用水冷铜坩埚感应熔炼设备(Induction SkullMelting-ISM)熔炼然后将熔体浇注到预热至300～400℃的金属型铸模中，或者预热至300～800℃的熔模铸造陶瓷型壳中并直接充型(或在50～300r/min的离心转速下充型)，然后冷却后制得TiB₂/TiAl复合材料。

本发明利用自蔓延-ISM熔炼工艺制备原位自生TiB₂/TiAl复合材料，TiB₂在ISM熔炼过程中通过Ti和B的自蔓延反应生成，熔体温度和成分挥发损失可以精确控制，污染小、成分准确；增强相TiB₂由感应加热过程中Ti和B粉间的自蔓延高温合成生成，从而增强相/基体的界面干净，增强相分布均匀，同时，使用ISM感应熔炼技术进行熔炼制得的复合材料组织均匀细小，(3vol.％TiB₂含量的TiAl合金)基体组织晶粒尺寸在100μm以下，经900～1280℃/20～50h热处理，层片组织完全转化为等轴晶，室温和800℃抗拉强度最高分别可达900MPa和600MPa，室温断裂韧性达到16～20MPam^-1/2；原位自生TiB₂作为增强体制备TiAl基复合材料，力学性能大大提高，0.8vol％的TiB₂增强的TiAl基复合材料精铸件，强度和塑性可以达到同类产品锻件水平；另外制备的TiAl复合材料具有较好的变形性能。熔炼过程中，位于最上层的铝先熔化，为下面金属熔化提供了热量，减小了能耗，从而降低了生产成本。本发明工艺简单，可直接浇注制备TiB₂/TiAl复合材料铸锭，结合后续的热锻、热轧、热挤压等工艺进行二次加工成形，也可把TiB₂/TiAl复合材料的制备与熔模铸造相结合制备铸件，适合工业化生产。

附图说明

图1是坩埚中材料的摆放顺序示意图：图中1是铝块，2是预制块，3是合金元素与铝的中间合金，4是海绵钛，5是水冷铜坩埚；

图2为ISM熔炼制备的3vol.％TiB₂/Ti-45Al-2Nb-2V-1Mo-0.3Y复合材料铸锭图；图3是ISM熔炼制备的3vol.％TiB₂/Ti-45Al-2Nb-2V-1Mo-0.3Y复合材料铸锭放大250倍的显微组织图；图4是ISM熔炼制备的3vol.％TiB₂/Ti-45Al-2Nb-2V-1Mo-o.3Y复合材料铸锭放大15000倍显微组织图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式中TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由0.8％～20％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40％～60％Ti、35％～50％Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、W、Y、C中的一种或其中的几种组合，V在TiAl合金基体中的原子百分比≤10％，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比≤6％，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mn在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，Si在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，W在TiAl合金基体中的原子百分比≤1％，Y在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％，C在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％；TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按TiB₂的含量称取B粉和Ti粉，再按TiAl合金基体的含量称取海绵钛、铝、合金元素和铝中间合金，其中铝由铝块和铝粉组成，铝粉的称取量是TiB₂质量的5％～10％，其余为铝块；二、将步骤一称取的B粉、Ti粉和铝粉放入混料机中混合5～30h，然后压制成致密度为60％～80％的预制块；三、装料：向水冷铜坩埚内装入60％～70％称取量的海绵钛，然后装入合金元素和铝中间合金，再装入预制块，然后装入剩余的海绵钛，最后装入铝块，其中合金元素、铝中间合金和预制块四周包裹着海绵钛；四、利用水冷铜坩埚感应设备熔炼至完全熔化后保温6～20分钟，然后将熔体浇注到预热至200～400℃的金属型铸模中，冷却后制得TiB₂/TiAl复合材料。

本实施方式步骤四中熔炼是采用现有钛铝合金的熔炼工艺进行的。

本实施方式制备的复合材料铸锭增强相/基体的界面干净，增强相分布均匀，制得的复合材料组织均匀细小，基体组织晶粒尺寸在100μm以下，经900～1280℃/20～50h热处理，层片组织完全转化为等轴晶；室温和800℃抗拉强度最高分别可达900MPa和600MPa，室温断裂韧性达到16～20MPam^-1/2。

采用本实施方式方法制备3vol.％TiB₂/Ti-45Al-2Nb-2V-1Mo-0.3Y复合材料，对该复合材料进行检测，结果如图3和4，由图3和4中可以看到TiAl合金组织细小均匀，细小的杆状TiB₂颗粒主要在晶界处均匀分布。

具体实施方式二：本实施方式中TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由0.8％～20％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40％～60％Ti、35％～50％Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、W、Y、C中的一种或其中的几种组合，V在TiAl合金基体中的原子百分比≤10％，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比≤6％，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mn在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，Si在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，W在TiAl合金基体中的原子百分比≤1％，Y在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％，C在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％；其特征在于TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按TiB₂的含量称取B粉和Ti粉，再按TiAl合金基体的含量称取海绵钛、铝、合金元素和铝中间合金，其中铝由铝块和铝粉组成，铝粉的称取量是TiB₂质量的5％～10％，其余为铝块；二、将步骤一称取的B粉、Ti粉和铝粉放入混料机中混合5～30h，然后压制成致密度为60％～80％的预制块；三、装料：向水冷铜坩埚内装入60％～70％称取量的海绵钛，然后装入合金元素和铝中间合金，再装入预制块，然后装入剩余的海绵钛，最后装入铝块，其中合金元素、铝中间合金和预制块四周包裹着海绵钛；四、利用水冷铜坩埚感应设备熔炼至完全熔化后保温6～20分钟，然后将熔体浇注到预热至300～800℃的熔模铸造陶瓷型壳中，在0～300r/min的离心转速下充型，冷却后制得TiB₂/TiAl复合材料铸件。

本实施方式步骤四中熔炼是采用现有钛铝合金的熔炼工艺进行的。

本实施方式制备的复合材料铸锭增强相/基体的界面干净，增强相分布均匀，制得的复合材料组织均匀细小，基体组织晶粒尺寸在100μm以下，经900～1280℃/20～50h热处理，层片组织完全转化为等轴晶；室温和800℃抗拉强度最高分别可达900MPa和600MPa，室温断裂韧性达到16～20MPam^-1/2。

具体实施方式三：本实施方式本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由10％～15％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由3％TiB₂和97％TiAl合金基体组成。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由7％TiB₂和93％TiAl合金基体组成。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由7.5％TiB₂和97％TiAl合金基体组成。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述TiAl合金基体按原子百分比由47.7％Ti、43％Al、9％V、0.3Y组成。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述TiAl合金基体按原子百分比由46～52.7％Ti、42～48.7％Al、2％V、2％Nb、1％Mo和0.3Y组成。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述TiAl合金基体按原子百分比由51％Ti、44％Al、2％的V、2％的Nb、0.5％的W、0.2％的C及0.3％的Y组成。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述TiAl合金基体按原子百分比由43.7％Ti、45％Al、5％V、3％Nb、1％Cr、0.1％Mn、1.5％Si、0.3％Y、0.4％C组成。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式中TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由0.8％TiB₂和99.2％的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由55％Ti、37％的Al、4％的V、2％的Nb、1％的Cr、1％的Si、0.6％的W、0.2％的Y和0.2％的C；TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按TiB₂的含量称取小于10μm的B粉和小于100μm的Ti粉，再按TiAl合金基体的含量称取海绵钛、铝块、粒径小于100μm的铝粉、合金元素和铝中间合金，其中铝粉的称取量是TiB₂质量的10％；二、将步骤一称取的B粉、Ti粉和Al粉放入V型混料机中混合5～30h，然后压制成致密度为75％的预制块；三、装料：按图1所示构造先向水冷铜坩埚内装入65％称取量的海绵钛，然后装入合金元素和铝中间合金，再装入预制块，然后装入35％称取量的海绵钛，最后装入铝块，其中合金元素、铝中间合金和预制块四周包裹着海绵钛；四、利用水冷铜坩埚感应设备熔炼设备熔炼至完全熔化后保温15分钟，然后将熔体浇注到预热至300℃的金属型铸型中，冷却后制得TiB₂/TiAl复合材料铸锭。

本实施方式制得的TiB₂/TiAl复合材料铸锭的基体组织晶粒尺寸在30～100μm，室温和800℃抗拉强度分别可达900MPa和600MPa，室温断裂韧性达到16～20Mpam^-1/2。

具体实施方式十二：本实施方式中TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由7％TiB₂和93％的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由43.7％Ti、45％Al、5％V、3％Nb、1％Cr、0.1％Mn、1.5％Si、0.3％Y和0.4％C组成；TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按TiB₂的含量称取小于10μm的B粉和小于125μm的Ti粉，再按TiAl合金基体的含量称取海绵钛、铝块、铝粉、合金元素和铝的中间合金，其中铝粉的称取量是TiB₂质量的5％；二、将步骤一称取的B粉、Ti粉和Al粉放入混料机中混合5～30h，然后压制成致密度为75％的预制块；三、装料：向水冷铜坩埚内装入70％称取量的海绵钛，然后装入合金元素和铝的中间合金，再装入预制块，然后装入剩余的海绵钛，最后装入铝块，其中合金元素、铝中间合金和预制块四周包裹着海绵钛；四、利用水冷铜坩埚感应设备熔炼设备，按照常规的钛铝合金的熔炼工艺进行熔炼，熔炼至完全熔化后保温10分钟(均匀化处理)，然后将熔体浇注到预热至750℃的熔模铸造陶瓷型壳中，在200r/min的离心转速下充型，冷却后制得TiB₂/TiAl复合材料铸件。

本实施方式在冷却后按照当前已知的除壳工艺除壳、清理，可得到TiB₂/TiAl复合材料的精铸件。

本实施方式制得的TiB₂/TiAl复合材料铸锭的基体组织晶粒尺寸在30～100μm，室温和800℃抗拉强度分别可达900MPa和600MPa，室温断裂韧性达到16～20MPam^-1/2。

Claims (10)

1.TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由0.8％～20％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40％～60％Ti、35％～50％Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、W、Y、C中的一种或其中的几种组合，V在TiAl合金基体中的原子百分比≤10％，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比≤6％，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mn在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，Si在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，W在TiAl合金基体中的原子百分比≤1％，Y在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％，C在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％；其特征在于TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按TiB₂的含量称取B粉和Ti粉，再按TiAl合金基体的含量称取海绵钛、铝块、合金元素和铝中间合金，其中铝由铝块和铝粉组成，铝粉的称取量是TiB₂质量的5％～10％，其余为铝块；二、将步骤一称取的B粉、Ti粉和铝粉放入混料机中混合5～30h，然后压制成致密度为60％～80％的预制块；三、装料：向水冷铜坩埚内装入60％～70％称取量的海绵钛，然后装入合金元素和铝中间合金，再装入预制块，然后装入剩余的海绵钛，最后装入铝块；四、利用水冷铜坩埚感应设备熔炼至完全熔化后保温6～20分钟，然后将熔体浇注到预热至200～400℃的金属型铸模中，冷却后制得TiB₂/TiAl复合材料。

2.根据权利要求1所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由10％～15％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成。

3.根据权利要求1所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由3％TiB₂和97％TiAl合金基体组成。

4.根据权利要求1所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由7％TiB₂和93％TiAl合金基体组成。

5.根据权利要求1所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由7.5％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成。

6.根据权利要求1-5中任一顶权利要求所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于所述TiAl合金基体按原子百分比由47.7％Ti、43％Al、9％V和0.3Y％组成。

7.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于所述TiAl合金基体按原子百分比由46～52.7％Ti、42～48.7％Al、2％V、2％Nb、1％Mo和0.3％Y组成。

8.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于所述TiAl合金基体按原子百分比由51％Ti、44％Al、2％V、2％Nb、0.5％的W、0.2％C及0.3％Y组成。

9.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，其特征在于所述TiAl合金基体按原子百分比由43.7％Ti、45％Al、5％V、3％Nb、1％Cr、0.1％Mn、1.5％Si、0.3％Y、0.4％C组成。

10.TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法，TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由0.8％～20％TiB₂和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40％～60％Ti、35％～50％Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、W、Y、C中的一种或其中的几种组合，V在TiAl合金基体中的原子百分比≤10％，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比≤6％，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mn在TiAl合金基体中的原子百分比≤3％，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，Si在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，W在TiAl合金基体中的原子百分比≤1％，Y在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％，C在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％；其特征在于TiB₂颗粒增强TiAl基复合材料的制备方法是按下述步骤进行的：一、按TiB₂的含量称取B粉和Ti粉，再按TiAl合金基体的含量称取海绵钛、铝、合金元素和铝中间合金，其中铝由铝块和铝粉组成，铝粉的称取量是TiB₂质量的5％～10％，其余为铝块；二、将步骤一称取的B粉、Ti粉和铝粉放入混料机中混合5～30h，然后压制成致密度为60％～80％的预制块；三、装料：向水冷铜坩埚内装入60％～70％称取量的海绵钛，然后装入合金元素和铝中间合金，再装入预制块，然后装入剩余的海绵钛，最后装入铝块；四、利用水冷铜坩埚感应设备熔炼至完全熔化后保温6～20分钟，然后将熔体浇注到预热至300～800℃的熔模铸造陶瓷型壳中，直接充型或者在50～300r/min的离心转速下充型，冷却后制得TiB₂/TiAl复合材料。

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