CN110079700A - 一种TiAl合金及其制备方法 - Google Patents

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陈逸
张帅今
张云龙
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Abstract

本发明属于合金材料热处理技术领域，具体涉及一种TiAl合金及其制备方法，所述TiAl合金各原子百分含量如下：Al 38.0‑42.0at.％、V 5.0‑10.0at.％、B 0.1‑0.5at.％、C 0.1‑0.5at.％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。该合金通过提高V含量同时降低Al含量来获得优异的淬透性，使合金从β相区在中等冷速下即可发生马氏体转变，进而通过调整回火处理工艺实现合金使用性能和加工性能的优化。

Description

一种TiAl合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金材料热处理技术领域，具体涉及一种TiAl合金及其制备方法。
背景技术
TiAl基金属间化合物具有低密度，高比强度/比刚度、良好的抗氧化和抗蠕变性能等一系列优异性能，是目前镍基高温合金使用温度下限、高温钛合金使用温度上限之间唯一的轻质耐热结构材料。目前的TiAl合金可分为两大类，一类是包晶凝固TiAl合金，其相变路径大致为L→L+β→α→α2+γ。另一类则是β凝固TiAl合金，其相变路径大致为L→L+β→β→β+α→α→α2+γ。其中后者因具有更高的使用温度区间而成为目前的研究热点。
然而，TiAl合金的本征脆性为其加工和使用带来了巨大困难。一方面导致其综合力学性能不佳，另一方面导致其制造成本大幅度提高。例如，TiAl合金的变形温度一般在1100℃以上，且需要近等温锻造。
发明内容
本发明提供了一种TiAl合金及其制备方法，可以大幅度降低TiAl合金的制造成本，通过提高V含量同时降低Al含量来获得优异的淬透性，使合金从β相区在中等冷速下即可发生马氏体转变，进而通过调整回火处理工艺实现合金使用性能和加工性能的优化。其技术方案如下：
一种TiAl合金，各原子百分含量如下：Al 38.0-42.0at.％、V5.0-10.0at.％、B0.1-0.5at.％、C0.1-0.5at.％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
优选的，所述合金各原子百分含量如下：Al 39.0-42.0at.％、V8.0-9.0at.％、B0.1-0.2at.％、C0.1-0.3at.％，余量为Ti。
优选的，合成原料为海绵钛、铝豆、AlV中间合金、AlTiB、碳粉。采用真空自耗电弧熔炼或气氛保护感应熔炼成锭。优选的，采用一次真空自耗电弧熔炼加一次感应悬浮熔炼，然后进行热等静压以消除缩松缩孔。
上述TiAl合金的制备方法包括以下步骤：
(1)将各原料混合，熔炼成锭；
(2)将铸锭热等静压处理；
(3)将合金加热至β单相区，保温0.1-3h，然后淬火至室温；
(4)将合金回火至600-1200℃，保温0.5-30h，冷却即可。
优选的，步骤(1)中采用真空自耗电弧熔炼法+感应悬浮熔炼各原料。
优选的，步骤(4)中冷却方式为空冷或炉冷至室温。
采用上述方案，本发明具有以下优点：
本发明制备的合金当在900℃-1200℃较高温度下回火后，合金显微组织细小、β相的含量较多，因此表现出良好的塑性和优异的热加工性能；当回火温度600℃-900℃之间较低时，合金为片层组织，表现出较高的硬度强度和良好的高温抗蠕变性能，更适合高温使用。
附图说明
图1中a、b为实施例1中合金在1300℃油淬+1000℃/200min回火后的不同倍镜显微组织图；
图2中c、d为实施例2中合金在1300℃油淬+850℃/1500min回火后的不同倍镜显微组织图。
具体实施方式
以下实施例中的实验方法如无特殊规定，均为常规方法，所涉及的实验试剂及材料如无特殊规定均为常规生化试剂和材料。
实施例1
本实施例TiAl合金的制备过程如下：
取原料海绵钛、铝豆、AlV中间合金、AlTiB、碳粉，通过真空自耗熔炼+感应悬浮熔炼制备出的TiAl合金铸锭，其实际成分为Ti-41.5Al-8.0V-0.1B-0.1C(at.％)，其含有不可避免的杂质。
将铸锭进行热等静压处理，消除锁孔缩松，然后在铸锭上切取试棒。
将各个试棒放入电阻炉中，升温至1320℃，电阻炉的升温速率为10℃/min，当温度达到1320℃后保温40min，随后将试棒油淬至室温。
将淬火后的试样放入电阻炉中，升温至1000℃，电阻炉的升温速率为10℃/min，当温度达到1000℃后保温200min，随后将试棒拿出炉子，空冷至室温。
图1是制备的TiAl合金1300℃/0.5h油淬，随后1000℃/200min回火后的显微组织，可以观察到淬火后的马氏体全部分解完成，转变为细小的(β+γ)组织。
对该组织进行力学性能测试。测试结果表明，在室温下合金的延伸率达3％，而在850℃以上变形时，合金表现出优异的延伸率，延伸率超过100％，强度小于250MPa。该实例表明了该合金经过淬火-高温回火后具有良好的热加工性能。
实施例2
本实施例TiAl合金的制备过程如下：
采用与实施例1相同的铸锭，切取试棒，放入电阻炉内升温至1320℃，电阻炉的升温速率为10℃/min，当温度达到1320℃后保温1h，随后将试棒油淬至室温。
将淬火后的试样放入电阻炉中，升温至850℃，电阻炉的升温速率为10℃/min，当温度达到850℃后保温1500min，随后将铸锭拿出炉子，空冷至室温。
图2是TiAl合金1300℃/0.5h油淬，随后850℃/1500min回火的显微组织，可以观察到淬火马氏体转变成了细小的α2/γ的片层组织，且在残余β相中析出了超细γ晶粒。
对该组织进行力学性能测试。测试结果表明，合金在室温拉伸时的抗拉强度达1000MPa以上，而在750℃拉伸时，合金的抗拉强度达800MPa以上。即使在900℃时抗拉强度仍然超过400MPa。此外，合金在750℃/150MPa条件下的最小蠕变速率为10-9s-1量级。该实例证实了该合金经过淬火-中温回火后具有优异的高温强度和抗蠕变性能。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种TiAl合金，其特征在于：所述合金各原子百分含量如下：Al 38.0-42.0％、V5.0-10.0％、B 0.1-0.5％、C 0.1-0.5％，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的TiAl合金，其特征在于：所述合金各原子百分含量如下：Al39.0-42.0％、V 8.0-9.0％、B 0.1-0.2％、C 0.1-0.3％，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的TiAl合金，其特征在于：合成原料为海绵钛、铝豆、AlV中间合金、AlTiB、碳粉。
4.一种权利要求3所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将各原料混合，熔炼成锭；
(2)将铸锭热等静压处理；
(3)将合金加热至β单相区，保温0.1-3h，然后淬火至室温；
(4)将合金回火至600-1200℃，保温0.5-30h，冷却即可。
5.根据权利要求4所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中采用真空自耗电弧熔炼法+感应悬浮熔炼各原料。
6.根据权利要求4所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中冷却方式为空冷或炉冷至室温。
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