CN108097962A

CN108097962A - 一种Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法

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Publication number: CN108097962A
Application number: CN201711480907.2A
Authority: CN
Inventors: 刘咏; 欧阳思慧; 刘彬; 李慧中; 梁宵鹏
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN108097962B

Abstract

一种Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将钛铝预合金粉与Nb粉混合均匀得到混合粉末，其中，所述钛铝预合金粉中包括Ti、Al、Nb及W；(2)将步骤(1)中得到的混合粉末在真空下进行热等静压处理，得到热等静压坯；(3)将步骤(2)制得的热等静压坯进行高温热挤压处理，空冷后制得棒坯；(4)将步骤(3)制得的棒坯进行热处理，随炉冷却得到Nb增韧钛铝基合金复合材料。本发明制备方法的工艺步骤简单，生产周期较短，且原料简单易得，成本低廉，制备得到的产品的性能优越。

Description

一种Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金材料领域，尤其涉及一种钛铝基合金复合材料的制备方法。

背景技术

钛铝合金具有低密度、高强度、高硬度、抗腐蚀、抗蠕变、抗氧化及耐高温等优点，在航空、航天领域、兵器工业以及民用工业有着广阔的应用前景。钛铝合金与其他常见结构材料合金性能相比有一定优势。钛铝合金的比弹性模量比钛合金高出50～70％，在高温下仍然可以保持较高的硬度。与镍基高温合金相比，钛铝合金的弹性模量(160～180GPa)接近镍基高温合金，但钛铝合金的密度(3.7～4.1g/cm³)不到镍基高温合金的一半；钛铝合金的比强度(95～155MPa·cm³/g)和比模量高(40～46GPa)，其比强度在任何温度下均高于镍基高温合金，尤其是在超过800℃的高温服役条件下，钛铝合金的优势更加明显，钛铝合金使用温度有望达到900℃甚至更高。

近几年，随着航空、航天技术的迅速发展，对轻质高温结构材料有了较高的要求，不仅要求结构材料耐高温，并且需要结构材料具有良好的高温韧性和抗冲击性能。而钛铝基复合材料在保持钛铝合金优良性能的同时，又可以进一步提升钛铝合金的韧性及高温性能；钛铝基复合材料成为航空、航天领域候选的高温结构材料之一，其具有重要的应用潜力。尽管钛铝合金在航空、航天及汽车领域具有很大的商业应用前景，但由于钛铝合金的本征脆性极大地限制了其工业化生产。

目前，主要用来提高钛铝合金力学性能的工艺有合金化法和热加工法，虽然这些工艺在改善合金组织方面已经取得了一定成果，但是仍然没有很好地改善钛铝合金的高温韧性，不能满足航空航天对结构材料的性能要求。目前，在材料结构上用来提高钛铝合金力学性能的研究主要集中在非连续颗粒增强钛铝基复合材料上，常见的颗粒增强体主要有Al₂O₃、SiC、TiB₂、Ti₂AlC等。但Al₂O₃、TiB₂和SiC颗粒属于脆性相，提高了强度的同时一定程度降低了钛铝基合金材料的韧性，而Ti₂AlC颗粒制备工艺复杂，提高了复合材料的制备成本。

因此，开发出一种低成本且性能优越的钛铝基复合材料具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种低成本且具有良好的高温抗冲击性能、韧性高、晶粒细小、增韧相分布均匀的Nb增韧钛铝基复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将钛铝预合金粉与Nb粉混合均匀得到混合粉末，其中，所述钛铝预合金粉中包括Ti、Al、Nb及W；

(2)将步骤(1)中得到的混合粉末在真空下进行热等静压处理，得到热等静压坯；

(3)将步骤(2)制得的热等静压坯进行高温热挤压处理，空冷后制得棒坯；

(4)将步骤(3)制得的棒坯进行热处理，随炉冷却得到Nb增韧钛铝基合金复合材料。

上述制备方法中，优选的，所述钛铝预合金粉与Nb粉混合均匀时，所述Nb粉的体积占所述钛铝预合金粉与Nb粉总体积的2～8％。

上述制备方法中，优选的，所述钛铝预合金粉的成分按原子百分比计为：Al：43～47％、Nb：2～7％、不超过0.6％的W，其余为Ti。

上述制备方法中，优选的，所述钛铝预合金粉的粒度控制为-50目～-100目，所述Nb粉的粒度控制为-100目～-200目。控制上述目数是为了控制含氧量和成本。目数过高，含氧量和成本提高，造成合金的性能降低并且提高了生产成本。目数过低虽然前期原料粉末成本降低了，但是造成后期热等静压的组织粗大，造成挤压困难，合金容易出现裂纹。

上述制备方法中，优选的，所述混合时采用的设备为球磨机或V型混料机，混合过程中采用惰性气体保护，混合时间为6～8h(更优选的为8h)。使用V型混料机，在混料过程中不会使粉末发生较大的变形，Nb粉的密度较大采用的粒度较细(-100～-200目)，钛铝预合金粉密度比Nb粉密度低，因此采用的粒度较粗(-50～-100目)，两种粉末流动性都很好。混粉过程中Nb粉粒度小易于分散在钛铝预合金粉粒度大的空隙中，钛铝预合金粉不易聚集在混合物上部。另外，由于本发明中混合时采用干混，混合过程中粉末之间相互摩擦时间过长容易导致粉末流动性变差，所以混粉时间定为8h。

上述制备方法中，优选的，所述热等静压处理在热等静压包套中进行，所述热等静压包套为不锈钢包套，所述不锈钢包套的一端开口，一端封闭，所述热等静压包套的高径比为2：1～5：1。控制高径比是为了适配热等静压的设备，防止压制后出现致密度不高的情况。

上述制备方法中，优选的，所述热挤压处理在热挤压包套中进行，所述热挤压包套为不锈钢包套，所述不锈钢包套的一端开口，一端封闭，所述热挤压包套的高径比控制为2：1～5：1，包套内壁依次装入钼片和防火布后再装入热等静压坯后真空焊合。装设钼片和防火布可保证挤压温度更均匀。

上述制备方法中，优选的，所述步骤(2)中热等静压处理时，热等静压温度控制为1200～1300℃，压强控制为150～200MPa，保压时间控制为3-7h。热等静压温度高于1300℃，会造成晶粒长大，组织粗大性能下降，温度低于1200℃，压强过低造成圧坯最终性能差，孔隙增多，致密度低。压强控制为150～200MPa可保证圧坯致密度达到要求。

上述制备方法中，优选的，所述步骤(3)中高温热挤压处理时，热挤压温度控制为1200～1300℃，保温时间控制为1h～3h，挤压比控制为4:1～6:1。挤压温度高于1300℃时，压坯软化导致挤压压力急剧下降，难以保持挤压坯的形状。挤压温度低于1200℃，压坯塑性较差，就需要增加挤压压力，这易导致压坯分层和横向裂纹。挤压比太小，钛铝基合金变形不充分，密度和表面质量不好，挤压比太大，模具变形太剧烈，挤压困难，钛铝基棒材尺寸难以保证，甚至造成堵模。

上述制备方法中，优选的，所述步骤(4)中热处理时，热处理温度控制为800～1000℃，保温时间控制为1～3h。上述过程为去应力退火过程，将挤压得到的钛铝基复合材料缓慢加热到800-1000℃，保温1-3h，使材料内部发生驰豫，然后缓冷可以去除材料内部应力，消除内部应力过大带来的有害作用。

本发明中，1)Nb元素为β相稳定元素，可以扩大β相区至高铝相区。Nb与β相形成连续的固溶体，稳定β相能力最强，可提高合金的高温变形能力及组织稳定性，但是直接在配制钛铝预合金粉时加入Nb粉会形成高Nb钛铝合金而不是钛铝金属间复合材料。2)研究发现高Nb钛铝合金中大部分β相在冷却过程中会转化为B2相，因为B2相是脆性相，大量的B2相会降低钛铝基合金的延伸性能。本发明在钛铝合金粉后再加入2～8％体积比的Nb粉旨在形成Nb增韧钛铝基体的钛铝基复合材料，在这种类型的钛铝基复合材料中，钛铝基体中Nb含量低，不含B2相，而Nb与基体结合处形成的富Nb区域可以通过缓解α2相与其界面处的应力集中可以延迟α2相的解理裂纹的形核。另外，富Nb区域还可以作为α2相解理裂纹的扩展障碍，使塑性大幅度提高。3)研究表明钛铝基复合材料强度的提高是由于固溶强化作用，在富Nb区域由于Nb原子半径大于Ti原子半径，当Nb原子取代Ti原子位置，产生的错配或缺陷阻碍了位错的运动。另一方面，Nb为β相稳定元素，Nb元素的添加降低了Al的相对含量，使得α相界面向左偏移，进而降低了获取层片组织的温度，晶粒的长大可以得到控制，细化的晶粒导致强度的提高。4)Nb元素的添加，降低了钛铝基合金的层错能，有利于孪生的产生，减小了钛铝基合金在变形过程早期断裂失效的可能性。5)在合金强度方面，Nb元素的添加提高了合金的激活能，进而提高合金在700℃以上的抗蠕变性能。

本发明中，采用热等静压制备坯体，再进行后续热挤压与铸造这一过程中不会产生缩孔、缩松等缺陷，包套内的预合金粉末在热等静压高压容器内经受高温高压的联合作用，强化了压制和烧结过程，降低了粉末的烧结温度，控制了晶粒长大速率，使组织均匀，消除内部颗粒间的缺陷和孔隙，再进一步进行挤压细化晶粒提高材料的致密度和强度，且基体组织更加细小均匀，不存在成分偏析，可以提高钛铝基复合材料的强度、塑性和韧性。基体组织的晶粒越细小，晶界(晶界是位错运动的障碍，因而晶粒越细小，晶界越多，位错被阻碍的地方就越多，钛铝基复合材料的强度就越高)越多，从而对钛铝基复合材料起到强化左右；同时，当塑性总变形量一定时，细化晶粒后可以使位错在更多的晶粒中产生运动，使塑形变形更均匀，不易在晶界处产生应力集中，从而提高塑性与韧性。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过添加Nb并确定Nb的最佳加入量，能够有效提高钛铝基合金中的β相的含量，能够降低钛铝基合金在高温下的抗变形能力，提高钛铝基合金的高温抗冲击性能。

2、本发明采用粉末冶金方法引入韧性相Nb增韧钛铝合金，增韧体Nb在钛铝基基体中分布均匀，增韧效果更好。

3、本发明制备方法的工艺步骤简单，生产周期较短，且原料简单易得，成本低廉。

4、本发明的工艺操作采用热等静压和挤压方法所制备的钛铝基复合材料棒材的致密度相比于传统铸造方法制备的钛铝合金大大提高，所制备的钛铝复合材料棒材与常规钛铝合金棒材相比，基体组织更加细小均匀，不存在成分偏析，钛铝基复合材料的强度、塑性和韧性更优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明实施例1制备的钛铝基复合材料棒材的金相照片。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

如图1所示，一种钛铝基复合材料棒材的制备方法，包括以下步骤：

(1)以粒度为-100目的钛铝预合金粉(氧含量为0.47％)和粒度为-150目的Nb粉(氧含量为0.34％)为原料，采用V型混料机将上述钛铝预合金粉与Nb粉混合8h，混合过程始终采用氩气进行保护；其中，钛铝预合金粉中各元素的原子比含量：Al：45％、Nb：7％、W：0.4％，其余为Ti，Nb粉的体积比含量为钛铝预合金粉与Nb粉总量的2％；

(2)将步骤(1)中混合后的粉末装入圆柱形不锈钢包套，该不锈钢包套尺寸为φ60×150mm(即内径d为60mm，h为150mm，下同)，再用不锈钢端盖密封然后抽真空焊合，然后开始进行热等静压处理，热等静压处理时温度控制为1250℃，压强控制为170Mpa，保压时间控制为5h，制得热等静压坯；

(3)将步骤(2)制得的热等静压坯去除原先的不锈钢包套后放入挤压包套中，该挤压包套是φ52×135mm的不锈钢包套(即内径d为52mm，h为135mm，下同)，再用不锈钢盘端盖密封然后真空焊合，然后开始进行热挤压处理，挤压时温度控制为1250℃，保温时间控制为2h，挤压比控制为4:1，空冷后得到棒材放入已升温至900℃的箱式电阻炉保温2h，随炉冷却后制得本实施例中的棒材。

通过排水法对本实施例制备的钛铝合金复合材料棒材进行测试，测得钛铝合金复合材料棒材的合金致密度为99.9％，在800℃，应变速率1600s^-1条件下的高温抗拉强度为698MPa，延伸率为3.8％。

本实施例制备的钛铝合金复合材料棒材的金相组织照片如图2所示，由图2可见，本发明制备的钛铝合金复合材料棒材产品致密性良好，合金组织细小，增韧体Nb分布均匀。

对比例1：

一种钛铝基复合材料棒材的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于本对比例中的钛铝预合金粉中各元素的原子比含量：Al：45％、Nb：10％、W：0.4％，其余为Ti，Nb粉的体积比含量为钛铝预合金粉与Nb粉总量的10％。

本对比例中制备得到的复合材料通过排水法进行测试，测得钛铝合金复合材料棒材的合金致密度为99.9％，在800℃，应变速率1600s^-1条件下的高温抗拉强度为520MPa，延伸率为1.2％。

对比例2：

一种钛铝基复合材料棒材的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于本对比例中的钛铝预合金粉中各元素的原子比含量：Al：45％、Nb：1％、W：0.4％，其余为Ti，Nb粉的体积比含量为钛铝预合金粉与Nb粉总量的1％。

本对比例中制备得到的复合材料通过排水法进行测试，测得钛铝合金复合材料棒材的合金致密度为99.9％，在800℃，应变速率1600s^-1条件下的高温抗拉强度为489MPa，延伸率为2.2％。

实施例2：

(1)以粒度为-50目的钛铝预合金粉(氧含量为0.47％)和粒度为-150目的Nb粉(氧含量为0.34％)为原料，采用V型混料机将上述钛铝预合金粉与Nb粉混合8h，混合过程始终采用氩气进行保护；其中，钛铝预合金粉中各元素的原子比含量：Al：45％、Nb：5％、W：0.4％，其余为Ti，Nb粉的体积比含量为钛铝预合金粉与Nb粉总量的4％；

(2)将步骤(1)中混合后的粉末装入圆柱形不锈钢包套，该不锈钢包套尺寸为φ60×150mm，再用不锈钢端盖密封然后抽真空焊合，然后开始进行热等静压处理，热等静压处理时温度控制为1250℃，压强控制为170Mpa，保压时间控制为5h，制得热等静压坯；

(3)将步骤(2)制得的热等静压坯去除原先的不锈钢包套后放入挤压包套中，该挤压包套是φ52×135mm的不锈钢包套，再用不锈钢盘端盖密封然后真空焊合，然后开始进行热挤压处理，挤压时温度控制为1250℃，保温时间控制为2h，挤压比控制为4:1，空冷后得到棒材放入已升温至900℃的箱式电阻炉保温2h，随炉冷却后制得本实施例中的棒材。

通过排水法对本实施例制备的钛铝合金复合材料棒材进行测试，测得钛铝合金复合材料棒材的合金致密度为99.6％，在800℃，应变速率1600s^-1条件下的高温抗拉强度678Mpa，延伸率为3.1％。

实施例3：

(3)将步骤(2)制得的热等静压坯去除原先的不锈钢包套后放入挤压包套中，该挤压包套是φ52×135mm的不锈钢包套(即内径d为52mm，h为135mm，下同)，再用不锈钢盘端盖密封然后真空焊合，然后开始进行热挤压处理，挤压时温度控制为1250℃，保温时间控制为2h，挤压比控制为6:1，空冷后得到棒材放入已升温至900℃的箱式电阻炉保温2h，随炉冷却后制得本实施例中的棒材。

通过排水法对本实施例制备的钛铝合金复合材料棒材进行测试，测得钛铝合金复合材料棒材的合金致密度为99.9％，抗拉强度为686MPa，延伸率为3.6％。

对比例3：

一种钛铝基复合材料棒材的制备方法，与实施例3相比，不同之处在于本对比例中的挤压比为2:1。

本对比例中制备得到的复合材料通过排水法进行测试，测得钛铝合金复合材料棒材的合金致密度为98.9％，在800℃，应变速率1600s^-1条件下的高温抗拉强度为598MPa，延伸率为2.1％。

Claims

1.一种Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛铝预合金粉与Nb粉混合均匀时，所述Nb粉的体积占所述钛铝预合金粉与Nb粉总体积的2～8％。

3.根据权利要求1所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛铝预合金粉的成分按原子百分比计为：Al：43～47％、Nb：2～7％、不超过0.6％的W，其余为Ti。

4.根据权利要求1所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述钛铝预合金粉的粒度控制为-50目～-100目，所述Nb粉的粒度控制为-100目～-200目。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述混合时采用的设备为球磨机或V型混料机，混合过程中采用惰性气体保护，混合时间为6～8h。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述热等静压处理在热等静压包套中进行，所述热等静压包套为不锈钢包套，所述不锈钢包套的一端开口，一端封闭，所述热等静压包套的高径比为2：1～5：1。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述热挤压处理在热挤压包套中进行，所述热挤压包套为不锈钢包套，所述不锈钢包套的一端开口，一端封闭，所述热挤压包套的高径比控制为2：1～5：1，包套内壁依次装入钼片和防火布后再装入热等静压坯后真空焊合。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中热等静压处理时，热等静压温度控制为1200～1300℃，压强控制为150～200MPa，保压时间控制为3-7h。

9.根据权利要求1～4中任一项所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中高温热挤压处理时，热挤压温度控制为1200～1300℃，保温时间控制为1h～3h，挤压比控制为4:1～6:1。

10.根据权利要求1～4中任一项所述的Nb增韧钛铝基合金复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中热处理时，热处理温度控制为800～1000℃，保温时间控制为1～3h。