CN104625066B - 一种采用两步压力熔渗制备高铌钛铝合金材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种采用压力熔渗制备高铌钛铝合金材料的方法，将Ti、Nb等元素粉末均匀混合后与高纯Al板放入石墨模具内，置入高压熔渗炉中；以5~10℃/min升温至700~800℃，保温30~60min，并施加轴向压力10~30MPa；以3~6℃/min升温至800~1000℃，加压30~50MPa，保温60~120min，持续加压随炉冷却至室温，即得到熔渗坯体，进行热处理，在1300～1500℃/2～6h，之后随炉冷却至室温即可得到高致密性高铌TiAl合金块体材料。该方法工艺简单、流程短、成本低、杂质含量易于控制，并具有净近成形的优势；所制备的高铌钛铝合金材料致密度高、成分组织均匀、力学性能能优异。

Description

一种采用两步压力熔渗制备高铌钛铝合金材料的方法

技术领域

本发明提供了一种采用压力熔渗制备高铌钛铝合金材料的方法，属于金属间化合物材料制备技术领域。

技术背景

TiAl 基金属间化合物，基于原子长程有序排列和原子间独特的键合，具有比重低、高温强度好、抗氧化、抗蠕变性能优良等特点，同其他高温合金相比具有更加优异的高温综合性能，被公为是最有应用潜力的新一代轻质耐高温结构材料。由我国陈国良院士研发的高Nb-TiAl合金，在保持常规TiAl合金优势的基础上将合金的极限使用温度提高60～100℃，并且具有优异的强度及抗氧化性能，目前已经成为国际公认的高温TiAl合金的主要发展方向。

高熔点组元Nb的添加在提高TiAl合金高温性能的同时，也使合金的熔炼温度和热加工温度显著提高，使得合金的制备加工难度明显增大。但只有优良的制备工艺，才能得到性能优异的高铌 TiAl 合金，从而确保其他研究工作的顺利开展，为将来大规模的工业化生产提供可能。因此，发展新型的高铌 TiAl 合金制备加工技术，实现 Nb元素添加的均匀化，制备出成分均匀、组织细小和性能优异的高铌 TiAl 合金具有重要的现实意义。

目前，针对高铌 TiAl 合金的制备方法研究报道相对较少。使用传统铸造法过程较为复杂，并容易出现铸造缺陷、成分偏析和晶粒大小不均匀现象。而采用粉末冶金制备工艺可使以上问题得到根本性的改善。粉末冶金制备TiAl基合金工艺按照原料粉末可分为元素粉末法和预合金粉末法。其中预合金粉末法所制备合金成分均匀性好，氧及杂质含量低，力学性能好，但是合金粉末制备难度大、对技术要高、造价昂贵，而且目前仍难以实现市场化批量生产。而元素粉末法主要特点是成本低、易成形，但是由原料引入的氧及杂质含量较高，同时因kirkendall效应导致其烧结性能较差，制备合金力学性能尤其室温塑性指标较低。

基于以上各制备工艺的不足，我们提出采用两步压力熔渗工艺制备高铌钛铝合金材料，该方法可综合预合金粉末法以及元素粉末法的优势，采用低成本原材料，可直接制备出低氧含量、高致密度、高性能的合金材料。液态金属熔渗技术是制备金属基复合材料、金属陶瓷复合材料及金属间化合物/陶瓷基复合材料的常用方法。是以高熔点金属、陶瓷或金属间化合物粉末制成多孔体骨架，再将低熔点金属贴置于骨架之上，在高于该金属熔点温度下，使其熔融渗入多空骨架中填充孔隙，从而得到高致密性产品。该制备方法工艺简单、成本低，可实现制品大型化生产，并同时具有净近成形的优势。但目前将熔渗法用于制备金属间化合物材料的研究报道极少。东北大学王继杰等采用无压熔渗工艺制备了Ti-（46-68）Al（at%）系金属间化合物（陈林，熔渗-扩散法制备Ti-Al系金属间化合物，硕士学位论文，大连：东北大学，2006），中南大学刘咏等采用真空熔渗法制备了一种TiAl金属间化合物多孔隔热材料（CN102249298B）。但将熔渗技术用于制备高铌钛铝合金材料的研究，目前还未见相关研究报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用压力熔渗法制备高铌TiAl合金材料的工艺方法，以实现低成本、快速烧结制备高致密性高铌TiAl合金材料。其制备原理是以Ti、Nb等元素粉末及高纯Al板作为原料，在高于Al熔点的温度条件下，Al板熔化并渗进混合粉末骨架中，并与Ti粉发生燃烧合成反应后，在压力作用下得到高铌钛铝坯体材料；随经后续热处理各合金化元素均匀扩散后，得到组织成分均匀的高铌TiAl合金材料。具体工艺流程和参数如下：

步骤1，以Ti、Nb等元素粉末和高纯Al板作为主要原料，其成分配比为：Al含量为43~49%，Nb含量为5~10%，余量为Ti和其他微量合金元素，以上均为原子百分比，备用；

步骤2，将步骤1称取好的原料粉末均匀混合后，装入石墨模具中并经振实或压制成坯，使坯体的致密度低于70%，备用；

步骤3，将步骤1选取好的Al板置于经步骤2处理后的模具内坯体之上，再将所述模具整体置入高压熔渗炉中进行反应熔渗烧结处理；熔渗过程在真空度≤10^-1Pa的真空条件或惰性气体保护下进行，熔渗过程采用两步升温反应熔渗工艺，第一阶段以5~10℃/min快速升温至700~800℃，进行保温40~120min，保温10~30min后开始施加轴向压力10~30MPa；

第二阶段：提高轴向压力至30~50MPa，以3~6℃/min缓慢升温至800~1000℃，同时，保温60~120min，之后持续加压随炉冷却至室温，即得到相对密度大于97.0%的高铌钛铝合金熔渗坯体；

步骤4， 对熔渗坯体进行后续均匀化热处理，热处理在真空度≤10^-1Pa的真空条件或惰性气体保护下进行，热处理温度为1300～1500℃，保温时间为2～6h，之后随炉冷却至室温即可得到高铌钛铝合金块体材料。

本发明的特点在于：

（1）制备工艺简单、流程短，对设备要求较低，可极大降低材料生产成本，并具有净近成形的优势。相对于现有该合金的预合金粉末制备法，可免去对昂贵预合金化粉末的依赖。

（3）采用高纯Al板代替传统粉末冶金元素粉末法中的Al粉，在降低原料成本的同时，可大大降低由原料引入的氧及其他杂质含量，从而可获得更优的材料力学性能。可改善传统元素粉末法中高杂质含量、力学性能差等问题。

（4）所制备的高铌钛铝合金材料致密度高、成分组织均匀，其力学性能可超过相同成分配比的铸造合金材料。

附图说明

图1为本发明制备的高铌TiAl合金显微组织的扫描电镜照片。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

对比实施例1：

以-500目的Ti、Nb、Al元素粉末为原料，按照名义成分Ti-45Al-8.5Nb进行配比。将Ti、Nb元素粉末经机械混合均匀后，装入Φ30的钢模中振实后，加压500MPa制成压坯。将压坯进行1400℃，真空烧结，保温时间为120min，随炉冷却至室温即可得到高铌TiAl合金块体材料。经检测，所制备合金样品发生大幅度体积膨胀，相对密度为70.5%；氧含量为4300ppm，制备合金的抗压强度、屈服强度、压缩率分别为1304MPa、286Mpa和 10.2%。

对比实施例2：

以-500目的Ti、Nb、Al元素粉末为原料，按照名义成分Ti-45Al-8.5Nb进行配比。将Ti、Nb元素粉末经机械混合均匀后，装入Φ30的石墨模具中振实后，再将石墨磨具放入热压炉内。采用真空热压烧结系统对混合粉末进行高温反应烧结，烧结温度为1350℃，，保温时间为120min，施加压力为45MPa，随炉冷却至室温即可得到高铌TiAl合金块体材料。经检测，所制备合金的相对密度为98.1%；氧含量为4500ppm，制备合金的抗压强度、屈服强度、压缩率分别为2932MPa、856Mpa和 25.2%。

对比实施例3：

以高纯 Al 、零级海绵钛、Al-Nb 中间合金，采用等离子冷床炉熔炼工艺（PAM）熔炼名义成分为Ti-45Al-8.5Nb的大尺寸合金铸锭，经1200 /50h ℃ 退火处理成分均匀后，机加工成Φ(16~20)mm 棒材，最后采用无坩埚感应加热连续 Ar气雾化工艺制备成预合金粉末。将预合金粉末325目过筛后，进行真空热压烧结，烧结温度为1350℃，保温时间为120min，施加压力为40MPa，随炉冷却至室温即可得到高铌TiAl合金块体材料。经检测，所制备合金的相对密度为99.0%；氧含量为1500ppm，制备合金的抗压强度、屈服强度、压缩率分别为2988MPa、885Mpa和 31.0%。以预合金粉末制备合金，氧及杂质含量低，力学性能优异，但预合金粉末目前无法通过市场途径购置，而自制备周期长成本高，约合2000~3000元/公斤。

实施例4：

以-200目Ti粉、-325目Nb元素粉末和高纯Al板为原料，按照名义成分Ti-45Al-8.5Nb进行配比。将Ti、Nb元素粉末经机械混合均匀后，装入Φ30的石墨模具中振实并压制，得到压坯的致密度为68%。将线切割Al板表面磨光后放置于模具内粉末压坯之上，再将模具整体置入高压熔渗炉中。熔渗过程在高纯Ar气保护下进行，以10℃/min快速升温至750℃，进行保温，保温时间为60min，保温20min后开始施加轴向压力20MPa；提高轴向压力至50MPa，以3℃/min缓慢升温至850℃，保温120min，之后持续加压随炉冷却至室温，即得到高铌钛铝合金熔渗坯体。随后对熔渗坯体进行后续均匀化热处理，热处理在真空烧结炉内进行，热处理温度为1450℃，保温时间为6h，之后随炉冷却至室温即可得到高铌TiAl合金块体材料。经检测，所制备样品的相对密度为98.8%；氧含量为1800ppm，其显微组织如图1所示，制备合金的抗压强度、屈服强度、压缩率分别为3025MPa、892 MPa和29.8%。其性能和预合金粉末法制备同成分合金相当，但其制备周期短、成本低廉。

实施例5:

以-500目的Ti、Nb元素粉末和高纯Al板为原料，按照名义成分Ti-45Al-5Nb进行配比。将Ti、Nb元素粉末经机械混合均匀后，装入Φ30的石墨模具中振实，获得粉末坯体致密度为56%。将线切割Al板表面磨光后放置于模具内混合粉末之上，再将模具整体置入高压熔渗炉中。熔渗过程在在真空度≤10^-1Pa的真空条件下进行，以5℃/min快速升温至700℃，进行保温，保温时间为40min，保温10min后开始施加轴向压力30MPa；提高轴向压力至30MPa，以6℃/min缓慢升温至1000℃，保温60min，之后持续加压随炉冷却至室温，即得到高铌钛铝合金熔渗坯体。随后对熔渗坯体进行后续均匀化热处理，热处理在真空烧结炉内进行，热处理温度为1300℃，保温时间为4h，之后随炉冷却至室温即可得到高铌TiAl合金块体材料。经检测，所制备样品的相对密度为98.9%；氧含量为2200ppm，制备合金的抗压强度、屈服强度、压缩率分别为2766MPa、808 MPa和 30.2%。

实施例6：

以-325目Ti粉、-500目Nb元素粉末和高纯Al板为原料，按照名义成分Ti-45Al-10Nb进行配比。将Ti、Nb元素粉末经机械混合均匀后，装入Φ30的石墨模具中振实并压制，得到压坯的致密度为60%。将线切割Al板放置于模具内粉末坯体之上，再将模具整体置入高压熔渗炉中。熔渗过程在高纯Ar气保护下进行，以7℃/min快速升温至800℃，进行保温，保温时间为120min，保温30min后开始施加轴向压力10MPa；提高轴向压力至40MPa，以5℃/min缓慢升温至950℃，保温80min，之后持续加压随炉冷却至室温，即得到高铌钛铝合金熔渗坯体。随后对熔渗坯体进行后续均匀化热处理，热处理在真空烧结炉内进行，热处理温度为1480℃，保温时间为2h，之后随炉冷却至室温即可得到高铌TiAl合金块体材料。经检测，所制备样品的相对密度为99.0%；氧含量为2100ppm，；制备合金的抗压强度、屈服强度、压缩率分别为3210MPa、867 MPa和28.6%。

Claims (1)

1.一种采用两步压力熔渗制备高铌钛铝合金材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，以Ti、Nb元素粉末和高纯Al板作为主要原料，其成分配比为：Al含量为43~49%，Nb含量为5~10%，余量为Ti和其他微量合金元素，以上均为原子百分比，备用；

步骤2，将步骤1称取好的原料粉末均匀混合后，装入石墨模具中并经振实或压制成坯，使坯体的致密度低于70%，备用；

步骤3，将步骤1选取好的Al板置于经步骤2处理后的模具内坯体之上，再将所述模具整体置入高压熔渗炉中进行反应熔渗烧结处理；熔渗过程在真空度≤10^-1Pa的真空条件或惰性气体保护下进行，熔渗过程采用两步升温反应熔渗工艺，第一阶段以5~10℃/min快速升温至700~800℃，进行保温40~120min，保温10~30min后开始施加轴向压力10~30MPa；

第二阶段：提高轴向压力至30~50MPa，以3~6℃/min缓慢升温至800~1000℃，同时，保温60~120min，之后持续加压随炉冷却至室温，即得到相对密度大于97.0%的高铌钛铝合金熔渗坯体；

步骤4， 对熔渗坯体进行后续均匀化热处理，热处理在真空度≤10^-1Pa的真空条件或惰性气体保护下进行，热处理温度为1300～1500℃，保温时间为2～6h，之后随炉冷却至室温即可得到高铌钛铝合金块体材料。