CN101979690B - 一种TiAl基合金板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiAl基合金板材的制备方法，涉及TiAl基合金板制备方法。解决现有元素粉制备TiAl基合金方法成本高、易引入杂质，及现有TiAl基合金冷加工变形性差导致成型加工困难的问题。方法：将TiH2粉和纯Al粉机械混粉，将混合粉装至石墨模具，然后热压烧结得Ti-Al双金属复合体，再轧制成型得Ti-Al双金属复合板材，再热压反应烧结合成TiAl基合金板材。制备方法成本低、工艺简单，采用价格低廉的TiH2粉为原料，TiH2粉为脆性粉末，在混粉过程中不易发生冷焊，所需混粉时间短，从而减少了杂质的引入。采用先成型后生成合金的元素粉工艺，克服了脆性TiAl合金冷加工变形性差的缺陷，可充分满足各种成型要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种TiAl基合金板的制备方法。
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，这使其成为航天、航空及汽车用耐热结构件极具竞争力的材料。目前，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基合金板材的成型工艺主要有铸造冶金工艺(如挤压、锻造、轧制、板材成型)、合金粉成型工艺和元素粉合成工艺。铸造冶金工艺直接对TiAl合金铸锭轧制，对设备要求高，成本高，加工周期长，材料利用率低，难于制备大尺寸板材；且为消除铸锭中的铸造缺陷和成分偏析需要HIP处理和均匀化热处理，工艺复杂。合金粉成型工艺采用部分合金化或完全合金化的TiAl基合金粉末为原料来制备TiAl基合金板材，但合金粉一般采用惰性气体雾化、等离子旋转电极雾化、机械合金化、自蔓延高温合成等方法制备，工艺要求较高，成本高。而目前采用元素粉工艺制备板材都以Ti粉与Al粉为原料，Ti粉价格昂贵，并且因其是延性粉末，在混粉过程中易发生冷焊，所需混粉时间长，从而更易引入杂质，且能耗高。这些都阻碍了TiAl基合金的实用化。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有元素粉制备TiAl基合金方法成本高、易引入杂质，及现有TiAl基合金冷加工变形性差导致成型加工困难的问题，本发明提供了一种TiAl基合金板材的制备方法。
本发明TiAl基合金板材的制备方法，是通过以下步骤实现的：一、按摩尔百分比将50％～55％的TiH2粉和45％～50％的Al粉进行机械混粉9～30h得混合粉，其中球料质量比为5～10∶1，所述Al粉的纯度不低于99％(质量)；二、将步骤一制得的混合粉装至石墨模具中，然后将石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空至0.1～0.001MPa，然后升温至500～680℃，保温60～120min，然后加压至10～30MPa，再保压并保温60～120min，得Ti-Al双金属复合体；三、将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在室温～200℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材；四、将步骤三得的Ti-Al双金属复合板材放入真空热压烧结炉中，升温至1100～1400℃后，再加压至10～30MPa，然后保压并保温2～4h，再冷却至室温，退模，得TiAl基合金板材。
本发明步骤二中在500～680℃条件下保温60～120min，使TiH2分解成Ti和H2，并将H2完全排出。本发明步骤四中的Ti-Al双金属复合板材中发生如下化学反应：6Ti+6Al→4Ti+2TiAl3；4Ti+2TiAl3→Ti3Al+TiAl+2TiAl2；Ti3Al+2TiAl2+TiAl→6TiAl。使Ti和Al充分发生反应合成TiAl基合金。
本发明依次通过机械混粉、采用热压烧结方法制备具有优良塑性的Ti-Al双金属复合体、低温轧制变形制备Ti-Al双金属复合板材和热压反应烧结法最终合成TiAl基合金板材，TiAl基合金板材的主相是TiAl(80％～100％(体积))，还含有部分Ti3Al(0％～20％(体积))。
本发明的TiAl合金板材的制备方法具有如下优点：
(1)成本低。本发明采用价格低廉的TiH2粉作为原料，TiH2粉价格低，大约是Ti粉价格的三分之一。
(2)工艺简单。本发明采用先成型后生成合金的元素粉工艺，先将纯Al粉和TiH2粉经混粉和热压烧结制成塑性良好的Ti-Al双金属复合体，然后低温轧制得到Ti-Al双金属复合体板材，再通过热处理使其反应烧结生成TiAl合金板材。这种先成型后生成合金的工艺，与目前广泛采用的铸造冶金工艺相比，无需包套轧制或等温轧制等苛刻的工艺，工艺简单，进一步降低了成本。
(3)克服了元素粉工艺易引入杂质的缺点。元素粉工艺的主要缺点是制品中氧含量和杂质含量不易控制。若以Ti粉与Al粉为原料，由于Ti粉是延性粉末，其在混粉过程中易发生冷焊，所需混粉时间长，从而更易引入杂质，而以TiH2粉与Al粉为原料，因为TiH2粉为脆性粉末，在混粉过程中不易发生冷焊，所需混粉时间短，从而减少了杂质的引入。
(4)解决成分控制的问题。元素粉工艺可以通过粉末配比很容易实现成分的控制，且易于添加合金元素。
(5)克服了脆性TiAl合金冷加工变形性差的缺陷。一般情况下，TiAl合金常温塑性非常差，不能满足成型加工要求。本发明使得TiAl合金在热压反应烧结之前保持Ti-Al双金属复合体状态，便于塑性加工，克服脆性TiAl合金冷加工变形性差的缺陷，可充分满足各种成型要求。
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是通过以下步骤实现的：一、按摩尔百分比将50％～55％的TiH2粉和45％～50％的Al粉进行机械混粉9～30h得混合粉，其中球料质量比为5～10∶1，所述Al粉的纯度不低于99％(质量)；二、将步骤一制得的混合粉装至石墨模具中，然后将石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空至0.1～0.001MPa，然后升温至500～680℃，保温60～120min，然后加压至10～30MPa，再保压并保温60～120min，得Ti-Al双金属复合体；三、将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在室温～200℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材；四、将步骤三得的Ti-Al双金属复合板材放入真空热压烧结炉中，升温至1100～1400℃后，再加压至10～30MPa，然后保压并保温2～4h，再冷却至室温，退模，得TiAl基合金板材。
本实施方式依次通过机械混粉、采用热压烧结方法制备具有优良塑性的Ti-Al双金属复合体、低温轧制变形制备Ti-Al双金属复合板材和热压反应烧结法最终合成TiAl基合金板材，TiAl基合金板材的主相是TiAl相(80％～100％(体积))，还含有部分Ti3Al相(0％～20％(体积))。
本实施方式步骤四中的Ti-Al双金属复合板材中发生如下化学反应：6Ti+6Al→4Ti+2TiAl3；4Ti+2TiAl3→Ti3Al+TiAl+2TiAl2；Ti3Al+2TiAl2+TiAl→6TiAl。使Ti和Al充分发生反应合成TiAl基合金。
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按摩尔百分比将52％的TiH2粉和48％的Al粉进行机械混粉24h得混合粉。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或二不同的是步骤一中TiH2粉的粒径为30～50μm，Al粉的粒径为20～40μm。其它步骤及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、二或三不同的是步骤二中然后升温至600℃，保温90min。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二中升温速率为10～20℃/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中然后加压至20MPa，再保压并保温90min。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
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步骤三将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在100～180℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材。其它步骤及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步骤三将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在150℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材。其它步骤及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八之一不同的是步骤三轧制得到的Ti-Al双金属复合板材的厚度为1～3mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三轧制得到的Ti-Al双金属复合板材的厚度为2mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是步骤四中升温至1200℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是步骤四中加压至30MPa，然后保压并保温3h。其它步骤及参数与具体实施方式一至十一之一相同。
具体实施方式十三：本实施方式TiAl基合金板材的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按摩尔百分比将55％的TiH2粉和45％的Al粉进行机械混粉24h得混合粉，其中球料质量比为5∶1，所述Al粉的纯度为99％(质量)；二、将步骤一制得的混合粉装至石墨模具中，然后将石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空至0.01MPa，然后升温至600℃，保温90min，然后加压至20MPa，再保压并保温90min，得Ti-Al双金属复合体；三、将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在150℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材；四、将步骤三得的Ti-Al双金属复合板材放入真空热压烧结炉中，升温至1200℃后，再加压至30MPa，然后保压并保温3h，再冷却至室温，退模，得TiAl基合金板材。
本实施方式步骤三轧制得到的Ti-Al双金属复合板材的厚度为2mm。本实施方式采用的TiH2粉的粒径为30～40μm，Al粉的粒径为20～30μm。
本实施方式采用价格低廉的TiH2粉和Al粉为原料，由于TiH2粉为脆性粉末，在混粉过程中不易发生冷焊，所需混粉时间短，从而减少了杂质的引入。制备工艺过程采用先成型后形成合金材料的成型工艺，成型的Ti-Al双金属复合板材的塑性优于TiAl合金，能够满足各种成型要求。本实施方式制备得到的TiAl基合金板材的主相是TiAl(80％(体积))，还含有20％(体积)的Ti3Al相。
具体实施方式十四：本实施方式TiAl基合金板材的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按摩尔百分比将50％的TiH2粉和50％的Al粉进行机械混粉24h得混合粉，其中球料质量比为5∶1，所述Al粉的纯度为99％(质量)；二、将步骤一制得的混合粉装至石墨模具中，然后将石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空至0.01MPa，然后升温至600℃，保温90min，然后加压至20MPa，再保压并保温90min，得Ti-Al双金属复合体；三、将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在150℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材；四、将步骤三得的Ti-Al双金属复合板材放入真空热压烧结炉中，升温至1200℃后，再加压至30MPa，然后保压并保温3h，再冷却至室温，退模，得TiAl基合金板材。
本实施方式步骤三轧制得到的Ti-Al双金属复合板材的厚度为3mm。本实施方式采用的TiH2粉的粒径为40～50μm，Al粉的粒径为30～40μm。
本实施方式采用价格低廉的TiH2粉和Al粉为原料，由于TiH2粉为脆性粉末，在混粉过程中不易发生冷焊，所需混粉时间短，从而减少了杂质的引入。制备工艺过程采用先成型后形成合金材料的成型工艺，成型的Ti-Al双金属复合板材的塑性优于TiAl合金，能够满足各种成型要求。本实施方式制备得到的TiAl基合金板材中唯一相是TiAl(100％(体积))，没有Ti3Al相。
具体实施方式十五：本实施方式TiAl基合金板材的制备方法是通过以下步骤实现的：一、按摩尔百分比将52％的TiH2粉和48％的Al粉进行机械混粉24h得混合粉，其中球料质量比为5∶1，所述Al粉的纯度为99％(质量)；二、将步骤一制得的混合粉装至石墨模具中，然后将石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空至0.01MPa，然后升温至600℃，保温90min，然后加压至20MPa，再保压并保温90min，得Ti-Al双金属复合体；三、将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在150℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材；四、将步骤三得的Ti-Al双金属复合板材放入真空热压烧结炉中，升温至1200℃后，再加压至30MPa，然后保压并保温3h，再冷却至室温，退模，得TiAl基合金板材。
本实施方式步骤三轧制得到的Ti-Al双金属复合板材的厚度为2mm。本实施方式采用的TiH2粉的粒径为40μm，Al粉的粒径为30μm。
本实施方式采用价格低廉的TiH2粉和Al粉为原料，由于TiH2粉为脆性粉末，在混粉过程中不易发生冷焊，所需混粉时间短，从而减少了杂质的引入。制备工艺过程采用先成型后形成合金材料的成型工艺，成型的Ti-Al双金属复合板材的塑性优于TiAl合金，能够满足各种成型要求。本实施方式制备得到的TiAl基合金板材的主相是TiAl相(92％(体积))，还含有8％(体积)的Ti3Al相。
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是通过以下步骤实现的：一、按摩尔百分比将50％～55％的TiH2粉和45％～50％的Al粉进行机械混粉9～30h得混合粉，其中球料质量比为5～10∶1，所述Al粉的纯度不低于99％(质量)；二、将步骤一制得的混合粉装至石墨模具中，然后将石墨模具放入真空热压烧结炉中，抽真空至0.1～0.001MPa，然后升温至500～600℃，保温60～120min，然后加压至10～30MPa，再保压并保温60～120min，得Ti-Al双金属复合体；三、将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在室温～200℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材；四、将步骤三得的Ti-Al双金属复合板材放入真空热压烧结炉中，升温至1100～1400℃后，再加压至10～30MPa，然后保压并保温2～4h，再冷却至室温，退模，得TiAl基合金板材。
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按摩尔百分比将52％的TiH2粉和48％的Al粉进行机械混粉24h得混合粉。
3.根据权利要求1或2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TiH2粉的粒径为30～50μm，Al粉的粒径为20～40μm。
4.根据权利要求1或2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然后升温至600℃，保温90min。
5.根据权利要求1或2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然后加压至20MPa，再保压并保温90min。
6.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤三将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在100～180℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材。
7.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤三将步骤二得的Ti-Al双金属复合体在150℃条件下轧制得到Ti-Al双金属复合板材。
8.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤三轧制得到的Ti-Al双金属复合板材的厚度为1～3mm。
9.根据权利要求1或2所述的一种TiAl基合金板材的制备方法，其特征在于步骤三轧制得到的Ti-Al双金属复合板材的厚度为2mm。
10.根据权利要求1或2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升温至1200℃。
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