CN103725910B - 一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，它涉及一种TiAl合金棒材的制备方法。本发明要解决目前制备TiAl合金的方法存在工序繁多，能耗过高，成本太贵的问题。本发明方法为：一、低能球磨混粉；二、Ti粉和Al合金粉的复合体半固态热挤压，直接反应合成得到TiAl合金棒材。本发明首先采用低能球磨混粉实现Ti粉和Al合金粉的均匀混合，然后采用半固态热挤压既实现Ti粉和Al合金粉低温反应合成TiAl合金，又成形了TiAl棒材。本发明反应合成和挤压变形一步完成，可以制备出致密均匀和杂质含量低的TiAl合金棒材，并且挤压容易，工艺简单，能耗少，污染小和制备成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种TiAl合金棒材的制备方法。
背景技术
TiAl合金是新一代轻质耐高温结构材料,主要应用于航空航天及汽车领域，但作为一种金属间化合物，难加工仍是TiAl合金面临的问题之一,也是其大规模应用的主要障碍。
通常，制备TiAl合金棒材可以采用铸造冶金或者预合金化粉末法制备TiAl合金，然后热挤压TiAl合金成棒材，但此类方法中TiAl合金挤压温度高达千度左右，挤压模具要求极高。并且铸锭冶金法制备的TiAl合金铸锭组织粗大,且存在缩孔、疏松以及成分偏析等缺陷,需要后续的热等静压处理及热机械处理来减少或消除缺陷,细化粗大的铸态组织;而采用预合金化粉末制备TiAl棒材虽然氧含量低,致密度较高,但预合金化粉末的制备工艺造价高,生产成本大,难以实现规模化生产。
此外，制备TiAl合金棒材还可以通过元素粉末法或者压力浸渗法制备Ti和Al复合体再热挤压成棒材，还需后续高温烧结合成TiAl合金。虽然此类方法实现了低温挤压棒材，但元素粉末法制备工艺容易引入高的杂质含量和缺陷密度，难以实现全致密化,，还需后续的热等静压等致密；而压力浸渗法制备Ti和Al复合体容易在Ti和Al界面处形成脆性金属间化合物，恶化其挤压变形能力。总而言之，上述制备方法工序繁多，能耗过高，成本太贵。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前制备TiAl合金的方法存在工序繁多，能耗过高，成本太贵的问题，而提供了一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法。
本发明的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、低能球磨混粉：采用粒度为20～60μm的球状纯钛颗粒和Al合金粉末在球料质量比为4～8:1、转速为50～100r/min、混粉时间为4～8h的条件下进行低能球磨混粉，得到Ti粉和Al合金粉末的复合粉体，然后对其进行室温压制与真空包套，得到包套坯料；
二、半固态热挤压：将步骤一得到的包套坯料进行半固态热挤压变形，即得TiAl合金棒材；其中，挤压比为4～16:1，挤压温度介于铝合金固相线和液相线温度之间。
本发明的有益效果为：
1、本发明目的是避免直接对脆性TiAl合金进行热挤压变形的困难，通过直接对低能球磨混粉制备出塑性良好的Ti-Al复合体进行半固态热挤压来得到TiAl合金棒材。
2、本发明克服脆性TiAl合金的热挤压温度过高和模具损伤严重的问题，可以通过对Ti-Al复合体在低温和低变形抗力下直接半固挤压合成了TiAl合金棒材，从而降低能耗和制备成本。
3、本发明解决元素粉末法带来的间隙杂质元素以及致密度的问题。通过采用短时间的低能球磨混粉避免高球磨混粉引入的杂质，并且通过半固态热挤压可以实现TiAl合金的组织致密，结构均匀的目的。
4、本发明克服当前TiAl合金棒材制备工艺的复杂性，通过半固态挤压同时完成TiAl合金的合成和其合金棒材的形成，不必对Ti和Al复合体再进行后续高温烧结合成TiAl合金。
本发明首先采用低能球磨混粉实现Ti粉和Al合金粉的均匀混合，然后采用半固态热挤压既实现Ti粉和Al合金粉低温反应合成TiAl合金，又成形了TiAl棒材。本发明中反应合成和挤压变形一步完成，可以制备出致密均匀和杂质含量低的TiAl合金棒材，并且挤压容易，工艺简单，能耗少，污染小和制备成本低，该方法解决制约TiAl合金棒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。
附图说明
图1为试验1制得的TiAl合金棒材的实物图片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、低能球磨混粉：采用粒度为20～60μm的球状纯钛颗粒和Al合金粉末在球料质量比为4～8:1、转速为50～100r/min、混粉时间为4～8h的条件下进行低能球磨混粉，得到Ti粉和Al合金粉末的复合粉体，然后对其进行室温压制与真空包套，得到包套坯料；
二、半固态热挤压：将步骤一得到的包套坯料进行半固态热挤压变形，即得TiAl合金棒材；其中，挤压比为4～16:1，挤压温度介于铝合金固相线和液相线温度之间。
本实施方式首先采用低能球磨混粉实现Ti粉和Al合金粉的均匀混合，然后采用半固态热挤压既实现Ti粉和Al合金粉低温反应合成TiAl合金，又成形了TiAl棒材。本发明中反应合成和挤压变形一步完成，可以制备出致密均匀和杂质含量低的TiAl合金棒材，并且挤压容易，工艺简单，能耗少，污染小和制备成本低，该方法解决制约TiAl合金棒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。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的低能球磨条件为：球料质量比为5～7:1、转速为60～90r/min、混粉时间为5～7h。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：步骤一中所述的低能球磨条件为：球料质量比为6:1、转速为80r/min、混粉时间为6h。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Al合金粉末为7075Al合金粉末或2024Al合金粉末。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：步骤二中所述的挤压比为5～14:1。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：步骤二中所述的挤压比为7～12:1。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：步骤二中所述的挤压比为9～10:1。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：步骤二中所述的挤压比为9:1。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：步骤二中所述的挤压温度范围为高于铝合金固相线10℃且低于液相线温度10℃。其它与具体实施方式一至八之一相同。
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：
试验1
本试验以7075变形铝合金为例，TiAl合金棒材的制备方法如下：
一、低能球磨混粉：采用形状规则的40μm球状纯钛颗粒和7075Al合金粉末低能球磨混粉，球料质量比为6:1，转速为80r/min，混粉时间为6小时，得到均匀分布Ti粉和Al合金粉末的复合粉体，然后对其进行室温压制与真空包套，得到包套坯料；
二、半固态热挤压：将包套坯料进行半固态热挤压变形，半固态挤压温度600℃，挤压比为9:1，从而使Ti和7075Al合金低温合成TiAl合金的同时挤压成TiAl棒材。
本试验制得的TiAl棒材的实物图如图1所示，由图1可知，本试验首先采用低能球磨混粉实现Ti粉和Al合金粉的均匀混合，然后采用半固态热挤压既实现Ti粉和Al合金粉低温反应合成TiAl合金，又成形了TiAl棒材。本试验中反应合成和挤压变形一步完成，可以制备出致密均匀和杂质含量低的TiAl合金棒材，并且挤压容易，工艺简单，能耗少，污染小和制备成本低，该方法解决制约TiAl合金棒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。
试验2
本试验以2024Al变形铝合金为例，TiAl合金棒材的制备方法如下：
一、低能球磨混粉：采用形状规则的40μm球状纯钛颗粒和2024Al合金粉末低能球磨混粉，球料质量比为6:1，转速为80r/min，混粉时间为6小时，得到均匀分布Ti粉和Al合金粉末的复合粉体，然后对其进行室温压制与真空包套，得到包套坯料；
二、半固态热挤压：将包套坯料进行半固态热挤压变形，半固态挤压温度520～580℃，挤压比为9:1，从而使Ti和2024Al合金低温合成TiAl合金的同时挤压成TiAl棒材。
本试验首先采用低能球磨混粉实现Ti粉和Al合金粉的均匀混合，然后采用半固态热挤压既实现Ti粉和Al合金粉低温反应合成TiAl合金，又成形了TiAl棒材。本试验中反应合成和挤压变形一步完成，可以制备出致密均匀和杂质含量低的TiAl合金棒材，并且挤压容易，工艺简单，能耗少，污染小和制备成本低，该方法解决制约TiAl合金棒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。
Claims (8)
1.一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、低能球磨混粉：采用粒度为20～60μm的球状纯钛颗粒和Al合金粉末在球料质量比为4～8:1、转速为50～100r/min、混粉时间为4～8h的条件下进行低能球磨混粉，得到Ti粉和Al合金粉末的复合粉体，然后对其进行室温压制与真空包套，得到包套坯料；
二、半固态热挤压：将步骤一得到的包套坯料进行半固态热挤压变形，即得TiAl合金棒材；其中，挤压比为4～16:1，挤压温度范围为高于铝合金固相线10℃且低于液相线温度10℃。
2.根据权利要求1所述的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于步骤一中所述的低能球磨条件为：球料质量比为5～7:1、转速为60～90r/min、混粉时间为5～7h。
3.根据权利要求2所述的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于步骤一中所述的低能球磨条件为：球料质量比为6:1、转速为80r/min、混粉时间为6h。
4.根据权利要求1所述的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于步骤一中所述的Al合金粉末为7075Al合金粉末或2024Al合金粉末。
5.根据权利要求1所述的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于步骤二中所述的挤压比为5～14:1。
6.根据权利要求5所述的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于步骤二中所述的挤压比为7～12:1。
7.根据权利要求6所述的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于步骤二中所述的挤压比为9～10:1。
8.根据权利要求7所述的一种基于Ti粉和Al合金粉的复合粉体半固态热挤压制备TiAl合金棒材的方法，其特征在于步骤二中所述的挤压比为9:1。
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