CN108856708A - 一种具有梯度组织的TiAl系材料及其制造方法 - Google Patents

一种具有梯度组织的TiAl系材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有梯度显微组织的TiAl系材料及其制备方法，其中，所述TiAl系材料的外层材料为全片层组织，内部材料为双态组织，所述全片层组织与双态组织之间紧密结合。本发明使TiAl系材料的外层为抗蠕变能力最优的全片层显微组织，内部为强度较高的双态组织，外层与内部界面结合良好，实现叶片强度与抗蠕变能力的最优化。

Description

一种具有梯度组织的TiAl系材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，特别是涉及一种具有梯度组织的TiAl系材料及其制造方法。
背景技术
目前，TiAl零件的制备方法主要有铸造、锻造、粉末冶金法。通过成型工艺参数及后续热处理制度的控制可得到具有不同的显微组织的均匀材料。
TiAl零件一般在650℃以上服役，其强度与抗蠕变能力为重要性能指标。全片层显微组织的抗蠕变性能最优，但强度较低；双态组织的强度高，但抗蠕变能力稍弱。具有均匀显微组织的零件无法同时实现这两种性能的最优化。在服役条件下，零件的外层的温度最高，因此其抗蠕变性能更重要，叶片本身的强度和刚度则由内部材料保证。采用铸造、锻造以及粉末冶金等传统方法制备TiAl材料的化学成分无偏析，因此显微组织也较为均匀，难以调整材料局部的显微组织，因此也无法制造出具有多层显微组织的TiAl零件。
发明内容
本发明提供了一种具有梯度显微组织的TiAl系材料及其制备方法，使TiAl系材料外层为抗蠕变能力最优的全片层显微组织，内部为强度较高的双态组织，外层与内部界面结合良好，实现叶片强度与抗蠕变能力的最优化。
本发明提供了一种具有梯度组织的TiAl系材料，所述TiAl系材料的外层材料为全片层组织，内部材料为双态组织，所述全片层组织与双态组织之间紧密结合。
进一步地，所述外层材料均为全片层组织，其厚度为0.5~3mm，所述内部材料均为双态组织。
本发明提供了一种具有梯度显微组织的TiAl系材料，该TiAl系材料的外层材料为抗蠕变能力最优的全片层显微组织，内部材料为强度较高的双态组织，外层与内部界面结合良好，实现叶片强度与抗蠕变能力的最优化。
本发明还提供了一种具有梯度组织的TiAl系材料的制造方法，包括：
采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料；
分别测定所述外层材料和内部材料的α相变点温度后，选择两者之间的较低温度对所述TiAl系材料进行热处理，将外层材料转变为全片层组织，内部材料转变为双态组织，形成具有梯度组织零件的制造。
进一步地，所述采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料步骤中，成型腔的真空度为1×10-3Pa~3×10-3Pa。
进一步地，所述采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料步骤中，所述外层材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为20~30mA，加速电压为50~65kV，扫描速率为300~800mm/s，聚焦电流为700~850mA，单层铺粉厚度为0.05~0.10mm。
进一步地，所述内部材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为10~15mA，加速电压为50~65kV，扫描速率为1200~2000mm/s，聚焦电流为700~850mA，单层铺粉厚度为0.05~0.10mm。
本发明提供了一种具有梯度显微组织的TiAl系材料的制造方法，制造的TiAl系材料的外层材料为抗蠕变能力最优的全片层显微组织，内部材料为强度较高的双态组织，同时本方法采用调整电子束能量的方法形成显微组织自然过渡，保证了良好的界面结合，使外层与内部界面结合良好，实现叶片强度与抗蠕变能力的最优化。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的一种具有梯度组织的TiAl系材料的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种具有梯度组织的TiAl系材料的制造方法的流程图；
图3为本发明实施例的一种具有梯度组织的TiAl材料的宏观金相图；
图4为本发明实施例的一种具有梯度组织的TiAl材料的全片层显微组织和双态组织的过渡界面金相图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种具有梯度组织的TiAl系材料，材料中其中Al含量为20-55 at.%，如图1所示，所述TiAl系材料的外层材料1为全片层组织，内部材料2为双态组织，所述全片层组织与双态组织之间紧密结合。在一个优选地实施例中，所述外层材料1均为全片层组织，其厚度为0.5~3mm，所述内部材料2均为双态组织；另外，在内部材料中可选择地设置有冷却气流通道3。本发明提供的一种具有梯度显微组织的TiAl系材料，该TiAl系材料的外层材料为抗蠕变能力最优的全片层显微组织，内部材料为强度较高的双态组织，外层与内部界面结合良好，实现叶片强度与抗蠕变能力的最优化。
本发明实施例还提供了一种具有梯度组织的TiAl系材料的制造方法，如图2所示，包括：
步骤S10，采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料；
步骤S20，分别测定所述外层材料和内部材料的α相变点温度后，选择两者之间的较低温度对所述TiAl系材料进行热处理，将外层材料转变为全片层组织，内部材料转变为双态组织，形成具有梯度组织零件的制造。
在本发明实施例的一个方面，所述采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料步骤中，成型腔的真空度为1×10-3Pa~3×10-3Pa。
在本发明实施例的一个方面，所述采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料步骤中，所述外层材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为20~30mA，加速电压为50~65kV，扫描速率为300~800mm/s，聚焦电流为700~850mA，单层铺粉厚度为0.05~0.10mm。
在本发明实施例的一个方面，所述内部材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为10~15mA，加速电压为50~65kV，扫描速率为1200~2000mm/s，聚焦电流为700~850mA，单层铺粉厚度为0.05~0.10mm。
本发明提供的一种具有梯度显微组织的TiAl系材料的制造方法，制造的TiAl系材料的外层材料为抗蠕变能力最优的全片层显微组织，内部材料为强度较高的双态组织，同时本方法采用调整电子束能量的方法形成显微组织自然过渡，保证了良好的界面结合，使外层与内部界面结合良好，实现叶片强度与抗蠕变能力的最优化。
在本发明具体实施例中，采用电子束选区熔化增材制造方法实现TiAl（名义成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb）叶片结构的成型，随后进行热处理调整材料表面与内部显微组织。
实施例一
叶片外层材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为20mA、加速电压为50kV、扫描速率为300mm/s、聚焦电流为700mA、单层铺粉厚度为0.05mm。
叶片内部材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为10mA，加速电压为50kV，扫描速率为1200mm/s，聚焦电流为700mA，单层铺粉厚度为0.05mm。
测定外层材料α相变点1290oC，内部材料α相变点为1350 oC。将材料在1300 oC，100MPa进行热等静压4小时，形成的材料显微组织如图3和图4所示，外层为全片层组织，内部为细晶双态组织，之间界面结合良好。
实施例二
外层材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为30mA，加速电压为65kV，扫描速率为800mm/s，聚焦电流为850mA，单层铺粉厚度为0.10mm。
内部材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为15mA，加速电压为65kV，扫描速率为2000mm/s，聚焦电流为850mA，单层铺粉厚度为0.10mm。
测定外层材料α相变点1330oC，内部材料α相变点为1380 oC。将材料在1340 oC，100MPa进行热等静压4小时，形成的材料显微组织，外层为全片层组织，内部为细晶双态组织，之间界面结合良好。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种具有梯度组织的TiAl系材料，其特征在于，所述TiAl系材料的外层材料为全片层组织，内部材料为双态组织，所述全片层组织与双态组织之间紧密结合。
2.如权利要求1所述的具有梯度组织的TiAl系材料，其特征在于，所述外层材料均为全片层组织，其厚度为0.5~3mm，所述内部材料均为双态组织。
3.一种具有梯度组织的TiAl系材料的制造方法，其特征在于，包括：
采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料；
分别测定所述外层材料和内部材料的α相变点温度后，选择两者之间的较低温度对所述TiAl系材料进行热处理，将外层材料转变为全片层组织，内部材料转变为双态组织，形成具有梯度组织零件的制造。
4.如权利要求3所述的具有梯度组织的TiAl系材料的制造方法，其特征在于，所述采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料步骤中，成型腔的真空度为1×10-3Pa~3×10-3Pa。
5.如权利要求3所述的具有梯度组织的TiAl系材料的制造方法，其特征在于，所述采用电子束选区熔化增材制造方法制造TiAl系材料的外层材料和内部材料步骤中，所述外层材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为20~30mA，加速电压为50~65kV，扫描速率为300~800mm/s，聚焦电流为700~850mA，单层铺粉厚度为0.05~0.10mm。
6.如权利要求3所述的具有梯度组织的TiAl系材料的制造方法，其特征在于，所述内部材料制造选用的工艺参数为：电子束电流为10~15mA，加速电压为50~65kV，扫描速率为1200~2000mm/s，聚焦电流为700~850mA，单层铺粉厚度为0.05~0.10mm。
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