CN107937753A - 一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，制备的具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金是通过高能球磨结合热压烧结技术得到的，实现了双峰TiAl合金的有效、可控制备。其特点是高温力学强度较高，抗氧化性能较好，具有良好组织结构的TiAl基合金。且本发明制备的具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金具有微细晶粒γ+α2/γ双态组织和粗晶粒单相γ组织，在950℃，应变速率为2×10‑4s‑1时压缩强度为可达到达到300Mpa ～350Mpa。本发明提供一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金可用于制造发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车排气阀等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。

Description

一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法
技术领域
本发明涉及金属合金领域，具体涉及一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法。
背景技术
通过对材料微观结构的多级构筑，比如制备多尺度微观组织（双峰、多峰晶粒尺寸分布）、层片结构、梯度结构等，能够获得组织致密且具有良好强度-塑性配合的TiAl合金粉末冶金材料，并提高材料的综合力学性能，从而充分发挥金属结构材料的应用价值。但考虑到材料性能的调控效果和制备技术的易行性，在诸多的微观构型中，双峰晶粒尺寸分布的组织结构具有较高的实用性，引起了国内外研究者们的广泛关注。双峰TiAl合金材料是一种将粗晶嵌入到亚微米晶或超细晶TiAl合金基体中得到的复合结构。其晶粒尺寸服从统计学中的双峰分布，从而获得强度与韧性兼备的多尺度TiAl合金。近些年来，很少有研究者在双峰TiAl合金材料的制备和力学性能方面做研究。
TiAl基合金相对于钛合金和镍基合金而言，TiAl基合金室温比模量、比强度高，在600 -750 ℃具有良好的抗蠕变性能，650-850℃抗氧化性能和高温强度与镍基高温合金相当，但其密度却远小于镍基高温合金。TiAl合金已用于制备了一些发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车避震器等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。例如，GE公司在GE90发动机中用TiAl合金叶片代替了部分镍基高温合金叶片，减轻了发动机重量约200千克。日本丰田公司利用粉末冶金方法生产的Ti合金排气阀已用于试验生产，发动机能耗降低5%~8%，中科院金属研究所开发出的TiAl合金叶片精密铸造技术，也将应用于我国首款商用航空发动机长江-1000。
TiAl合金的制备技术主要有铸造，铸锭冶金、粉末冶金等。粉末冶金法既能够获得晶粒细小、组织均匀、各向同性、热加工性能良好且无宏观偏析、缩孔等缺陷的的合金，有效提高材料的综合性能，又能实现零件近净成形，从而避免因室温塑性差引起的难加工问题。但是，现有技术中的粉末冶金法制备TiAl 基合金，主要通过两种方法提高TiAl合金强度，一是合金化，添加Nb、Mo、W等元素提高强度，添加Cr、Mn、V等元素提高塑性。二是热等静压烧结提高TiAl合金致密度，进而提高TiAl合金强度。这两种方法相对铸锭冶金法和铸造法对TiAl合金高温性能提高有限，且成本较高，离大规模工业化生产还有一定距离。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，制备的具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金是通过高能球磨结合热压烧结技术得到的，实现了双峰TiAl合金的有效、可控制备。其特点是高温力学强度较高，抗氧化性能较好，具有良好组织结构的TiAl基合金。
本发明的一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金，其组分和重量百分比如下：Ti 49.7% ～ 67.8%；Al28.5% ～ 38.2%；Nb0.1% ～ 12%；Cr0.1% ～ 6.7%。
本发明的一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金的制备方法，步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，组分和重量百分比如下：Ti 49.7% ～ 67.8%；Al28.5% ～38.2%；Nb0.1% ～ 12%；Cr0.1% ～ 6.7%，粒度在30μm ～ 150μm之间；在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中球磨；钢球和粉末质量比为5 ～ 20：1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为1 ～3：1，球磨速度400r/min ～ 600r/min，球磨时间为20h ～ 30h；球磨后得到粒度在0.1μm～ 6μm之间的细粉；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按步骤（1）得到的细粉的质量占细粉和TiAl预合金粉末总质量的20% ～ 60%的配比，将细粉和TiAl预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合，其中不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：0.5 ～ 3，球磨速度100r/min ～ 300r/min，球磨时间为10min ～ 60min；得到混合粉末；
（3）将步骤（2）得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10-4Pa ～20Pa条件下，加热至300℃～600℃，采用的热压压力为10MPa ～30MPa，加压时间为5min ～60min，加压形成坯体；
将真空热压炉继续升温至1100℃～ 1350℃，采用的热压压力为20MPa ～ 50MPa，保温保压0.5h ～ 4h，关掉电源，热压件冷却至100℃～300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
本发明提供一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金可用于制造发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车排气阀等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。
有益效果：本发明提供一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，制备的具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金是通过高能球磨结合热压烧结技术得到的，实现了双峰TiAl合金的有效、可控制备。其特点是高温力学强度较高，抗氧化性能较好，具有良好组织结构的TiAl基合金。且本发明制备的具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金具有微细晶粒γ+α2/γ双态组织和粗晶粒单相γ组织，在950℃，应变速率为2×10-4s-1时压缩强度为可达到达到300Mpa ～350Mpa。本发明提供一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金可用于制造发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车排气阀等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。
附图说明
图1是实施例3的TiAl预合金粉末的扫描电镜形貌图。
图2是实施例3的TiAl预合金粉末球磨后的扫描电镜形貌图。
图3是实施例3的得到的TiAl合金的扫描电镜形貌图。
具体实施方式
实施例是本发明的典型例子，用于本领域科研技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施实例。
实施例1 一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，TiAl预合金粉末粒度在30μm ～ 150μm之间，其组分和重量百分比如下：Ti67.8%；Al32%；Nb0.1%；Cr0.1%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为20：1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为3：1；速度600r/min，时间为30h；球磨后得到的细粉粒度在0.1μm ～ 3μm之间；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的60%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：3；速度300r/min，时间为10min。
（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为20Pa条件下，加热至600℃，采用的热压压力为30MPa，时间为5min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1350℃，采用的热压压力为30MPa，保温保压0.5h，关掉电源，热压件冷却至300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金可用于制造发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车排气阀等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。
实施例2一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，TiAl预合金粉末粒度在30μm ～ 150μm之间，其组分和重量百分比如下：Ti52.8%；Al28.5%；Nb12%；Cr6.7%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为5：1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为1：1；速度400r/min，时间为20h；球磨后得到的细粉粒度在3μm ～ 6μm之间；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的20%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：0.5；速度100r/min，时间为60min。
（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10-4Pa条件下，加热至300℃，采用的热压压力为10MPa，时间为60min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1100℃，采用的热压压力为50MPa，保温保压4h，关掉电源，热压件冷却至100℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
实施例3 一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，TiAl预合金粉末粒度在30μm ～ 150μm之间，其组分和重量百分比如下：Ti59.2%；Al33.3%；Nb4.8%；Cr2.7%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为10：1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为2：1；速度550r/min，时间为25h；球磨后得到的细粉粒度在0.5μm ～2μm之间；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的40%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：2；速度230r/min，时间为15min。
（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10-1Pa条件下，加热至400℃，采用的热压压力为20MPa，时间为30min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1200℃，采用的热压压力为30MPa，保温保压1h，关掉电源，热压件冷却至200℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
图1是实施例3的TiAl预合金粉末的扫描电镜形貌图。
图2是实施例3的TiAl预合金粉末球磨后的扫描电镜形貌图。
图3是实施例3的得到的TiAl合金的扫描电镜形貌图。
实施例4一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，TiAl预合金粉末粒度在30μm ～ 150μm之间，其组分和重量百分比如下：Ti49.7%；Al38.2%；Nb12%；Cr0.1%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为10:1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为3：1；速度600r/min，时间为30h；球磨后得到的细粉粒度在0.5μm ～ 3μm之间；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的30%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：2；速度300r/min，时间为10min。
（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为20Pa条件下，加热至600℃，采用的热压压力为30MPa，时间为5min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1350℃，采用的热压压力为50MPa，保温保压0.5h，关掉电源，热压件冷却至300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。

Claims (5)

1.一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金，其特征在于，其组分和重量百分比如下：Ti 49.7% ～ 67.8%；Al28.5% ～ 38.2%；Nb0.1% ～ 12%；Cr0.1% ～ 6.7%。
2.如权利要求1所述的一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金的制备方法，其特征在于步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，组分和重量百分比如下：Ti 49.7% ～ 67.8%；Al28.5% ～38.2%；Nb0.1% ～ 12%；Cr0.1% ～ 6.7%，粒度在30μm ～ 150μm之间；在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中球磨；钢球和粉末质量比为5 ～ 20：1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为1 ～3：1，球磨速度400r/min ～ 600r/min，球磨时间为20h ～ 30h；球磨后得到粒度在0.1μm～ 6μm之间的细粉；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按步骤（1）得到的细粉的质量占细粉和TiAl预合金粉末总质量的20% ～ 60%的配比，将细粉和TiAl预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合，其中不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：0.5 ～ 3，球磨速度100r/min ～ 300r/min，球磨时间为10min ～ 60min；得到混合粉末；
（3）将步骤（2）得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10-4Pa ～20Pa条件下，加热至300℃～600℃，采用的热压压力为10MPa ～30MPa，加压时间为5min ～60min，加压形成坯体；
将真空热压炉继续升温至1100℃～ 1350℃，采用的热压压力为20MPa ～ 50MPa，保温保压0.5h～ 4h，关掉电源，热压件冷却至100℃～ 300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
3.如权利要求1所述的一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金的制备方法，其特征在于步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，TiAl预合金粉末粒度在30μm ～ 150μm之间，其组分和重量百分比如下：Ti67.8%；Al32%；Nb0.1%；Cr0.1%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为20：1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为3：1；速度600r/min，时间为30h；球磨后得到的细粉粒度在0.1μm ～ 3μm之间；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的60%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1： 3；速度300r/min，时间为10min；
（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为20Pa条件下，加热至600℃，采用的热压压力为30MPa，时间为5min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1350℃，采用的热压压力为30MPa，保温保压0.5h，关掉电源，热压件冷却至300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
4.如权利要求1所述的一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金的制备方法，其特征在于步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，TiAl预合金粉末粒度在30μm ～ 150μm之间，其组分和重量百分比如下：Ti52.8%；Al28.5%；Nb12%；Cr6.7%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为5：1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为1：1；速度400r/min，时间为20h；球磨后得到的细粉粒度在3μm ～ 6μm之间；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的20%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：0.5；速度100r/min，时间为60min；
（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10-4Pa条件下，加热至300℃，采用的热压压力为10MPa，时间为60min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1100℃，采用的热压压力为50MPa，保温保压4h，关掉电源，热压件冷却至100℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
5.如权利要求1所述的一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金的制备方法，其特征在于步骤和条件如下：
（1）取TiAl预合金粉末，TiAl预合金粉末粒度在30μm ～ 150μm之间，其组分和重量百分比如下：Ti49.7%；Al38.2%；Nb12%；Cr0.1%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将TiAl预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为10:1，小不锈钢钢球直径为10mm, 大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为3：1；速度600r/min，时间为30h；球磨后得到的细粉粒度在0.5μm ～ 3μm之间；
（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的30%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：2 ；速度300r/min，时间为10min；
（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为20Pa条件下，加热至600℃，采用的热压压力为30MPa，时间为5min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1350℃，采用的热压压力为50MPa，保温保压0.5h，关掉电源，热压件冷却至300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金。
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