CN108251693A - 一种高强高塑性三相TiAl合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于TiAl合金材料制备技术领域,具体涉及一种高强高塑性三相TiAl合金及其制备方法。高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有40%~44%Al、4%~7%V、0.5~2Cr、0~1%Mo、0.05%B或Y,余量为Ti和不可避免的杂质,其中,氧含量≤0.1wt%、氮含量≤0.015wt%、氢含量≤0.01wt%。本发明成分范围的三相TiAl合金中B2相中不存在脆性的ω相析出,本发明中B2相的变形能力明显提高,B2相与γ相可以协调变形,提高了三相TiAl合金的室温塑性;本发明成分TiAl合金结合(α+β)两相区热加工,可以有效调控γ,α2和B2相的组成比例,获得具有强度达到1100MPa以上,同时塑性伸长率达到2.5%以上的高强高塑性三相TiAl合金材料,在强度塑性匹配方面具有显著优势。
Description
技术领域
本发明属于TiAl合金材料制备技术领域,具体涉及一种高强高塑性三相TiAl合金及其制备方法。
背景技术
TiAl合金具有密度低(3.8~4.2g/cm3)、模量高和优异的高温比强度、抗蠕变、抗氧化和阻燃等性能特点,可在600~850℃环境下长时间服役,已经成为新一代轻质耐高温材料。随着TiAl合金体系的不断发展,(γ+α2+B2)三相TiAl合金因其具有较为优异的热变形能力而受到广泛关注。三相TiAl合金由于Al含量较低,具有较传统两相TiAl合金更高的强度,但是根据现有三相TiAl合金中室温存在的室温存在的B2相变形能力差,且B2相与γ相之间的变形能力差异较大,不利于两相间的协调变形,导致三相TiAl合金的室温塑性较差。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题,提供一种一种高强高塑性三相TiAl合金及其制备方法。
本发明的技术解决方案是,高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有40%~44%Al、4%~7%V、0.5~2Cr、0~1%Mo、0.05%B或Y,余量为Ti和不可避免的杂质,其中,氧含量≤0.1wt%、氮含量≤0.015wt%、氢含量≤0.01wt%。
高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有42%~44%Al、6%~7%V和Cr、0~1%Mo、0.05%B或Y,余量为Ti和不可避免的杂质。
高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有42~43%Al、5~6%V、1%Cr、0~1%Mo、0.05%B,余量为Ti和不可避免的杂质。
高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有42.5%Al、6%V、1~2%Cr、0.5%Mo、0.05%B,余量为Ti和不可避免的杂质。
制备高强高塑性三相TiAl合金的方法包括以下步骤:
步骤一:按照权利1所述的高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量,将海绵钛、高纯铝、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金、纯Cr或Al-Cr中间合金、Al-Ti-B中间合金混合均匀,将原材料压制成电极块;
步骤二:将步骤一中所述的电极块置于真空自耗电弧炉的坩埚内进行熔炼,熔炼三次,每次熔炼真空度小于1Pa,熔炼电流根据锭型尺寸在3kA~6kA范围内,三次熔炼后获得直径200mm~240mm铸锭;
步骤三:经过锻造或挤压加工,获得高强高塑性三相TiAl合金。
步骤一中选用纯度为99.9%海绵钛、99.99%铝豆、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金、99.9%纯铬、Al-Ti-B中间合金。
步骤二中TiAl合金铸锭氧含量不高于0.1%,N含量不高于0.015%。
步骤三中的锻造或挤压加工为(α+β)相区加工,加工后为近层片组织,900℃退火处理,获得高强度高塑性三相TiAl合金。
本发明具有的优点和有益效果,本发明通过在TiAl合金中添加V、Cr、Mo等β稳定元素获得具有较好室温变形能力的B2相,熔炼和变形加工后,制备出高强度高塑性匹配的三相TiAl合金材料。
TiAl合金的性能对成分与组织构成非常敏感,首先本发明成分中添加V、Cr、Mo等β稳定元素获得具有较好室温变形能力的B2相和γ相;其次,本发明成分范围的三相TiAl合金中B2相中不存在脆性的ω相析出,本发明中B2相的变形能力明显提高,B2相与γ相可以协调变形,提高了三相TiAl合金的室温塑性;本发明成分TiAl合金结合(α+β)两相区热加工,可以有效调控γ,α2和B2相的组成比例,获得具有强度达到1100MPa以上,同时塑性伸长率达到2.5%以上的高强高塑性三相TiAl合金材料,在强度塑性匹配方面具有显著优势。本发明得到了组织均匀的三相TiAl合金近层片组织,其具有高强度高塑性特征,严格执行整个工艺过程,材料批次性能稳定性好。
附图说明
图1实施例1的三相TiAl金属间化合物Ti-42Al-6V-1Cr-0.5Mo-0.05B变形态合金SEM组织形貌;
图2实施例1的三相TiAl金属间化合物Ti-42Al-6V-1Cr-0.5Mo-0.05B合金中B2相的高分辨;
图3实施例1的三相TiAl金属间化合物Ti-42Al-6V-1Cr-0.5Mo-0.05B挤压态合金室温拉伸曲线;
图4实施例2的三相TiAl金属间化合物Ti-43Al-5V-1Cr-0.5Mo-0.05B合金室温拉伸变形后TEM形貌
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
本发明的一种高强高塑性三相TiAl合金,其特征在于高强高塑性TiAl合金按原子百分含量含有40%~44%Al、6%~8%V和Cr、0~1%Mo、0.05%B或Y,余量为Ti和不可避免的杂质。其中,氧含量≤0.1wt%、氮含量≤0.015wt%、氢含量≤0.01wt%。
本发明的一种高强高塑性三相TiAl合金的制备方法,是通过下述步骤实现的:
(1)、将海绵钛、高纯铝、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金、纯Cr、Al-Ti-B中间合金混合均匀,将物料压制成一定尺寸的电极块;
(2)、将步骤(1)中所述的电极块置于真空自耗电弧炉的坩埚内进行熔炼,熔炼三次,每次熔炼真空度要求小于1Pa,熔炼电流根据锭型尺寸在3kA~6kA范围内,三次熔炼后获得直径200mm~240mm铸锭;
(3)、经过锻造或挤压加工,获得高强度高塑性三相TiAl合金。
本发明步骤(1)中选用纯度为99.9%海绵钛、99.99%铝豆、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金、99.9%纯铬、Al-Ti-B合金棒料。
本发明步骤(2)中TiAl合金铸锭氧含量低于0.1%,N含量小于0.02%。
本发明步骤(3)中的锻造或挤压加工为(α+β)相区加工,加工后为均匀的近层片组织,900℃退火处理。
实施例1
本实施例的高强高塑性TiAl合金材料制备通过下述步骤实现:一、配制如下原料:海绵钛、高纯铝、纯Cr、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金和Al-Ti-B中间合金,其中42at.%Al、6at.%V、1at.%Cr、0.5at.%Mo、0.05at.%B、50.45at.%Ti;二、将步骤一的原料按配比混合均匀,通过压力机进行电极块的压制成型;三、将步骤二中所述的电极块置于真空自耗电弧炉的坩埚内进行熔炼,熔炼三次,每次熔炼真空度要求小于1Pa,熔炼电流根据锭型尺寸的增加在3kA~6kA范围内逐渐增加,三次熔炼后获得直径220mm的TiAl合金铸锭;四、将铸锭车削加工至表面粗糙度Ra达到3.2以下,装入不锈钢包套并完成封焊,在Tγ,solv+(30~50℃)的(α+β)两相区进行挤压(其中Tγ,solv指的是γ相完全溶解的温度),挤压比在8~12之间,获得均匀的近层片组织状态。
利用扫描电子显微镜观察发现,Ti-42Al-6V-1Cr-0.5Mo-0.05B合金中主要含有γ/α2片层团、γ和B2晶粒,见图1;
为了确定合金中B2相的微结构,大量观察了B2晶粒的高分辨像,见图2,发现Ti-42Al-6V-1Cr-0.5Mo-0.05B合金的B2相中不存在其它结构相,如含Nb三相TiAl合金的B2相中通常含有ω相,而ω相的存在会导致B2晶粒结构的变形能力降低,这是本发明合金不同于含Nb三相TiAl合金的一个重要特征。
图3是挤压态Ti-42Al-6V-1Cr-0.5Mo-0.05B合金的室温拉伸曲线,结果表明,合金的室温抗拉强度达到1150MPa,塑性伸长率2.5%,具有优异的强度和塑性匹配;800℃拉伸强度仍然维持在860MPa以上。
实施例2
本实施例的高强高塑性TiAl合金材料制备通过下述步骤实现:一、配制如下原料:海绵钛、高纯铝、纯Cr、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金和Al-Ti-B中间合金,其中43at.%Al、5at.%V、1at.%Cr、0.5Mo、0.05at.%B、50.45at.%Ti;二、将步骤一的原料按配比混合均匀,通过压力机进行电极块的压制成型;三、将步骤二中所述的电极块置于真空自耗电弧炉的坩埚内进行熔炼,熔炼三次,每次熔炼真空度要求小于1Pa,熔炼电流根据锭型尺寸的增加在3kA~6kA范围内逐渐增加,三次熔炼后获得直径220mm的TiAl合金铸锭;四、将铸锭车削加工至表面粗糙度Ra达到3.2以下,装入不锈钢包套并完成封焊,在1270℃的(α+β)两相区进行包套锻造,锻造变形量约85%,获得均匀的近层片组织状态。
针对锻造变形态的Ti-43Al-5V-1Cr-0.5Mo-0.05B合金拉伸性能测试后,发现其室温强度1106MPa,塑性伸长率2.5%,强度和塑性匹配优异。
本发明中三相TiAl合金具有优异的强度和塑性匹配,主要是由于合金化元素V、Cr、Mo元素的添加,及其合理化配比,研究发现本发明三相TiAl合金中B2和γ晶粒具有较好的变形协调能力,见图4,γ相的孪生变形诱发了B2相产生位错,这对于抑制合金中裂纹的萌生有重要作用。
实施例3
本实施例的高强高塑性TiAl合金材料制备通过下述步骤实现:一、配制如下原料:海绵钛、高纯铝、纯Cr、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金和Al-Ti-B中间合金,其中43at.%Al、6at.%V、0.5at.%Cr、0.5Mo、0.05at.%B、49.95at.%Ti;二、将步骤一的原料按配比混合均匀,通过压力机进行电极块的压制成型;三、将步骤二中所述的电极块置于真空自耗电弧炉的坩埚内进行熔炼,熔炼三次,每次熔炼真空度要求小于1Pa,熔炼电流根据锭型尺寸的增加在3kA~6kA范围内逐渐增加,三次熔炼后获得直径220mm的TiAl合金铸锭;四、将铸锭车削加工至表面粗糙度Ra达到3.2以下,装入不锈钢包套并完成封焊,在1270℃的(α+β)两相区进行包套锻造,锻造变形量约85%,获得均匀的近层片组织状态。
针对锻造变形态的Ti-43Al-6V-0.5Cr-0.5Mo-0.05B合金拉伸性能测试后,发现其室温强度1125MPa,塑性伸长率2.6%,强度和塑性匹配优异。
Claims (8)
1.一种高强高塑性三相TiAl合金,其特征在于,高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有40%~44%Al、4%~7%V、0.5~2%Cr、0~1%Mo、0.05%B或Y,余量为Ti和不可避免的杂质,其中,氧含量≤0.1wt%、氮含量≤0.015wt%、氢含量≤0.01wt%。
2.根据权利要求1所述的一种高强高塑性三相TiAl合金,其特征在于,高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有42%~44%Al、6%~7%V和Cr、0~1%Mo、0.05%B或Y,余量为Ti和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种高强高塑性三相TiAl合金,其特征在于高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有42~43%Al、5~6%V、1%Cr、0~1%Mo、0.05%B,余量为Ti和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种高强高塑性三相TiAl合金,其特征在于,高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量含有42.5%Al、6%V、1~2%Cr、0.5%Mo、0.05%B,余量为Ti和不可避免的杂质。
5.一种制备权利要求1所述的一种高强高塑性三相TiAl合金的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一:按照权利1所述的高强高塑性三相TiAl合金按原子百分含量,将海绵钛、高纯铝、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金、纯Cr或Al-Cr中间合金、Al-Ti-B中间合金混合均匀,将原材料压制成电极块;
步骤二:将步骤一中所述的电极块置于真空自耗电弧炉的坩埚内进行熔炼,熔炼三次,每次熔炼真空度小于1Pa,熔炼电流根据锭型尺寸在3kA~6kA范围内,三次熔炼后获得直径200mm~240mm铸锭;
步骤三:经过锻造或挤压加工,获得高强高塑性三相TiAl合金。
6.按照权利要求5所述的制备一种高强高塑性三相TiAl合金的方法,其特征在于,步骤一中选用纯度为99.9%海绵钛、99.99%铝豆、Al-V中间合金、Al-Mo中间合金、99.9%纯铬、Al-Ti-B中间合金。
7.按照权利要求5所述的制备一种高强高塑性三相TiAl合金的方法,其特征在于,步骤二中TiAl合金铸锭氧含量≤0.1wt%、氮含量≤0.015wt%、氢含量≤0.01wt%。
8.按照权利要求5所述的制备一种高强高塑性三相TiAl合金的方法,其特征在于,步骤三中的锻造或挤压加工为(α+β)相区加工,加工后为近层片组织,900℃退火处理,获得高强度高塑性三相TiAl合金。
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GR01 | Patent grant | ||
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