CN103710554B - 一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,它涉及一种Ti2AlNb合金的制备方法。本发明要解决目前制备Ti2AlNb合金的铸造熔炼方法中Nb和Al元素分布不均,Ti2AlNb合金缩孔、气孔和夹杂的问题。本发明方法为:一、称取50.1%~56.5%的纯Ti粉、22.5%~24.4%的Nb粉和21.0%~25.5%的Al-Y稀土合金块体;二、将纯钛颗粒和铌粉低能球磨;三、将稀土铝合金Al-Y块体置于钛和铌的复合粉体上,再进行浸渗,使熔融Al-Y合金充分渗入到钛和铌的复合粉体中,然后降压并保温保压,进行反应烧结得到Ti2AlNb合金。本发明工艺简单,操作容易,制备周期短,制作成本低。

Description

一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法
技术领域
本发明涉及一种Ti2AlNb合金的制备方法。
背景技术
Ti2AlNb合金具有低密度、优异的断裂韧性、高温比强度和比刚度、高温抗蠕变、抗氧化性能和低热膨胀系数等优点,被视为有助于航空发动机通过结构减重实现性能提升的理想轻比重高温结构材料,是继γ-TiAl、α2-Ti3Al基合金后,又一研究热点。
通常,制备Ti2AlNb合金采用铸造熔炼方法。熔炼过程中,由于Nb元素比重大并且熔点高易于偏析,相反,Al元素比重小、熔点低易于挥发,导致熔炼的合金铸锭成分不准、元素分布不均;另外,Ti2AlNb合金较高的熔炼温度导致浇注时较大的温度梯度,因此集中缩孔易于在合金凝固过程中产生;同时,由于Al的挥发以及高化学活性Ti会与各种气体发生反应,因此分散的气孔和夹杂在凝固组织中的存在也比较容易。集中缩孔、气孔和夹杂等缺陷将为后续的热加工带来很多困难。因此,对熔炼得到铸锭进行热等静压、锻造或者热机械处理等方法消除合金内部缺陷。
发明内容
本发明的目的是首先解决铸造熔炼方法中Nb和Al元素分布不均的问题,通过采用低能球磨混粉和真空压力浸渗法制备出成分均匀的Ti2AlNb合金;
其次解决铸造熔炼的高熔炼温度导致的缩孔、气孔和夹杂等缺陷,通过采用相对较低的浸渗温度、一定的浸渗压力和加入一定量的稀土元素Y,可以有效提高材料的致密度,且避免铸态组织缺陷的产生和省去后续致密工序。
本发明的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,是按照以下步骤进行的:
一、按质量百分含量分别称取50.1%~56.5%的纯Ti粉、22.5%~24.4%的Nb粉和21.0%~25.5%的Al-Y稀土合金块体,其中,所述的Al-Y合金中Y的质量百分含量为4%~6%;其中,纯Ti粉的粒度为100~160μm,Nb粉的粒度为15~30μm;
二、将步骤一称取的纯Ti粉和Nb粉进行低能球磨,收集球磨后的Ti粉和Nb粉,混合均匀后,得钛和铌的复合粉体,并将其堆积到钢模具中;其中,低能球磨的球料比为2~8:1、球磨转速为80~150r/min、球磨时间为1~6h;
三、将步骤一称取的稀土铝合金Al-Y块体置于步骤二钢模具内的钛和铌的复合粉体上,再将钢模具放入真空热压烧结炉中,抽真空后,加热到Al-Y合金的熔化温度800~ 1000℃,进行浸渗,其中浸渗压力为60~100MPa,浸渗时间为10~30min,浸渗结束后将压力降至20~50MPa后,保温保压2~8h,即得Ti2AlNb合金。
本发明包含以下有益效果:
本发明可以避免铸造熔炼方法中Nb和Al元素分布不均和气孔和夹杂等内部缺陷问题。本发明采用真空压力浸渗法通过铝合金熔体向Ti-Al-Nb复合粉体制备出致密均匀的Ti2AlNb合金,不需要后续的热等静压、锻造或者热机械处理等方法消除合金内部缺陷。工艺简单,操作容易,制备周期短,制作成本低,具有巨大的市场前景。
本发明的Ti2AlNb合金拉伸性能见表1所示。
表1Ti2AlNb合金拉伸性能 
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,是按照以下步骤进行的:
一、按质量百分含量分别称取50.1%~56.5%的纯Ti粉、22.5%~24.4%的Nb粉和21.0%~25.5%的Al-Y稀土合金块体,其中,所述的Al-Y合金中Y的质量百分含量为4%~6%;其中,纯Ti粉的粒度为100~160μm,Nb粉的粒度为15~30μm;
二、将步骤一称取的纯Ti粉和Nb粉进行低能球磨,收集球磨后的Ti粉和Nb粉,混合均匀后,得钛和铌的复合粉体,并将其堆积到钢模具中;其中,低能球磨的球料比为2~8:1、球磨转速为80~150r/min、球磨时间为1~6h;
三、将步骤一称取的稀土铝合金Al-Y块体置于步骤二钢模具内的钛和铌的复合粉体上,再将钢模具放入真空热压烧结炉中,抽真空后,加热到Al-Y合金的熔化温度800~1000℃,进行浸渗,其中浸渗压力为60~100MPa,浸渗时间为10~30min,浸渗结束后将压力降至20~50MPa后,保温保压2~8h,液态Al-Y和Ti、Nb反应合成B22+O三相Ti2AlNb合金Ti2AlNb合金。
本实施方式可以避免铸造熔炼方法中Nb和Al元素分布不均和气孔和夹杂等内部缺陷问题。本发明采用真空压力浸渗法通过铝合金熔体向Ti-Al-Nb复合粉体制备出致密均匀的Ti2AlNb合金,不需要后续的热等静压、锻造或者热机械处理等方法消除合金内部缺陷。工艺简单,操作容易,制备周期短,制作成本低,具有巨大的市场前景。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的按质量百 分含量分别称取54%~56%Ti粉、23%~24%Nb粉和21%~22%的Al-Y稀土合金块体。其它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所述的按质量百分含量分别称取55%的Ti粉、23%的Nb粉和22%的Al-Y稀土合金块体。其它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的是:步骤一中所述的所述的Al-Y合金中Y的质量百分含量为5%。其它与具体实施方式一至三之一相同。
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:步骤二中所述的球料比为3~6:1,球磨转速为100~120r/min,球磨时间为2~4h。其它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:步骤二中所述的球料比为4~5:1,球磨转速为110~120r/min,球磨时间为2~3h。其它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:步骤三中所述的加热到Al-Y合金熔化温度800~1000℃,进行浸渗,其浸渗压力为70~90MPa,浸渗时间为10~20min。其它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七之一不同的是:步骤三中所述的加热到Al-Y合金熔化温度800~1000℃,进行浸渗,其浸渗压力为80MPa,浸渗时间为15min。其它与具体实施方式一至七之一相同。
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:步骤三中所述的浸渗结束后将压力降至30~40MPa,并且保温保压4~6h。其它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九之一不同的是:步骤三中所述的浸渗结束后将压力降至35MPa,并且保温保压5h。其它与具体实施方式一至九之一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容,其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下试验验证本发明的有益效果:
下面以原始Al合金材料中含Y元素5wt%所制备TiAl合金为例来说明。
试验1
本试验的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,是按照以下步骤进行的:
一、按质量百分比分别称取55%的Ti粉、23%的Nb粉和22%的Al-Y稀土合金块体,其中所述的Al-Y合金中Y的含量为5%(质量);
二、将粒度为120μm的球状纯钛颗粒和粒度为20μm的铌粉进行低能球磨,球料比为6:1,球磨转速为120r/min,球磨时间为4h,然后将混合均匀的钛和铌的复合粉体直接堆积到钢模具中;
三、将稀土铝合金Al-Y块体置于钢模具内钛和铌的复合粉体上,再将整个钢模具放入真空热压烧结炉中,抽真空后,加热到Al-Y合金熔化温度900℃,进行浸渗,其浸渗压力为80MPa,浸渗时间为15min,使熔融Al-Y合金充分渗入到钛和铌的复合粉体中,然后压力降至30MPa,并且保温保压6h,进行反应烧结得到Ti2AlNb合金。
本试验得到的Ti2AlNb合金拉伸性能见表1所示:
表1Ti2AlNb合金拉伸性能 
由表1可知,本试验的方法可以避免铸造熔炼方法中Nb和Al元素分布不均和气孔和夹杂等内部缺陷问题。本试验采用真空压力浸渗法通过铝合金熔体向Ti-Al-Nb复合粉体制备出致密均匀的Ti2AlNb合金,不需要后续的热等静压、锻造或者热机械处理等方法消除合金内部缺陷。工艺简单,操作容易,制备周期短,制作成本低,具有巨大的市场前景。
试验2
本试验的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,是按照以下步骤进行的:
一、按质量百分比分别称取50.1%的Ti粉、24.4%的Nb粉和25.5%的Al-Y稀土合金块体,其中所述的Al-Y合金中Y的含量为5%(质量);
二、将粒度为120μm的球状纯钛颗粒和粒度为20μm的铌粉进行低能球磨,球料比为6:1,球磨转速为120r/min,球磨时间为4h,然后将混合均匀的钛和铌的复合粉体直接堆积到钢模具中;
三、将稀土铝合金Al-Y块体置于钢模具内钛和铌的复合粉体上,再将整个钢模具放入真空热压烧结炉中,抽真空后,加热到Al-Y合金熔化温度900℃,进行浸渗,其浸渗压力为80MPa,浸渗时间为15min,使熔融Al-Y合金充分渗入到钛和铌的复合粉体中,然后压力降至30MPa,并且保温保压6h,进行反应烧结得到Ti2AlNb合金。
本试验的方法可以避免铸造熔炼方法中Nb和Al元素分布不均和气孔和夹杂等内部 缺陷问题。本试验采用真空压力浸渗法通过铝合金熔体向Ti-Al-Nb复合粉体制备出致密均匀的Ti2AlNb合金,不需要后续的热等静压、锻造或者热机械处理等方法消除合金内部缺陷。工艺简单,操作容易,制备周期短,制作成本低,具有巨大的市场前景。
试验3
本试验的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,是按照以下步骤进行的:
一、按质量百分比分别称取56.5%的Ti粉、22.5%的Nb粉和21%的Al-Y稀土合金块体,其中所述的Al-Y合金中Y的含量为5%(质量);
二、将粒度为120μm的球状纯钛颗粒和粒度为20μm的铌粉进行低能球磨,球料比为6:1,球磨转速为120r/min,球磨时间为4h,然后将混合均匀的钛和铌的复合粉体直接堆积到钢模具中;
三、将稀土铝合金Al-Y块体置于钢模具内钛和铌的复合粉体上,再将整个钢模具放入真空热压烧结炉中,抽真空后,加热到Al-Y合金熔化温度900℃,进行浸渗,其浸渗压力为80MPa,浸渗时间为15min,使熔融Al-Y合金充分渗入到钛和铌的复合粉体中,然后压力降至30MPa,并且保温保压6h,进行反应烧结得到Ti2AlNb合金。
本试验的方法可以避免铸造熔炼方法中Nb和Al元素分布不均和气孔和夹杂等内部缺陷问题。本试验采用真空压力浸渗法通过铝合金熔体向Ti-Al-Nb复合粉体制备出致密均匀的Ti2AlNb合金,不需要后续的热等静压、锻造或者热机械处理等方法消除合金内部缺陷。工艺简单,操作容易,制备周期短,制作成本低,具有巨大的市场前景。
需要指出的是,以上说明及优选实施例不可解释为限定本发明的设计思想。在本发明的技术领域里持有相同知识者可以将本发明的技术性思想以多样的形态改良变更,这样的改良及变更应理解为属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于它是按照以下步骤进行的:
一、按质量百分含量分别称取50.1%~56.5%的纯Ti粉、22.5%~24.4%的Nb粉和21.0%~25.5%的Al-Y稀土合金块体,其中,所述的Al-Y合金中Y的质量百分含量为4%~6%;其中,纯Ti粉的粒度为100~160μm,Nb粉的粒度为15~30μm;
二、将步骤一称取的纯Ti粉和Nb粉进行低能球磨,收集球磨后的Ti粉和Nb粉,混合均匀后,得钛和铌的复合粉体,并将其堆积到钢模具中;其中,低能球磨的球料比为2~8:1、球磨转速为80~150r/min、球磨时间为1~6h;
三、将步骤一称取的稀土铝合金Al-Y块体置于步骤二钢模具内的钛和铌的复合粉体上,再将钢模具放入真空热压烧结炉中,抽真空后,加热到Al-Y合金的熔化温度800~1000℃,进行浸渗,其中浸渗压力为60~100MPa,浸渗时间为10~30min,浸渗结束后将压力降至20~50MPa后,保温保压2~8h,即得Ti2AlNb合金。
2.根据权利要求1所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤一中所述的按质量百分含量分别称取54%~56%的Ti粉、23%~24%的Nb粉和21%~22%的Al-Y稀土合金块体。
3.根据权利要求2所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤一中所述的按质量百分含量分别称取55%的Ti粉、23%的Nb粉和22%的Al-Y稀土合金块体。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤一中所述的Al-Y合金中Y的质量百分含量为5%。
5.根据权利要求1所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤二中所述的球料比为3~6:1,球磨转速为100~120r/min,球磨时间为2~4h。
6.根据权利要求5所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤二中所述的球料比为4~5:1,球磨转速为110~120r/min,球磨时间为2~3h。
7.根据权利要求1所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤三中所述的加热到Al-Y合金熔化温度800~1000℃,进行浸渗,其浸渗压力为70~90MPa,浸渗时间为10~20min。
8.根据权利要求7所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤三中所述的加热到Al-Y合金熔化温度800~1000℃,进行浸渗,其浸渗压力为80MPa,浸渗时间为15min。
9.根据权利要求8所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤三中所述的浸渗结束后将压力降至30~40MPa,并且保温保压4~6h。
10.根据权利要求9所述的一种用真空压力浸渗法制备Ti2AlNb合金的方法,其特征在于步骤三中所述的浸渗结束后将压力降至35MPa,并且保温保压5h。
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Granted publication date: 20151028

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