CN103305722B - 一种双态结构的高强韧钛基高温合金及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属高温合金制备技术领域，公开了一种双态结构的高强韧钛基高温合金及其制备方法与应用。该高温合金包含以下按原子百分比计组分：Ti64～68at.%，Nb8～18at.%，Cu6～10at.%，Ni5～8at.%，Al3～8at.%，以及不可避免的微量杂质；其结构由魏氏结构基体和等轴状(Cu,Ni)-Ti2相组成。本发明还公开了其制备方法，先利用高能球磨制备合金粉末，再采用脉冲电流快速烧结合金粉末，工艺条件如下：脉冲电流的放电等离子烧结系统，800～1000℃烧结温度、30～400MPa烧结压力下烧结5～25min，即获得双态结构的高强韧钛基高温合金。
Description
技术领域
本发明属于金属高温合金制备技术领域，特别涉及一种双态结构的高强韧钛基高温合金及其制备方法与应用。
背景技术
钛合金具有低密度、高比强度和比断裂韧性、良好的低温韧性和抗蚀性等优异的综合性能。作为一种新型的结构材料和工程材料，钛合金在化工、船舶、医疗、能源等领域具有广泛的应用前景。同时，作为一种重要的高温材料，钛合金在航空、航天等领域也有着重要的应用。目前，常见的高温钛合金微观结构主要包括板条状近α钛合金和双态状α+β钛合金（C.莱茵斯,M.皮特尔斯编,陈振华译,《钛与钛合金》,化学工业出版社,2005年3月第1版,第19页.）。然而，该类结构的钛基高温合金主要通过铸造加后续热处理获得，制备工艺复杂，成本相对较高，且制备的合金晶粒尺寸相对较大。双态结构的钛基高温合金是由魏氏结构的基体和等轴状析出相组成（C.莱茵斯,M.皮特尔斯编,陈振华译,《钛与钛合金》,化学工业出版社,2005年3月第1版,第26-28页.），相比于板条状近α钛合金，双态结构钛基高温合金综合了等轴结构的塑性和板条结构的高温抗蠕变性能，具有更加良好的高温综合力学性能，是未来钛基高温合金发展的重要方向。随着航空航天事业的快速发展，高温钛合金的使用温度和强度要求不断提高，因此，设计制备出具有较高强度且工艺简单、生产成本较低的钛基高温合金成为了研究的重点方向。
因此，若能通过选择合适的合金成分、材料成形方法及其工艺参数，制备出具有双态结构的高强韧钛基高温合金，具有非常重要的科学和工程意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种双态结构的高强韧钛基高温合金。
本发明另一目的在于提供一种上述双态结构的高强韧钛基高温合金的制备方法。
本发明再一目的在于提供上述双态结构的高强韧钛基高温合金在航天航空领域中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种双态结构的高强韧钛基高温合金，包含以下按原子百分比计组分：Ti64～68at.%，Nb8～18at.%，Cu6～10at.%，Ni5～8at.%，Al3～8at.%。
所述的合金结构由魏氏结构基体和等轴状(Cu,Ni)-Ti2相组成。
所述的魏氏结构基体由β-Ti相包围板条状(Cu,Ni)-Ti2相组成，该板条(Cu,Ni)-Ti2相宽度为20～200nm，长度为100～500nm。其中，β-Ti相主要为体心立方结构的固溶体，其包含以下按原子百分比计组分：Ti60～70at.%，Nb15～28at.%，Cu6～10at.%，Ni2～10at.%，Al1～10at.%。板条(Cu,Ni)-Ti2相为面心立方的固溶体，其包含以下按原子百分比计组分：Ti62～68at.%，Nb2～8at.%，Cu10～25at.%，Ni10～25at.%，Al2～7at.%。该种魏氏结构基体的体积分数占合金总体积分数的百分比为40～90%，该种魏氏结构基体结构中β-Ti相的体积分数占总魏氏结构基体体积的百分比为50～90%，魏氏结构中板条(Cu,Ni)-Ti2相的体积分数占总魏氏结构基体体积的百分比为10～50%。
等轴状(Cu,Ni)-Ti2相主要是由多边形的等轴(Cu,Ni)-Ti2相组成，其相区的尺寸范围为1～10μm，等轴(Cu,Ni)-Ti2相为面心立方结构的固溶体，其包含以下按原子百分比计组分：Ti62～68at.%，Nb2～8at.%，Cu10～25at.%，Ni10～25at.%，Al2～7at.%。该种等轴(Cu,Ni)-Ti2相的体积分数占合金总体积分数的百分比为10～60%。
上述双态结构的高强韧钛基高温合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）高能球磨制备合金粉末
将各组分混匀，置于球磨机中进行高能球磨，得到合金粉末。
（2）脉冲电流烧结合金粉末
采用脉冲电流快速烧结步骤（1）制备得到的合金粉末，工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：脉冲电流
烧结温度Ts：800～1000℃
烧结时间：5～25min
烧结压力：30～400MPa
经烧结即获得双态结构的高强韧钛基高温合金。
所述粉末球磨时间的确定是通过差示扫描量热分析实验来确定，在该球磨时间内合金粉末在热分析曲线上无晶化放热峰。
步骤（1）所述各组分均为单质粉末，直径为为75～150μm。
步骤（1）所述高能球磨指在转速为2～5s-1下球磨1～30h，球料比为8:1～12:1。在上述球料比范围内，控制高能球磨时间，是为了保证粉末中不会形成非晶相。
当采用石墨模具时，步骤（2）所述烧结压力为30～50MPa。
当采用碳化钨模具时，步骤（2）所述烧结压力为50～400MPa。
上述双态结构的高强韧钛基高温合金在航天航空领域中的应用。
本发明的机理为：
在高能球磨初始阶段，由于Ti、Nb元素易于形成间隔分布的层状结构，而Cu、Ni和Al元素更易于均匀分布于粉末中。该种粉末在烧结过程中，Ti、Cu和Ni等首先形成等轴状(Cu,Ni)-Ti2相，间隔分布的Ti、Nb等元素形成魏氏结构基体，而这种板条(Cu,Ni)-Ti2相间隔β-Ti相的魏氏结构在高温下能够显著阻碍位错运动从而抑制材料软化，从而提高材料的高温强度和塑性等力学性能。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
（1）本发明通过调控材料的微观结构获得双态结构的高温合金，其高温压缩力学性能远高于Ti-6Al-4V等常用的钛基高温合金。
（2）本发明通过高能球磨法制备所需的合金粉末，在未出现非晶相之前烧结合金粉末，既大量减少球磨时间，又节约生产制备的成本。本发明所述高能球磨技术和脉冲电流烧结技术相结合的成形方法，加工过程简单、操作方便，成材率高、节约原材料和近终成形；同时，成形的合金材料尺寸较大，且内部界面清洁且其晶粒尺寸可控。
（3）本发明双态结构的高强韧钛基高温合金，综合力学性能优异（400℃高温下屈服强度高达1380MPa，断裂应变达20%。），加之本发明可制备较大尺寸的、直径大于20mm的高温钛合金制件，将在航空航天领域有着重要的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的双态结构的高强韧钛基高温合金的扫描电镜图片。
图2为实施例1制备的双态结构的高强韧钛基高温合金中魏氏结构基体的透射电镜图片。
图3为实施例1制备的双态结构的高强韧钛基高温合金的高温压缩力学性能曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：双态结构的高强韧钛基高温合金的制备
（1）高能球磨制备合金粉末
将各组分混匀，置于行星球磨机（QM-2SP20）中进行高能球磨，得到合金粉末。
其中，各组分配比为：Ti66at.%，Nb13at.%，Cu8at.%，Ni6.8at.%，Al6.2at.%；所有组分均为单质粉末，颗粒尺寸约为75μm。
球磨机：罐体和磨球材料等球磨介质均为不锈钢，磨球直径分别为15、10和6mm，它们的重量比为1:3:1。
高能球磨工艺参数如下：球磨罐内充高纯氩气（99.999%，0.5MPa）保护，球料比为8:1，转速为2s-1，球磨时间为1h。
（2）脉冲电流烧结合金粉末
取5.2g步骤（1）制备得到的合金粉末，装入直径为Φ20mm的石墨烧结模具中，通过正负电极先预压合金粉末到50MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.SinteringSPS-825放电等离子烧结系统
烧结电流类型：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：800℃
烧结时间：升温到800℃烧结5min
烧结压力：30MPa
经烧结即获得直径为Φ20mm、密度为5.6g/cm3的双态结构的高强韧钛基高温合金。
制备的钛基高温合金的扫描电镜和透射电镜形貌如图1和图2所示。由图可见，本发明制备得到的双态结构的钛基高温合金材料的微观结构是以魏氏结构为基体、以等轴状（Cu,Ni）-Ti2为增强相。魏氏结构由β-Ti相包围的板条状(Cu,Ni)-Ti2相组成，该板条(Cu,Ni)-Ti2相宽度为20～200nm，长度为100～500nm。等轴状(Cu,Ni)-Ti2相的尺寸范围为1～10μm。
力学性能检测表明（见图3），该钛基高温合金材料在400℃、500℃和600℃的高温屈服强度分别为1350MPa、1230MPa和520MPa，断裂应变分别为21%、25%和35%。
实施例2：双态结构的高强韧钛基高温合金的制备
（1）高能球磨制备合金粉末
将各组分混匀，置于行星球磨机（QM-2SP20）中进行高能球磨，得到合金粉末。
其中，各组分配比为：Ti68at.%，Nb8at.%，Cu10at.%，Ni6at.%，Al8at.%；所有组分均为单质粉末，颗粒尺寸约为100μm。
球磨机：罐体和磨球材料等球磨介质均为不锈钢，磨球直径分别为15、10和6mm，它们的重量比为1:3:1。
高能球磨工艺参数如下：球磨罐内充高纯氩气（99.999%，0.5MPa）保护，球料比为10:1，转速为3.8s-1，球磨时间为20h。
（2）脉冲电流烧结合金粉末
取5.2g步骤（1）制备得到的合金粉末，装入直径为Φ20mm的石墨烧结模具中，通过正负电极先预压合金粉末到50MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.SinteringSPS-825放电等离子烧结系统
烧结电流类型：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：900℃
烧结时间：5min升温到900℃且保温5min
烧结压力：50MPa
经烧结即获得直径为Φ20mm、密度为5.6g/cm3的双态结构的高强韧钛基高温合金。
对其进行力学性能检测，该钛基高温合金材料在400℃、500℃和600℃的高温屈服强度分别为1300MPa、1200MPa和520MPa，断裂应变分别为20%、21%和35%。
实施例3：双态结构的高强韧钛基高温合金的制备
（1）高能球磨制备合金粉末
将各组分混匀，置于行星球磨机（QM-2SP20）中进行高能球磨，得到合金粉末。
其中，各组分配比为：Ti64at.%，Nb18at.%，Cu6at.%，Ni5at.%，Al7at.%；所有组分均为单质粉末，颗粒尺寸约为150μm。
球磨机：罐体和磨球材料等球磨介质均为不锈钢，磨球直径分别为15、10和6mm，它们的重量比为1:3:1。
高能球磨工艺参数如下：球磨罐内充高纯氩气（99.999%，0.5MPa）保护，球料比为12:1，转速为5s-1，球磨时间为30h。
（2）脉冲电流烧结合金粉末
取5.2g步骤（1）制备得到的合金粉末，装入直径为Φ20mm的碳化钨烧结模具中，通过正负电极先预压合金粉末到30MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.SinteringSPS-825放电等离子烧结系统
烧结电流类型：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：1000℃
烧结时间：5min升温到1000℃且保温5min
烧结压力：200MPa
经烧结即获得直径为Φ20mm、密度为5.6g/cm3的双态结构的高强韧钛基高温合金。
对其进行力学性能检测，该钛基高温合金材料在400℃、500℃和600℃的高温屈服强度分别为1300MPa、1200MPa和480MPa，断裂应变分别为21%、22%和34%。
实施例4：双态结构的高强韧钛基高温合金的制备
（1）高能球磨制备合金粉末
将各组分混匀，置于行星球磨机（QM-2SP20）中进行高能球磨，得到合金粉末。
其中，各组分配比为：Ti64at.%，Nb18at.%，Cu7at.%，Ni8at.%，Al3at.%；所有组分均为单质粉末，颗粒尺寸约为75μm。
球磨机：罐体和磨球材料等球磨介质均为不锈钢，磨球直径分别为15、10和6mm，它们的重量比为1:3:1。
高能球磨工艺参数如下：球磨罐内充高纯氩气（99.999%，0.5MPa）保护，球料比为12:1，转速为3.8s-1，球磨时间为20h。
（2）脉冲电流烧结合金粉末
取5.2g步骤（1）制备得到的合金粉末，装入直径为Φ20mm的碳化钨烧结模具中，通过正负电极先预压合金粉末到40MPa，抽真空到10-2Pa，然后充高纯氩气保护；采用脉冲电流快速烧结，工艺条件如下：
烧结设备：Dr.SinteringSPS-825放电等离子烧结系统
烧结电流类型：脉冲电流
脉冲电流的占空比：12:2
烧结温度Ts：900℃
烧结时间：5min升温到900℃且保温20min
烧结压力：400MPa
经烧结即获得直径为Φ20mm、密度为5.7g/cm3的双态结构的高强韧钛基高温合金。
对其进行力学性能检测，该钛基高温合金材料在400℃、500℃和600℃的高温屈服强度分别为1380MPa、1200MPa和400MPa，断裂应变分别为20%、22%和33%。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双态结构的高强韧钛基高温合金，其特征在于包含以下按原子百分比计组分：Ti64～68at.％，Nb8～18at.％，Cu6～10at.％，Ni5～8at.％，Al3～8at.％；
所述的合金结构由魏氏结构基体和等轴状(Cu,Ni)-Ti2相组成；
所述的双态结构的高强韧钛基高温合金由包括以下步骤的方法制备得到：
(1)高能球磨制备合金粉末
将各组分混匀，置于球磨机中进行高能球磨，得到合金粉末；
(2)脉冲电流烧结合金粉末
采用脉冲电流快速烧结步骤(1)制备得到的合金粉末，工艺条件如下：
烧结设备：放电等离子烧结系统
烧结电流类型：脉冲电流
烧结温度Ts：800～1000℃
烧结时间：5～25min
烧结压力：30～400MPa
经烧结即获得双态结构的高强韧钛基高温合金；
步骤(1)所述高能球磨指在转速为2～5s-1下球磨1～30h，球料比为8:1～12:1；
通过高能球磨制备的合金粉末，在未出现非晶相之前烧结合金粉末。
2.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于：所述的魏氏结构基体由β-Ti相包围的板条状(Cu,Ni)-Ti2相组成，该板条(Cu,Ni)-Ti2相宽度为20～200nm，长度为100～500nm。
3.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于：所述等轴状(Cu,Ni)-Ti2相由多边形的等轴(Cu,Ni)-Ti2相组成，其相区尺寸范围为1～10μm。
4.根据权利要求1所述的高温合金，其特征在于：所述魏氏结构基体的体积分数占合金总体积分数的40～90％；所述等轴(Cu,Ni)-Ti2相的体积分数占合金总体积分数的10～60％。
5.根据权利要求1所述的双态结构的高强韧钛基高温合金，其特征在于：步骤(1)所述各组分均为单质粉末，直径为75～150μm。
6.根据权利要求1所述的双态结构的高强韧钛基高温合金，其特征在于：当采用石墨模具时，步骤(2)所述烧结压力为30～50MPa。
7.根据权利要求1所述的双态结构的高强韧钛基高温合金，其特征在于：当采用碳化钨模具时，步骤(2)所述烧结压力为50～400MPa。
8.根据权利要求1所述双态结构的高强韧钛基高温合金在航天航空领域中的应用。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |