CN102513537B - 一种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法，该方法通过冷壁坩埚纯洁熔炼、高纯氩气雾化，降低了TiAl合金粉末中夹杂物的含量，粉末纯净度好，纯净的氩气雾化预合金粉末在温度1100～1300℃、压力140～200MPa、时间2～4小时的条件下热等静压致密化，将热等静压后的合金坯料去除包套后进行表面处理、包套，合金加热后高温包套轧制，然后剥离包套，得到粉末TiAl合金板材。该种板材变形均匀，表面质量好，组织细小均匀，氧及杂质含量低，板材的厚度薄，综合力学性能好，具有高的质量和可靠性。该方法解决制约国内TiAl合金粉末冶金板材研制和应用的关键问题，为民用工业和航空航天工业的创新与进步提供技术支持。

Description

一种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法

技术领域

本专利是一种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法，属于粉末冶金技术领域，该方法是通过包套高温轧制制备TiAl合金板材。

背景技术

随着航空、国防等工业的快速发展，尤其是先进军用飞机要求具有高的灵活性以及要求发动机具有大的推动比，促使关键材料向高性能、高可靠和轻质化方向加快发展。同时在民用工业方面，现代汽车面临的一个重要问题是汽车排放出的尾气对环境所造成的污染，解决这一问题的根本途径是提高燃料的燃烧率，而构件的轻量化是燃料的燃烧率得以提高的有效手段之一。TiAl合金具有高熔点、低密度、高弹性模量、高的高温强度(700～900℃)、良好的阻燃能力以及优异的抗氧化性能和抗蠕变性能等特点，被视为是一种极具潜力的新型轻质耐高温结构材料，可广泛应用于航空航天及汽车等领域，如发动机用高压压缩机叶片、高压涡轮叶片、低压涡轮、过渡导管梁、排气阀、喷嘴等，通过结构减重提高发动机的工作效率。因此发展新型TiAl轻质高温材料可以大幅度提升我国民用工业和航空航天等工业的水平，有效减少能源消耗、实现社会可持续发展。

目前国内外多家科研院所已经开展了TiAl合金的相关研究，尤其是在TiAl合金板材制备及加工技术领域，TiAl合金板材的制备被认为是实现TiAl合金实用化的关键突破口之一，可应用于超音速飞行器和未来涡轮发动机的热结构和及热防护系统，以及汽车工业的耐高温零部件中，减重可达40％以上。美国NASP(National Aerospace Plan)计划和欧洲的“Hermes and Sanger”计划把TiAl合金板材列为应用于600～900℃的高温航空结构材料。然而，由于TiAl合金的本质脆性，其室温塑性和加工成形性较差，板材的制备难度较大。采用铸态的TiAl合金通过等温轧制、包套轧制等特殊轧制工艺制备板材，存在着难度大，对设备要求和成本高、材料利用率低、难以制备大尺寸薄板等不足。对于生产更大尺寸的TiAl合金板材而言，所选用的坯料是限制板材尺寸和显微组织均匀性的关键因素。尺寸足够大且化学成分均匀的轧制坯料是生产大型板材所必需的，因此粉末冶金TiAl合金成为适合制作轧制TiAl合金板材的理想原始坯料，并且，粉末冶金方法具有近净成形的优点，弥补TiAl合金难成型的不足。

粉末冶金TiAl合金中的孔隙，尤其是氧和夹杂会对其组织和性能产生不利影响，进而限制该合金的应用。因此高质量粉末的制备和成形工艺的不断完善，对粉末冶金TiAl合金板材的发展和应用起着关键性的影响，这对于促进TiAl合金板材在航空航天及民用工业领域的广泛应用具有极其重要的作用。

粉末冶金TiAl合金板材的制备分为预合金化法和元素粉末法。元素粉末法存在着合金化的问题，在利用元素粉末法制备TiAl金属间化合物的烧结过程中，Ti粉和Al粉反应产生大量的热，烧结体中形成较多空隙，一般需要热压、热等静压等加压烧结手段或后续烧结进一步提高其密度；同时由于元素粉末的杂质含量，尤其是钛粉中的氯和氧含量，对材料的致密化和延性造成严重影响，烧结性能较差。因此采用元素粉末法制备TiAl合金板材无法满足航空航天、汽车等高级部件的要求。预合金粉末方法相对于元素粉末法，成分均匀性好，氧及杂质含量低，力学性能好。但TiAl预合金粉末制备工艺如电极感应熔炼气雾化(ElectrodeInduction Melting Gas Atomization，EIGA)和等离子感应熔炼气雾化(Plasma Melting Induction Guiding Gas Atomization，PIGA)造价高，生产成本大，很难实现工业化生产。氩气雾化法(argon atomization,AA)制备的合金粉末具有冷却速度快，晶粒细，粉末收得率高，成本低的优点，是一种能够批量生产的廉价方法。同时由于采用保护气氛则可以使氧化夹杂降低到最低程度，粉末有较好的球形度，粒度均匀，而且颗粒内的微观组织具有快冷特征，这些特点均符合TiAl合金粉末冶金制品的特殊要求。

预合金粉末TiAl合金板材成形的典型方法为热等静压后进行热轧。热等静压后合金可以达到全致密，并具有细小均匀的微观组织，这种细小的等轴近γ组织为后续轧制，提供良好的初始组织。TiAl合金的热塑性变形只有在变形温度足够高、应变速率足够低的条件下才能实现安全变形。然而当变形温度T>800℃时，TiAl合金的抗氧化能力显著降低，在变形过程中容易发生氧化，将严重降低TiAl合金的热可加工性。所以，传统的轧制技术和包覆轧制技术不适用于制备TiAl合金板材。要制备无缺陷的TiAl合金扳材，轧制变形必须具备以下三个条件:①在高温α+γ相区保持近似等温轧制；②为了防止TiAl合金在轧制过程中发生宏观或微观开裂现象，必须选择合适的轧制速度和道次压下量；③采取措施防止TiAl合金轧制变形过程氧化行为的发生。因此，轧制TiAl合金需要精确地选择工艺参数，并且这些工艺参数必须与轧制材料的具体性能（合金种类和热加工历史）以及轧制设备相适应。

由于TiAl合金板材制备的难度很大，国内对粉末冶金TiAl合金板材的研究一般集中在元素粉末法方面，对TiAl合金预合金粉末冶金技术的研究较少。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法，本发明技术方案综合了惰性气体雾化制粉技术、热等静压技术和包套轧制板材成形技术的特点和优势，通过冷壁坩埚纯洁熔炼、高纯氩气雾化，降低了TiAl合金粉末中夹杂物的含量，将预合金粉末热等静压达到全致密，通过轧制热等静压后的粉末冶金毛坯可以获得无缺陷的高性能TiAl合金板材。该方法不但有助于提高国内粉末冶金TiAl合金板材的研制水平，而且能够为我国先进航空发动机及高超航空航天器热端部件和汽车工业发动机的研制做出贡献。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法的步骤是：

（1）原材料准备

采用冷壁坩埚真空感应熔炼氩气雾化法制取TiAl合金粉末，雾化压力为6～9MPa之间，将雾化的粉末进行筛分，获得颗粒尺寸小于250μm的纯净TiAl合金粉末做为原料，粉末中化学成分及原子百分比at.％为：Al：45-48％，Cr：1-10％，Nb：1-10％，W：0-1％，B:0-0.2%，余量为Ti，粉末的氧含量以重量百分比计＜0.15％；

（2）粉末包套准备

包套材料是不锈钢、纯钛或是钛合金，加工、焊接好包套，将包套用酒精清洗后在烘箱中烘干；

（3）真空脱气

将氩气雾化TiAl合金粉末在振动条件下进行加热真空脱气，除气的工艺参数为400～600℃，P≤10^-3Pa，保持1～12h后将粉末装入不锈钢、纯钛或是钛合金包套中并且封焊；

（4）热等静压处理

将封焊后的包套材料进行热等静压处理，热等静压在氩气气氛下进行，热等静压工艺为：温度1100～1300℃、压力140～200MPa、时间2～4h；

（5）车削加工

采用机加工的方法去除包套，将去除包套后的热等静压坯进行表面光洁处理，表面光洁度达到6，坯料倒圆角；

（6）热等静压坯包套

使用304不锈钢板经过车加工制备成包套，包套厚度为5～10mm,将合金坯料放置于中央，坯料与包套之间放一层保温材料，采用氩弧焊封焊好包套；

（7）合金加热

在氩气气氛保护下将封焊后的包套材料随热处理炉加热到开轧温度，保温30～40分钟，出炉轧制；

（8）高温包套轧制

将轧件迅速转移到轧机上进行轧制，开轧温度为1250～1280℃，形变速率0.1～0.3m/min，合金道次变形量为5～10％，道次间回炉保温5～15min，采用一火一道的轧制方法，轧制完成后将轧件放置炉内，随炉冷却到1000℃，然后取出空冷；

（9）剥离包套

采用机加工切除包套，得到粉末TiAl合金板材。

与通常的气雾化制粉技术不同，本发明技术方案采用的为冷壁坩埚真空感应熔炼的氩气雾化TiAl预合金粉末。由于TiAl合金属高活性金属，采用一般的陶瓷坩埚熔炼TiAl合金，坩埚会与金属之间发生严重的化学反应，使合金受到污染。双层水冷铜坩埚是熔炼活性金属的有效方法。起始的熔料可以是无污染的原材料或是洁净的预合金锭或棒材，熔化原料无需特别准备，不用再次熔炼并加工成一定形状和尺寸的自耗电极，降低成本。当感应加热时，在坩埚底部形成一个壳体，使感应熔化总是在同成分的固态壳中进行，熔融金属不被坩埚材料污染，熔融态液体可以保持一定时间以保证熔体的均匀性，强的电磁搅拌可以迅速得到成分、温度均一的熔池。

本发明技术方案的优点是：

该方法综合了冷壁坩埚感应熔炼惰性气体雾化制粉技术、预合金粉末热等静压技术和包套轧制板材成形技术的特点与优势，利用高纯度的氩气雾化TiAl合金粉末，在普通轧机上通过高温轧制特殊设计的热等静压坯包套，获得高性能的粉末冶金TiAl合金板材，为粉末冶金TiAl合金在先进航空航天发动机、高超音速航空航天器以及民用工业等领域的应用提供技术支持。对比其他采用元素粉末制备粉末冶金TiAl合金板材的方法，本发明所采用的氩气雾化TiAl合金粉末纯净度好，热等静压后可获得全致密度，经高温轧制所制备的粉末冶金TiAl合金板材变形均匀，表面质量好，组织细小均匀，氧及杂质含量低，板材的厚度薄，综合力学性能好，具有高的质量和可靠性。

本发明有助于提高我国TiAl合金等粉末冶金高温结构件的冶金质量和性能，推动我国高质量TiAl合金粉末冶金技术的发展，解决制约国内TiAl合金粉末冶金板材研制和应用的关键问题，为我国民用工业和航空航天工业的创新与进步提供技术支持。

具体实施方式

该种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法，其特征在于：该方法的步骤是：

（1）原材料准备

采用冷壁坩埚真空感应熔炼氩气雾化法制取TiAl合金粉末，雾化压力为6～9MPa之间，将雾化的粉末进行筛分，获得颗粒尺寸小于250μm的纯净TiAl合金粉末做为原料，粉末中化学成分及原子百分比at.％为：Al：45-48％，Cr：1-10％，Nb：1-10％，W：0-1％，B:0-0.2%，余量为Ti，粉末的氧含量以重量百分比计＜0.15％；

（2）粉末包套准备

包套材料是不锈钢、纯钛或是钛合金，加工、焊接好包套，将包套用酒精清洗后在烘箱中烘干；

（3）真空脱气

将氩气雾化TiAl合金粉末在振动条件下进行加热真空脱气，除气的工艺参数为400～600℃，P≤10^-3Pa，保持1～12h后将粉末装入不锈钢、纯钛或是钛合金包套中并且封焊；

（4）热等静压处理

将封焊后的包套材料进行热等静压处理，热等静压在氩气气氛下进行，热等静压工艺为：温度1100～1300℃、压力140～200MPa、时间2～4h；

（5）车削加工

采用机加工的方法去除包套，将去除包套后的热等静压坯进行表面光洁处理，表面光洁度达到6，坯料倒圆角；

（6）热等静压坯包套

使用304不锈钢板经过车加工制备成包套，包套厚度为5～10mm,将合金坯料放置于中央，坯料与包套之间放一层保温材料，采用氩弧焊封焊好包套；

（7）合金加热

在氩气气氛保护下将将封焊后的包套材料随热处理炉加热到开轧温度，保温30～40分钟，出炉轧制；

（8）高温包套轧制

将轧件迅速转移到轧机上进行轧制，开轧温度为1250～1280℃，形变速率0.1～0.3m/min，合金道次变形量为5～10％，道次间回炉保温5～15min，采用一火一道的轧制方法，轧制完成后将轧件放置炉内，随炉冷却到1000℃，然后取出空冷；

（9）剥离包套

采用机加工切除包套，得到粉末冶金TiAl合金板材。

本发明技术方案与现有工艺相区别的是，原料粉末采用的氩气雾化TiAl合金粉末而不是元素粉末，主要优势是氩气雾化TiAl合金粉末的纯洁度高，制坯后组织均匀性好，夹杂物尺寸小，提高了粉末冶金TiAl合金的力学性能，雾化预合金粉末直接进行热等静压全致密化，减少了工序，通过包套高温轧制可获得高性能的TiAl合金板材。

Claims (1)

1.一种氩气雾化粉末TiAl合金板材的制备方法，其特征在于：该方法的步骤是：

（1）原材料准备

采用冷壁坩埚真空感应熔炼氩气雾化法制取TiAl合金粉末，雾化压力为6～9MPa之间，将雾化的粉末进行筛分，获得颗粒尺寸小于250μm的纯净TiAl合金粉末做为原料，粉末中化学成分及原子百分比at.％为：Al：45-48％，Cr：1-10％，Nb：1-10％，W：0-1％，B:0-0.2%，余量为Ti，粉末的氧含量以重量百分比计＜0.15％；

（2）粉末包套准备

包套材料是不锈钢、纯钛或是钛合金，加工、焊接好包套，将包套用酒精清洗后在烘箱中烘干；

（3）真空脱气

将氩气雾化TiAl合金粉末在振动条件下进行加热真空脱气，除气的工艺参数为400～600℃，P≤10^-3Pa，保持1～12h后将粉末装入不锈钢、纯钛或是钛合金包套中并且封焊；

（4）热等静压处理

将封焊后的包套材料进行热等静压处理，热等静压在氩气气氛下进行，热等静压工艺为：温度1100～1300℃、压力140～200MPa、时间2～4h；

（5）车削加工

采用机加工的方法去除包套，将去除包套后的热等静压坯进行表面光洁处理，表面光洁度达到6，坯料倒圆角；

（6）热等静压坯包套

使用304不锈钢板经过车加工制备成包套，包套厚度为5～10mm,将热等静压坯放置于中央，坯料与包套之间放一层保温材料，采用氩弧焊封焊好包套；

（7）合金加热

在氩气气氛保护下将封焊后的包套材料随热处理炉加热到开轧温度，保温30～40分钟，出炉轧制；

（8）高温包套轧制

将轧件迅速转移到轧机上进行轧制，开轧温度为1250～1280℃，形变速率0.1～0.3m/min，合金道次变形量为5～10％，道次间回炉保温5～15min，采用一火一道的轧制方法，轧制完成后将轧件放置炉内，随炉冷却到1000℃，然后取出空冷；

（9）剥离包套

采用机加工切除包套，得到粉末TiAl合金板材。