CN109719298A - 一种具有核壳结构的TiAl基合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有核壳结构的TiAl基合金材料，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：质量百分比为4％～12％的Ti‑6Al‑4V粉末，余量为Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb粉末。本发明还公开了一种具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，将Ti‑6Al‑4V粉末和Ti‑48Al‑2Cr‑2Nb粉末按照比例在转速200r/min条件下混合30分钟后，进行热等静压烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min，烧结压力为30MPa；其中，Ti‑6Al‑4V粉末的质量百分比为4％～12％。

Description

一种具有核壳结构的TiAl基合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及结构材料领域，具体涉及一种具有核壳结构的TiAl基合金材料及其制备方法。

背景技术

TiAl基合金具有良好的高温性能，是一种非常有前景的高温结构材料。近年来，随着航空航天的快速发展，对航空零部件各项性能的要求也相应的提高，尤其是延展性能。但传统的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末制备出来的TiAl基合金难以克服的室温脆性抑制了它的发展。常规的冷加工手段难以对其进行加工，因此研究通过热加工的手段对其进行加工是非常有必要的。目前，随着预合金粉末制备技术的成熟，研究者发现通过向预合金粉末中添加其它合金杂性能会更优越，因此这一方法也受到越来越多人的认可。

现通过粉末冶金的方法制备了一种以预合金粉末(Ti-48Al-2Cr-2Nb)为核，以预合金粉末(Ti-6Al-4V)为壳的核壳结构γ-TiAl基合金，通过形成核壳结构来改善TiAl基合金的性能。

发明内容

本发明设计开发了一种具有核壳结构的TiAl基合金材料，本发明的发明目的之一是通过以预合金粉末(Ti-48Al-2Cr-2Nb)为核，同时以预合金粉末(Ti-6Al-4V)为壳得到核壳结构γ-TiAl基合金以解决TiAl基合金的低温脆性、高温低延展性问题。

本发明的发明目的之二是通过调节Ti-6Al-4V粉末的质量百分比以更好的改善合金材料的加工塑形和延展性。

本发明设计开发了一种具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，本发明的发明目的是通过加入一定量的Ti-6Al-4V合金粉末，解决TiAl基合金的低温脆性、高温低延展性问题。

本发明提供的技术方案为：

一种具有核壳结构的TiAl基合金材料，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为4％～12％的Ti-6Al-4V粉末，余量为Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

优选的是，所述Ti-6Al-4V粉末粒径为不大于45μm；以及

所述Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末粒径为120～150μm。

优选的是，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为4％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为96％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

优选的是，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为8％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为92％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

优选的是，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为12％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为88％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

一种具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，将Ti-6Al-4V粉末和Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末按照比例在转速200r/min条件下混合30分钟后，进行热等静压烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min，烧结压力为30MPa；

其中，Ti-6Al-4V粉末的质量百分比为4％～12％。

优选的是，所述Ti-6Al-4V粉末粒径为不大于45μm；以及

所述Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末粒径为120～150μm。

优选的是，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为4％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为96％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

优选的是，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为8％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为92％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

优选的是，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为12％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为88％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

本发明与现有技术相比较所具有的有益效果：

1、本发明提供的合金材料与100％成分的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金相比，核壳结构合金的高温抗拉强度降低很小，但是大大提高了其塑性；这种核壳结构设计可以在材料变形中很好地改善TiAl基材料的塑性，有利于材料加工成型；

2、本发明提供的通过调节Ti-6Al-4V粉末的质量百分比，可以更好的改善合金材料的加工塑形和延展性。

附图说明

图1是实施例1中制备的烧结组织扫描电镜。

图2是实施例1中制备的烧结组织能谱图片。

图3是实施例2中制备的烧结组织扫描电镜。

图4是实施例2中制备的烧结组织能谱图片。

图5是实施例3中制备的烧结组织扫描电镜。

图6是实施例3中制备的烧结组织能谱图片。

图7是实施例4中制备的烧结组织扫描电镜。

图8是实施例4中制备的烧结组织能谱图片。

图9是实施例5中制备的烧结组织扫描电镜。

图10是实施例5中制备的烧结组织能谱图片。

图11是对比例的烧结组织形貌图片。

图12是实施例1～5中制备的烧结组织在应变速率5×10^-5s^-1，温度800℃进行应力拉伸试验的应力应变曲线。

图13是实施例1～5中制备的烧结组织在应变速率5×10^-5s^-1，温度900℃进行应力拉伸试验的应力应变曲线。

图14是实施例1～5中制备的烧结组织在应变速率5×10^-5s^-1，温度1000℃进行应力拉伸试验的应力应变曲线。

图15是对比例制备的烧结组织在应变速率5×10^-5s^-1，温度800℃～1000℃进行应力拉伸试验的应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种具有核壳结构的TiAl基合金材料，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：质量百分比为4％～12％的Ti-6Al-4V粉末，余量为Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末；其中，Ti-6Al-4V粉末粒径为不大于45μm，Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末粒径为120～150μm。

本发明还提供了一种具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，按照比例将粉末充分混合，混合粉末的时间为30分钟，转速200r/min；将混合后的粉末在真空热压烧结炉中进行热等静压烧结，温度为1200℃，烧结时间为60min，压强为30MPa。

实施例

如表1所示，按照如下质量将原料粉末充分混合，混合粉末的时间为30分钟，转速200r/min；将混合后的粉末在真空热压烧结炉中进行热等静压烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min，压强为30MPa。

表1原料质量比例表

实施例	Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末(g)	Ti-6Al-4V粉末(g)	烧结温度(℃)
				实施例1	48	2	1200
实施例2	47	3	1200
				实施例3	46	4	1200
实施例4	45	5	1200
				实施例5	44	6	1200

对比例

取Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末50克。将粉末在真空热压烧结炉中进行预压，然后进行热等静压，在真空条件下进行烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min，压强为30MPa。

试验例

分别对实施例1～5和对比例进行应力拉伸试验，试验条件如表2所示。

表2原料质量比例表

试验结果分析

如图1～10所示，可见烧结后的组织为(γ-TiAl+α₂-Ti₃Al)+(α+β)，如图2、4、6、8、10所示，在能谱图片中，浅色区域为预合金粉末形成的(γ-TiAl+α₂-Ti₃Al)组织，深色区域为分布在预合金粉末四周的(α+β)。Ti-6Al-4V添加的含量不同直接导致包覆在核周围的厚度不同，添加4％Ti-6Al-4V、6％Ti-6Al-4V、8％Ti-6Al-4V、10％Ti-6Al-4V和12％Ti-6Al-4V的试样中Ti-6Al-4V粉末包围在预合金组织周围的厚度分别为0.310μm、0.401μm、0.593μm、0.812μm和0.921μm，并且添加量较少时还会发现包裹不完全的现象。

这种结构设计的优点是：Ti-6Al-4V颗粒与预合金组织紧密结合，形成了一种新型的核壳结构。通过加入常规的Ti-6Al-4V粉末，获得高延展性能的TiAl基材料。使用较小粒度Ti-6Al-4V粉末为壳，以填补较大粒度Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末之间的孔隙，提高其致密度。较软的Ti-6Al-4V粉末均匀的包裹在较硬的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末形成了外软内硬的核壳结构，基本上保持了原有的预合金粉末烧结的组织结构，其强度没有降低或降低很少，可以达到预期的强度。真空热压烧结对其进行预压，保持一定时间可以得到较大的压制密度，制备的TiAl基材料组织均匀、具有较高的强度，良好的塑性，且价格便宜；在试验过程中通过该试验结果分析及性能对比，发现该具有核壳结构的钛铝基合金的塑性(延伸率)和强度的综合性能的情况下呈现一个开口向下的抛物线趋势，即当Ti-6Al-4V粉末的添加量在0％-8％的时候，强度随着添加量的增加而减少，延伸率随着添加量的增加而增加；当Ti-6Al-4V粉末的添加量在8％-12％的时候，强度随着添加量的增加而减少，延伸率随着添加量的增加而减少。最终发现在8％Ti-6Al-4V粉末的添加量时，延伸率最大，强度和未添加的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金相近，因此在本专利中，选用4％-12％的质量百分比能够得到更好的改善加工塑形和延展性的合金材料。

如图11、15所示，图中可以发现组织(γ-TiAl+α₂-Ti₃Al)相，晶粒之间结合性较好。由于粉末本身为硬质颗粒，在晶界处发现了较少的空隙，未达到其使用的致密度，在应变速率为5×10^-5s^-1，温度800～1000℃的拉伸条件下，强度分别为375MPa、181MPa和82MPa，延伸率分别为24％、42％和102.5％。

如图12～14所示，实施例1～5中制备的烧结材料的应力应变曲线，可以发现随着温度的升高，在8％Ti-6Al-4V粉末添加的条件下，达到最高的延伸率。虽然12％Ti-6Al-4V粉末添加同样达到了较高的延伸率，但是其应力较低无法达到使用强度。

如图15所示，对比例中未添加Ti-6Al-4V粉末的烧结材料的应力应变曲线，随着温度的升高，强度降低，延伸率提高，但是和8％Ti-6Al-4V粉末添加的烧结材料对比发现，未添加的材料强度和延伸率低于添加8％的烧结材料。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种具有核壳结构的TiAl基合金材料，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为4％～12％的Ti-6Al-4V粉末，余量为Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

2.如权利要求1所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料，其特征在于，所述Ti-6Al-4V粉末粒径为不大于45μm；以及

所述Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末粒径为120～150μm。

3.如权利要求2所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为4％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为96％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

4.如权利要求2所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为8％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为92％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

5.如权利要求2所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为12％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为88％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

6.一种具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，其特征在于，将Ti-6Al-4V粉末和Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末按照比例在转速200r/min条件下混合30分钟后，进行热等静压烧结，烧结温度为1200℃，烧结时间为60min，烧结压力为30MPa；

其中，Ti-6Al-4V粉末的质量百分比为4％～12％。

7.如权利要求6所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，其特征在于，所述Ti-6Al-4V粉末粒径为不大于45μm；以及

所述Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末粒径为120～150μm。

8.如权利要求7所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为4％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为96％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

9.如权利要求7所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为8％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为92％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。

10.如权利要求7所述的具有核壳结构的TiAl基合金材料的制备方法，其特征在于，所述合金材料由以下质量百分比的原材料组成：

质量百分比为12％的Ti-6Al-4V粉末，质量百分比为88％的Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末。