CN103143709B - 基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法 - Google Patents
基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，它涉及一种制备TiAl金属间化合物零件的方法，属于金属零件精密锻造成形工艺技术领域。本发明的目的是通过采用基于Ti/Al元素粉末锻造与后续反应烧结的新工艺方法，解决传统等温锻造方法制备TiAl金属间化合物零件存在成形难度大、现有模具材料难以满足工艺要求、工艺成本高、能耗大的问题。方法：一、混粉；二、制备Ti/Al粉末预成型坯；三、Ti/Al粉末体低温精密模锻成型；四、Ti/Al粉末锻件反应烧结；五、高温复压矫形，即得到TiAl金属间化合物零件。本发明主要用于利用Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备TiAl金属间化合物零件的方法，属于金属零件精密锻造成形工艺技术领域。
背景技术
随着航空航天、汽车制造等行业的迅猛发展，对轻质耐热金属结构材料的性能提出了越来越高的要求。在这种背景下，具有低密度、高比强度、高比模量以及优异的高温力学性能、抗氧化性能的TiAl金属间化合物材料成为近十几年来材料领域研究的重点，并有可能在一些领域成功取代传统的高温结构材料镍基高温合金。
目前TiAl金属间化合物零件的成形方法主要有：(1)铸造；(2)塑性加工。采用铸造方法，虽然构件的成形相对容易，但铸造偏析、组织粗大以及疏松缩孔等缺陷，通常难以保证获得理想的力学性能和满足高温结构零件的设计要求。因此，重要用途的TiAl金属间化合物零件，必须采用塑性加工方法制造。但是，TiAl金属间化合物的晶体结构为L10型有序晶体结构，对称性低、滑移系少，在1000℃以下具有又硬又脆的力学特性，塑性加工成形性很差。TiAl材料的锻造成形，通常需要在1200℃以上温度进行等温锻造才可以实现，不仅工艺成本极高，而且现有模具材料很难满足如此高温下等温锻造工艺要求。因此，开发高性能TiAl金属间化合物零件的低成本塑性成形有效途径，成为推动TiAl金属间化合物作为新一代轻质耐高温结构材料应用所亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是要解决采用传统加工方法制备TiAl金属间化合物零件存在操作复杂、能耗大和制备成本高的问题，提出一种基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法。
基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，具体是通过以下步骤实现的：
一、混粉：首先将Ti元素粉末、Al元素粉末和R元素粉末混合均匀，得到混合粉末；步骤一中所述的混合粉末中Ti元素与Al元素的原子百分比为(0.85～1.25):1；步骤一中所述的混合粉末中R元素的原子百分含量总量小于10％；
二、Ti/Al粉末预成型坯的制备：在压应力为800MPa～1000MPa下对步骤一得到的混合粉末进行压制成型，得到Ti/Al粉末预成型坯；
三、Ti/Al粉末体低温精密模锻成型：在压应力为1000MPa～1200MPa和温度为20℃～500℃条件下对步骤二得到的Ti/Al粉末预成型坯进行精密模锻成型，得到Ti/Al粉末锻件；
四、Ti/Al粉末锻件反应烧结：在温度为1100℃～1250℃下对步骤三得到的Ti/Al粉末锻件进行烧结处理，得到TiAl金属间化合物组织粗零件；
五、高温复压矫形：首先将按步骤四得到的TiAl金属间化合物组织粗零件加热到1100℃～1250℃，然后放入矫形模腔内在压应力为300MPa～500MPa下进行高温复压矫形，即得到TiAl金属间化合物零件。
本发明优点：一、本发明所采用的“混粉→Ti/Al粉末预成型坯制备→Ti/Al粉末低温精密模锻成型→反应烧结→高温复压矫形”工艺路线所涉及的各个工艺步骤过程，均可在通用设备上完成，即本发明提出的工艺方法实施过程无需采用特殊的工艺设备，与高温等温锻造或热等静压等工艺条件苛刻的工艺相比，易于推广和应用；二、与传统的等温锻造成形工艺相比，本发明采用Ti/Al粉末坯进行低温锻造成形后再通过反应烧结生成TiAl金属间化合物组织的工艺，不仅复杂零件易于成形，而且大大降低了对模具与设备的工艺要求，可极大地降低模具的损耗，延长模具的使用寿命，降低生产成本；三、本发明采用的工艺属于金属材料近净成形工艺，能够节省材料，提高材料利用率，从而进一步降低生产成本；四、本发明采用的工艺是通过元素粉末配比来实现材料的成分控制，该方法易于实现材料成分的调整与控制，易于添加各种合金元素；五、采用本发明制备的TiAl金属间化合物零件力学性能指标达到目前同类合金成分材料锻件的最好水平。
附图说明
图1为具体实施方式一的加工流程示意图；
图2是试验一步骤三得到的Ti/Al粉末锻件的微观组织图；
图3是试验一得到的TiAl金属间化合物零件组织图片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，具体是通过以下步骤实现的：
一、混粉：首先将Ti元素粉末、Al元素粉末和R元素粉末混合均匀，得到混合粉末；步骤一中所述的混合粉末中Ti元素与Al元素的原子百分比为(0.85～1.25):1；步骤一中所述的混合粉末中R元素的原子百分含量总量小于10％；
二、Ti/Al粉末预成型坯的制备：在压应力为800MPa～1000MPa下对步骤一得到的混合粉末进行压制成型，得到Ti/Al粉末预成型坯；
三、Ti/Al粉末体低温精密模锻成型：在压应力为1000MPa～1200MPa和温度为20℃～500℃条件下对步骤二得到的Ti/Al粉末预成型坯进行精密模锻成型，得到Ti/Al粉末锻件；
四、Ti/Al粉末锻件反应烧结：在温度为1100℃～1250℃下对步骤三得到的Ti/Al粉末锻件进行烧结处理，得到TiAl金属间化合物组织粗零件；
五、高温复压矫形：首先将按步骤四得到的TiAl金属间化合物组织粗零件加热到1100℃～1250℃，然后放入矫形模腔内在压应力为300MPa～500MPa下进行高温复压矫形，即得到TiAl金属间化合物零件。
原理：本实施方式利用Ti/Al复合粉末的良好塑性加工特性，首先采用粉末低温精密模锻方法获得Ti/Al复合粉体复杂锻件，再通过高温反应烧结将锻件组织转变为TiAl金属间化合物，从而实现TiAl金属间化合物零件的近净成形，突破采用传统加工成形方法，解决传统加工方法制备TiAl金属间化合物零件存在操作复杂、能耗大和制备成本高的问题。
本实施方式的加工流程示意图如图1所示，图1为具体实施方式一的加工流程示意图，图1中的A表示本实施方式步骤一混粉过程，图1中的B表示本实施方式步骤二压制成型前的状态，图1中的C表示本实施方式步骤二压制成型后的状态，图1中的D表示本实施方式步骤三低温精密模锻成型前的状态，图1中的E表示本实施方式步骤三低温精密模锻成型后的状态，图1中的F表示本实施方式步骤四烧结处理过程，图1中的G表示经本实施方式步骤四烧结处理后得到的TiAl金属间化合物组织粗零件，图1中的H表示经本实施方式步骤五高温复压矫形过程，图1中的I表示经本实施方式步骤五高温复压矫形后得到的TiAl金属间化合物零件，图1中的a表示Ti元素粉末，图1中的b表示Al元素粉末，图1中的c表示R元素粉末。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中所述的R元素粉末为Ti元素粉末、Al元素粉末、Nb元素粉末、Cr元素粉末、W元素粉末、Mo元素粉末、Ta元素粉末、Zr元素粉末、Y元素粉末、Si元素粉末和B元素粉末的一种或其中几种混合物。其他与具体实施方式一相同。
本实施方式所述的R元素粉末为混合物时，混合物中各个组份按任意比混合。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中采用混粉机对Ti元素粉末、Al元素粉末和R元素粉末进行混合。其他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至三之一不同点是：步骤一中采用球磨机对Ti元素粉末、Al元素粉末和R元素粉末进行混合。其他与具体实施方式一至三同。
本实施方式在球磨过程中通过控制球磨参数(即球料比为20:1、转速为300转每分钟、球磨时间小于5小时、添加过程控制剂)，并在球磨过程中一直通循环冷却水来确保球磨桶内温度不超过50℃，同时再采用间断球磨的方法(即球磨30分钟停30分钟)来保证元素粉末之间不发生反应生成金属间化合物。
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点是：步骤二中在压应力为800MPa～1000MPa下对步骤一得到的混合粉末进行钢模压制，然后在温度小于500℃条件下进行低温真空烧结，低温真空烧结时间为1h～3h，得到Ti/Al粉末预成型坯。其他与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式采用小于500℃低温烧结过程，保证在烧结过程中元素粉末之间不发生反应生成金属间化合物。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中对步骤一得到的混合粉末在温度小于500℃条件下进行真空热压成型，真空热压成型时间为1h～3h，得到Ti/Al粉末预成型坯。其他与具体实施方式一至四之一相同。
本实施方式采用小于500℃真空热压成型，保证在真空热压成型过程中元素粉末之间不发生反应生成金属间化合物。
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点是：步骤三中所述的精密模锻成型是在惰性气体保护或真空环境下进行的。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中所述的烧结处理为真空热压反应烧结处理。其他与具体实施方式一至七相同。
采用下述试验验证本发明效果：
试验一：基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，具体是通过以下步骤实现的：
一、混粉：首先按原子百分比称取49％的Ti元素粉末、47％的Al元素粉末和4％的R元素粉末混合均匀，得到混合粉末；
二、Ti/Al粉末预成型坯的制备：在压应力为900MPa下对步骤一得到的混合粉末进行压制成型，得到Ti/Al粉末预成型坯；
三、Ti/Al粉末体低温精密模锻成型：在压应力为1000MPa和温度为400℃条件下对步骤二得到的Ti/Al粉末预成型坯进行精密模锻成型，得到Ti/Al粉末锻件；
四、Ti/Al粉末锻件反应烧结：在温度为1200℃下对步骤三得到的Ti/Al粉末锻件进行烧结处理，得到TiAl金属间化合物组织零件；
五、高温复压矫形：首先将按步骤四得到的TiAl金属间化合物组织粗零件加热到1200℃，然后放入矫形模腔内在压应力为400MPa下进行高温复压矫形，即得到TiAl金属间化合物零件。
本试验步骤一中所述的R元素粉末为Nb元素粉末和Cr元素粉末的混合物，且R元素粉末中Nb元素粉末与Cr元素粉末的原子百分比为1:1。
对本试验制备的TiAl金属间化合物零件进行性能检测，室温力学性能指标达到：屈服强度σs为518.3MPa，抗拉强度σb＝623.9MPa，延伸率δ＝2.05％；高温800℃的力学性能达到：屈服强度σs＝379.3MPa，抗拉强度σb＝433.6MPa，延伸率δ＝22.9％；该力学性能指标为目前同类合金成分材料锻件的最好水平。
采用扫描电镜分别观察本试验步骤三得到的Ti/Al粉末锻件和本试验得到的TiAl金属间化合物零件，检测结果如图2和图3所示，图2是本试验步骤三得到的Ti/Al粉末锻件的微观组织图，从图2中可以看出各种粉末分布较均匀，粉末坯经过精密模锻之后其孔隙减小，致密度得到很大提高；图3是本试验得到的TiAl金属间化合物零件组织图片，由图3可知元素粉末经烧结后都生成了层片状的金属间化合物，与图2对比其致密度进一步得到提高，达到近致密。
Claims (7)
1.基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，其特征在于基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法是通过以下步骤实现的：
一、混粉：首先将Ti元素粉末、Al元素粉末和R元素粉末混合均匀，得到混合粉末；步骤一中所述的混合粉末中Ti元素与Al元素的原子百分比为(0.85～1.25)∶1；步骤一中所述的混合粉末中R元素的原子百分含量小于10％；
二、Ti/Al粉末预成型坯的制备：在压应力为800MPa～1000MPa下对步骤一得到的混合粉末进行压制成型，得到Ti/Al粉末预成型坯；
三、Ti/Al粉末体低温精密模锻成型：在压应力为1000MPa～1200MPa和温度为20℃～500℃条件下对步骤二得到的Ti/Al粉末预成型坯进行精密模锻成型，得到Ti/Al粉末锻件；
四、Ti/Al粉末锻件反应烧结：在温度为1100℃～1250℃下对步骤三得到的Ti/Al粉末锻件进行烧结处理，得到TiAl金属间化合物组织粗零件；
五、高温复压矫形：首先将按步骤四得到的TiAl金属间化合物组织粗零件加热到1100℃～1250℃，然后放入矫形模腔内在压应力为300MPa～500MPa下进行高温复压矫形，即得到TiAl金属间化合物零件；
步骤一中所述的R元素粉末为Nb元素粉末、Cr元素粉末、W元素粉末、Mo元素粉末、Ta元素粉末、Zr元素粉末、Y元素粉末、Si元素粉末和B元素粉末的一种或其中几种组成混合物。
2.根据权利要求1所述的基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，其特征在于步骤一中采用混粉机对Ti元素粉末、Al元素粉末和R元素粉末进行混合。
3.根据权利要求1所述的基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，其特征在于步骤一中采用球磨机对Ti元素粉末、Al元素粉末和R元素粉末进行混合。
4.根据权利要求1所述的基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，其特征在于步骤二中在压应力为800MPa～1000MPa下对步骤一得到的混合粉末进行钢模压制，然后在温度小于500℃条件下进行低温真空烧结，低温真空烧结时间为1h～3h，得到Ti/Al粉末预成型坯。
5.根据权利要求1所述的基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，其特征在于步骤二中对步骤一得到的混合粉末在温度小于500℃条件下进行真空 热压成型，真空热压成型时间为1h～3h，得到Ti/Al粉末预成型坯。
6.根据权利要求1所述的基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，其特征在于步骤三中所述的精密模锻成型是在惰性气体保护或真空环境下进行的。
7.根据权利要求1所述的基于Ti元素粉末和Al元素粉末制备TiAl金属间化合物零件的方法，其特征在于步骤四中所述的烧结处理为真空热压反应烧结处理。
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| "不同工艺制备的TiAl金属间化合物微观组织特征";喻吉良等;《稀有金属材料与工程》;20121130;第41卷(第2期);2054-2057 * |
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| 李兴华等."钛铝合金制备技术现状及新进展".《材料导报A：综述篇》.2011,第25卷(第4期),94-100. |
| 李兴华等."钛铝合金制备技术现状及新进展".《材料导报A:综述篇》.2011,第25卷(第4期),94-100. * |
Also Published As
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