CN102776413A - 一种新型钛基高温合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有色金属材料中钛合金的技术领域，一种新型钛基高温合金的制备方法。本发明以传统的工作温度500℃～650℃钛合金为一个组元，以Ti/Al系纳米叠层箔带作为另一个组元，两个组元相互混合，混合体中工作温度500℃～650℃的钛合金组元占总重量的25%～75%，将混合体通过热等静压+热压烧结法，或者热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，后续进行一次或多次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。本发明制得的新型钛基高温合金，不仅工作温度可以达到650℃～800℃，而且其室温延伸率可达到5.5%～11.7%，克服了TiAl金属间化合物室温塑性太低的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属材料中钛合金的技术领域，涉及一种新型钛基高温合金的制备方法。
背景技术
钛合金作为一种性能较好的轻金属结构材料，在航空、航天、冶金、船舶等工业中已获得了广泛应用。然而，一般钛合金的工作温度介于400°C～500°C之间，先进耐热钛合金工作温度则达550°C～600°C（<<中国航空材料手册>>编辑委员会编，中国航空材料手册（第2版），第4卷钛合金铜合金。中国标准出版社，2002年），随着温度的继续升高，钛合金会出现抗氧化性下降、高温强度下降等一系列问题，使其最高使用温度受到很大的限制（H.P.Xiong,W.Mao,W.L.Ma,Y.H.Xie,Y.F.Chen,H.Yuan,X.H.Li.Liquid-phase aluminizing and siliconizing atthe surface of a Ti60 alloy and improvement in oxidation resistance.MaterialsScience and Engineering A 433,2006,p108–113）。近二十多年来，国内外开始新研制Ti3Al基合金，或者Ti2AlNb合金，但其工作温度也只能达到600°C～700°C，温度再升高，合金的高温强度和抗氧化性等性能明显下降（张永刚，韩雅芳。陈国良，郭建亭，万晓景，冯涤主编，“金属间化合物结构材料”，国防工业出版社，2001年1月，p806，；C.H.Koo and T.H.Yu.Pack cementation coatings on Ti3Al-Nballoys to modify the high-temperature oxidation properties.Surface andCoatings Technology,126,2000,p171-180;W.Gao,Z.Li,D.Zhang.A newhigh-temperature,oxidation-resistant Ti-based materials.Oxidation ofMetals,57(1-2),Feb 2002,p99-114）。为此，国际上又开始研制TiAl金属间化合物材料（Semiatin S L.Wrought processing of ingot-metallurgy gamma titaniumaluminide alloys [A].Kim Y W,Wagner R,Yamaguchi M,ed.Gamma TitaniumAluminides[C].TMS,Wrarrendale,PA,1995:p509-524；Edward A Loria.Gammatitanium aluminides as prospective structural materials.Intermetallics,2000,8:p1339-1345），它具有比强度高、高温强度稳定、高温抗氧化性好等优点,据称其工作温度有望达到750°C～800°C，相对于普通钛合金，它明显提高工作温度，而用其替代航空构件中的镍基高温合金，将达到明显的减重效果，但是其室温塑性很差，比如其室温延伸率大多数情况下只有0.5%～3.1%(张永刚，韩雅芳，陈国良，郭建亭，万晓景，冯涤主编，<<金属间化合物结构材料>>，国防工业出版社，2001年1月，p739，p752-754；Y.W.Kim,D.M.Dimiduk.Progress in the understandingof gamma titanium aluminides,JOM,1991,43(8):40-47;C.Koepee,A.Bartels,J.Seeger and H.Mecking.Generala spects of the thermomechanical treatmentof two-phase intermetallic TiAl compounds.Metallurgical and MaterialsTransaction A,1993,24(8):1795-1806)，其冷热加工成形性较差，因此，TiAl金属间化合物材料的工程实用性还很差。
本领域缺少一种工作温度能达到650°C～800°C的实用性强的钛基高温合金，尤其是缺乏工作温度能达到700°C～800°C而且室温延伸率达到5%以上的工程实用性强的钛基高温合金。
发明内容
本发明的目的是提出一种在保证合金足够高的工作温度的同时，提高合金的室温延伸率的钛基高温合金的制备方法。
本发明的技术方案是：以传统的工作温度500°C～650°C的钛合金为一个组元，以Ti/Al系纳米叠层箔带作为另一个组元，两个组元相互混合，混合体中工作温度500°C～650°C钛合金组元占总重量的25%～75%，将混合体通过热等静压+热压烧结法，或者热压烧结法制备钛基高温合金。
采用热等静压+热压烧结法，或者热压烧结法将两个组元混合制备成为钛基高温合金坯体，热压烧结工艺参数一般为900°C～1350°C/5～40MPa/0.5～6小时，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金箔带进行交变叠层组装，再采用热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行交变叠层组装，其中Ti/Al系纳米叠层箔带是连续无空洞缺陷的箔带或是带有孔洞的网状箔带，再采用热压烧结法制备钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
将Ti/Al系纳米叠层箔带机械破碎成形状规则的或者不规则的颗粒或者粉末，再将这些颗粒或者粉末与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行机械混合，再采用热等静压+热压烧结法制备钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
采用下列三种组合方式中的任意两种或三种组合方式通过热等静压+热压烧结法或者热压烧结法制备钛基高温合金的材料，①将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金的箔带进行交变叠层组装；②将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行交变叠层组装，其中Ti/Al系纳米叠层箔带是连续无空洞缺陷的箔带或是带有孔洞的网状箔带；③将Ti/Al系纳米叠层箔带机械破碎成形状规则的或者不规则的颗粒或者粉末，再将这些颗粒或者粉末与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行机械混合。
本发明的优点是：本发明提供了一个制备新型钛基高温合金的技术方案，可以把传统的工作温度在500°C～650°C之间的钛合金组元，与连续的或者不连续的Ti/Al系纳米叠层箔带或者由其机械破碎成的颗粒或者粉末进行混合，在后续的热等静压+热压烧结过程中，或者在直接的热压烧结过程中，Ti/Al系纳米叠层箔带或者由其机械破碎成的颗粒或者粉末在高温烧结过程中将发生放热反应，从而在钛合金组元周围原位生成抗蠕变、抗高温氧化的TiAl金属间化合物相，这一方面保证了原位合成的TiAl化合物相纯净、无污染，而且放热反应本身会促进混合体热压烧结过程中的致密化；另一方面，Ti/Al系箔带或者由其破碎成的颗粒或者粉末，在热等静压+热压烧结过程中，或者在直接的热压烧结过程中，在其转变成TiAl金属间化合物相的同时，还会与其邻近的钛合金组元发生一定的扩散反应，从而可以保证TiAl化合物相与钛合金组元之间成分的逐渐过渡和界面的良好冶金结合。后续再对这样制得的新型钛基高温合金的坯体进行一次或者几次锻造变形处理和热处理后，可以在新型钛基高温合金的内部得到一个在空间尺度上合理分布的微观组织状态，这种组织状态也就是钛合金组元与TiAl化合物相彼此均匀混合，彼此有着牢固的冶金结合，而且不同物相交错分布的组织状态。
通过本发明提出的技术方案，制得的新型钛基高温合金，相对于传统钛合金，由于引入了耐高温的TiAl金属间化合物，可以大幅度提高钛合金的工作温度，制得的新型钛基高温合金的工作温度可以达到650°C～800°C;而且，比起普通钛合金，由于引入了相当多含量的密度只有大约3.76g/cm3的TiAl化合物相，合金的整体密度还下降了约5%～15%；制得的新型钛基高温合金，由于相当于是向钛合金组元中加入了抗蠕变、抗高温氧化的TiAl化合物增强相，因此比起Ti3Al基合金，或者Ti2AlNb合金，其工作温度可以提高至700°C～800°C，而且在650°C～800°C温度区间内合金的强度相对于室温比较稳定，不象Ti3Al基合金，或者Ti2AlNb合金，其高温强度相对于室温下降非常明显；另外，相对于国内外正在研制的TiAl金属间化合物材料，本发明制得的新型钛基高温合金不仅具备足够的强度与工作温度，而且其室温延伸率可以达到5.5%～11.7%，克服了TiAl金属间化合物室温塑性太低的缺点，因此更具有工程实用性。
在航空、航天、船舶、兵器、冶金、机械等工业领域的很多场合，需要使用轻质高强结构材料，用来制作发动机高压压气机盘、叶片、机匣、涡轮转子、涡轮支撑环、排气喷嘴、壳体等多种耐热部件。使用本发明制得的新型钛基高温合金可以替代传统钛合金，并且可以在更高的温度下使用；使用本发明制得的新型钛基高温合金，还可以替代工业上许多传统的镍基高温合金、铁镍基高温合金，达到明显的减重效果。
本发明针对上边提及的传统钛合金，包括Ti3Al基合金，或者Ti2AlNb合金，它们的工作温度不够高，以及当前新研制TiAl金属间化合物材料室温塑性很差，工程实用性很差的问题，提出一种新型钛基高温合金的制备方法，既保证高温钛合金足够高的工作温度，又保证合金的室温塑性，形成一种能在航空、航天、船舶、兵器、冶金、机械等工业中获得广泛应用的新型钛基高温合金。
附图说明:
图1是本发明中Ti/Al系纳米叠层箔带示意图，其中Ti纳米层和Al纳米层交替变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
以传统的工作温度500°C～650°C钛合金为一种组元，这种钛合金组元可以是钛合金箔带或者钛合金粉末，而钛合金粉末可以是合金化粉末，也可以是各元素的混合粉末，或者是某几种元素的合金化粉末与其它几种元素的合金化粉末的混合物，或者是某几种元素的合金化粉末与其它几种元素粉末的混合物。钛合金的种类可以是工作温度500°C左右的钛合金如TA11,TA15,TA19,TC11等，可以是工作温度550°C左右的钛合金如TA12等，可以是工作温度600°C的Ti60合金，还可以是工作温度650°C的Ti-Al-Nb系合金，包括Ti2AlNb合金，Ti3Al基合金等等。
本发明中使用的钛合金组元不仅限于以上列出的钛合金牌号。
以Ti/Al系纳米叠层箔带作为另一种组元。（见图1）。使用的Ti/Al系纳米叠层箔带的厚度一般为15μm～200μm，它由几百层或者上千层的单层纳米Ti和单层纳米Al交替变化彼此相叠而成，各单层纳米层之间有一定的结合力。这样的纳米叠层箔带可以通过磁控溅射法、电子束——物理气相沉积等方法制得。Ti/Al系纳米叠层箔带中的单层纳米Ti和单层纳米Al的厚度是均匀的，并且分别可以在10nm～80nm之间变化，但单层纳米Ti与单层纳米Al它们的厚度比大约是1：1，Ti与Al彼此单层厚度的偏差不超过20%。
使用的Ti/Al系纳米叠层箔带组元的形式包括连续无空洞缺陷的箔带，带有孔洞的网状箔带和由Ti/Al系纳米叠层箔带机械破碎成形状规则的或者不规则的颗粒或者粉末。
将传统的工作温度500°C～650°C钛合金组元，与Ti/Al系纳米叠层箔带组元相互混合，混合体中工作温度500°C～650°C钛合金组元占总重量的25%～75%，将混合体通过热等静压+热压烧结法，或者热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，烧结气氛为氩气，根据选择的钛合金组元种类的不同，推荐的新型钛基高温合金坯体的热压烧结工艺参数为900°C～1350°C/5～40MPa/0.5～6小时；之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
表1给出本发明的实施例。
表1本发明的实施例
采用表1所示的实施例1～3，使用完整连续的Ti/Al系纳米叠层箔带与钛合金箔带进行交变叠层组装，而且钛合金组元占总重量的25%～75%，采用热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，获得的新型钛基高温合金其室温延伸率达到5.5%～9.1%，明显高于TiAl金属间化合物材料的室温延伸率，新型钛基高温合金的工作温度可以达到650°C～800°C。
采用表1所示的实施例4～7，使用完整连续的Ti/Al系纳米叠层箔带与钛合金粉末进行交变叠层组装，其中钛合金粉末每层铺填厚度为50～300μm，而且钛合金组元占总重量的25%～75%，再采用热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，获得的新型钛基高温合金其室温延伸率达到5.7%～9.6%，明显高于TiAl金属间化合物材料的室温延伸率，新型钛基高温合金的工作温度可以达到650°C～800°C。
采用表1所示的实施例8～12，人为加工出带有孔洞的Ti/Al系纳米叠层的网状箔带，将其与钛合金粉末进行交变叠层组装，其中钛合金粉末每层铺填厚度40～250μm，而且钛合金组元占总重量的25%～75%，再采用热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，获得的新型钛基高温合金其室温延伸率达到6.1%～10.7%，明显高于TiAl金属间化合物材料的室温延伸率，新型钛基高温合金的工作温度可以达到650°C～800°C。
采用表1所示的实施例13～15，由Ti/Al系纳米叠层箔带破碎成的颗粒或者粉末，与钛合金粉末进行机械混合，钛合金组元占总重量的25%～75%，混合均匀后，再采用热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，获得的新型钛基高温合金其室温延伸率达到6.8%～11.7%，明显高于TiAl金属间化合物材料的室温延伸率，新型钛基高温合金的工作温度可以达到650°C～800°C。
采用表1所示的实施例16～18，钛合金各组成元素粉末先机械混合，再与由Ti/Al纳米叠层箔带破碎成的颗粒或者粉末进行机械混合，钛合金组元占总重量的25%～75%。混合均匀后，再采用热压烧结法制备新型钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，获得的新型钛基高温合金其室温延伸率达到5.9%～10.3%，明显高于TiAl金属间化合物材料的室温延伸率，新型钛基高温合金的工作温度可以达到650°C～800°C。
本发明不仅限于以上实施例的范围。
Claims (6)
1.一种新型钛基高温合金的制备方法，其特征在于，以传统的工作温度500°C～650°C的钛合金为一个组元，以Ti/Al系纳米叠层箔带作为另一个组元，两个组元相互混合，混合体中工作温度500°C～650°C钛合金组元占总重量的25%～75%，将混合体通过热等静压+热压烧结法，或者热压烧结法制备钛基高温合金。
2.如权利要求1所述的一种新型钛基高温合金的制备方法，其特征在于，采用热等静压+热压烧结法，或者热压烧结法将两个组元混合制备成为钛基高温合金坯体，热压烧结工艺参数一般为900°C～1350°C/5～40MPa/0.5～6小时，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
3.如权利要求1和权利要求2所述的一种新型钛基高温合金的制备方法，其特征在于，将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金的箔带进行交变叠层组装，再采用热压烧结法制备钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
4.如权利要求1和权利要求2所述的一种新型钛基高温合金的制备方法，其特征在于，将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行交变叠层组装，其中Ti/Al系纳米叠层箔带是连续无空洞缺陷的箔带或是带有孔洞的网状箔带，再采用热压烧结法制备钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
5.如权利要求1和权利要求2所述的一种新型钛基高温合金的制备方法，其特征在于，将Ti/Al系纳米叠层箔带机械破碎成形状规则的或者不规则的颗粒或者粉末，再将这些颗粒或者粉末与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行机械混合，再采用热等静压+热压烧结法制备钛基高温合金的坯体，之后再进行一次或者几次锻造变形处理和热处理，制得钛基高温合金的材料。
6.如权利要求1和权利要求2所述的一种新型钛基高温合金的制备方法，其特征在于，采用下列三种组合方式中的任意两种或三种组合方式通过热等静压+热压烧结法或者热压烧结法制备钛基高温合金的材料，①将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金的箔带进行交变叠层组装；②将Ti/Al系纳米叠层箔带与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行交变叠层组装，其中Ti/Al系纳米叠层箔带是连续无空洞缺陷的箔带或是带有孔洞的网状箔带；③将Ti/Al系纳米叠层箔带机械破碎成形状规则的或者不规则的颗粒或者粉末，再将这些颗粒或者粉末与传统的工作温度500°C～650°C钛合金粉末进行机械混合。
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