CN110195172A - 一种Ti2AlNb基合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti2AlNb基合金材料及其制备方法,属于合金材料制备技术领域,本发明要获得一次加工成型Ti2AlNb基合金材料,避开Ti2AlNb合金热变形抗力大,有效的热加工窗口较窄,成材率不高,组织均匀性难以保证的问题。一种Ti2AlNb基合金板材是由Ti、Al、Nb箔材等,直接交替叠层,真空热压制备。方法:一、Ti箔、Al箔和Nb箔的表面清洗;二、Ti2AlNb基合金结构的叠层、石墨包覆,制备预制件;三、低温热处理;四、高温保温即得。本发明用于制备Ti2AlNb基合金材料,可以一次性成型材料,工艺简单,无需专用设备。
Description
技术领域
本发明属于合金材料制备技术领域,具体涉及一种Ti2AlNb基合金材料及其制备方法。
背景技术
Ti2A1Nb基合金,与镍基合金相比,Ti2AlNb基合金的密度较小,利于获得较高的比强度,且拉伸强度和屈服强度比较接近;与γ-TiAl基合金和α2-Ti3Al基合金相比,Ti2AlNb合金虽然密度稍大,但其具备较好的室温塑性、较高的拉伸强度和屈服强度。Ti2A1Nb基合金优异的综合力学性能,使其成为能在650~750℃使用的最具潜力的航空航天发动机材料之一,对于降低飞行器的自重、提高燃油效率和高温服役性能具有重要意义。目前,Ti2AlNb基合金的制备方法主要为熔炼铸造法,但由于熔炼铸造获得的Ti2AlNb基合金组织粗大、力学性能差,往往需经自由锻、近静压锻造、挤压等热变形工艺进行开坯,随后经合理的热处理工艺才能获得预期的组织状态,制备工艺复杂,成本高;此外,Ti2AlNb合金热变形抗力大,有效的热加工窗口较窄,成材率不高,组织均匀性难以保证也是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有Ti2AlNb基合金制备方法复杂、成本高的问题,提供一种Ti2AlNb基合金材料及其制备方法,该方法利用室温变形和成型性更好的箔材做原材料,采用真空热压法直接成型Ti2AlNb基合金材料。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种Ti2AlNb基合金材料,所述Ti2AlNb基合金材料包括O相Ti2AlNb基合金;还包括α2相和B2/β相中的一种或两种。
一种上述的Ti2AlNb基合金材料的制备方法,所述方法步骤如下:
一、依次用酒精和丙酮分别对Ti箔、Al箔和Nb箔超声清洗5~10min,去除表面的油污,然后利用5vol.%~15vol.%HF、40vol.%HF和5%vol.~15vol.%NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔进行表面清洗,去除表面的氧化皮,最后用酒精超声清洗2~5min后,吹干备用;
二、将步骤一表面处理好的Ti箔、Nb箔和Al箔进行Ti2AlNb基合金的叠层,具体为:保证Ti箔数量为奇数,Al箔和Nb箔为偶数,按照一个周期层为Ti-Al-Nb-Al-Ti-Al-Nb-Al-Ti的结构进行叠层;然后使用石墨纸进行包覆,并用钢丝线对叠层进行固定,即得到Ti2AlNb基合金预制件;
三、将步骤二制备的Ti2AlNb基合金预制件装入石墨模具中,然后放入真空热压炉中,真空抽至1×10-3Pa以下,在520~580℃热压10~30min,施加40~80MPa压力;然后进行低温退火,具体地,将温度调节至600~700℃保温4~10h,施加10~30MPa压力,获得由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料;
四、将步骤三得到的由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料置于1200~1400℃的热压炉中,保温10~180min,施加40~60MPa的压力,获得Ti2AlNb基合金材料。
本发明相对于现有技术的有益效果为:
一、采用箔冶金原位自生的方式制备Ti2AlNb基合金材料,利用箔材良好的室温变形和成型性特征,能够近成型板材,避免了后续对板材的成型加工;
二、利用真空热压箔冶金的方式制备Ti2AlNb基合金材料工艺简单,制备材料致密无缺陷;
三、采用箔冶金的方式制备Ti2AlNb基合金,可以通过在Ti、Al、Nb等箔材表面磁控溅射Ta、Mo等合金元素,进一步对Ti2AlNb基合金材料的性能进行调节和优化。
附图说明
图1为Ti2AlNb基合金一个周期层层叠结构示意图;
图2为Ti2AlNb基合金材料的XRD图像;
图3为Ti2AlNb基合金材料利用电子探针做的元素分布波谱图;
图4为Ti2AlNb基合金材料的显微组织图像;
图5为Ti2AlNb基合金材料的宏观图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神范围,均应涵盖在本发明的保护范围之中。
具体实施方式一:本实施方式记载的是一种Ti2AlNb基合金材料,所述Ti2AlNb基合金材料包括O相(Ti2AlNb相)Ti2AlNb基合金;还包括α2相(Ti3Al相)和β相(B2相)中的一种或两种;组织可以是等轴组织、双态组织或片层组织等组织中的一种。
具体实施方式二:一种具体实施方式一所述的Ti2AlNb基合金材料的制备方法,所述方法步骤如下:
一、依次用酒精和丙酮分别对Ti箔、Al箔和Nb箔超声(2000W)清洗5~10min,去除表面的油污,然后利用5vol.%~15vol.%HF、40vol.%HF和5%vol.~15vol.%NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔进行表面清洗,去除表面的氧化皮,最后用酒精超声(2000W)清洗2~5min后,吹风机吹干备用;
二、将步骤一表面处理好的Ti箔、Nb箔和Al箔进行Ti2AlNb基合金的叠层,具体为:保证Ti箔数量为奇数,Al箔和Nb箔为偶数,按照一个周期层为Ti-Al-Nb-Al-Ti-Al-Nb-Al-Ti的结构进行叠层;然后使用石墨纸进行包覆,并用粗细为0.1~0.2mm的钢丝线对叠层进行固定,能保证材料装模和热压时,所有箔材的截面是相同的,成型效果更好,即得到Ti2AlNb基合金预制件;采用石墨纸包覆的作用是一定程度上能起到在低温或者高温退火时,阻止剩余Al液挤出到石墨模具,保护石墨模具;在该步骤中可以调整叠层厚度从一个周期层到数十个周期层;
三、将步骤二制备的Ti2AlNb基合金预制件装入石墨模具中,然后放入真空热压炉中,真空抽至1×10-3Pa以下,在520~580℃热压10~30min,施加40~80MPa压力;然后进行低温退火,具体地,将温度调节至600~700℃保温4~10h,施加10~30MPa压力,获得由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料;所述石墨模具的形状可以是长方体形,也可以是其他复杂的形状,这样就达到了成型板材或复杂结构件的目的;
四、将步骤三得到的由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料置于1200~1400℃的热压炉中,保温10~180min,施加40~60MPa的压力,主要是保证Nb层扩散均匀,同时对板材进行致密化处理,获得Ti2AlNb基合金材料。第一步520~580℃/10~30min+600~700℃/4~10h:目的是在较低温度耗尽Al箔,避免在高温时Al液流出,对最后的板材的化学成分比造成影响,进而影响最终成型板材的组织和性能。第二步1200~1400℃/10~180min:目的是在高温时让Nb箔充分扩散,形成Nb分布均匀的组织。
本发明中的Ti2AlNb基合金材料,通过对高温温度和保温时间的控制,能够获得晶粒细小的组织,这是由于Nb是高熔点难熔合金,在高温保温的较长一段时间内仍然有大量的Nb层存在,这就对β相在高温下的生长起到了一定的阻碍作用,从而对晶粒大小有一定的控制。Ti2AlNb基合金板材,可以通过在Ti、Al、Nb箔材表面磁控溅射的方法添加Mo、Ta等合金元素,然后利用镀Mo、Ta等合金元素的箔材进行层叠热压制备Ti2AlNb基合金,进一步调节Ti2AlNb基合金的性能。
具体实施方式三:具体实施方式二所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,步骤一中,所述Ti箔为TA1或TC4,厚度为20~100μm;所述Al箔为纯Al箔,厚度为10~100μm;所述Nb箔为纯Nb箔,厚度为20~50μm。可以通过调整Ti箔、Al箔及Nb箔的厚度来改变最终Ti2AlNb基合金的化学成分和力学性能。
具体实施方式四:具体实施方式三所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,通过调整Ti箔和Al箔的厚度,控制Ti和Al的原子百分比为1.8~3.15:1。
具体实施方式五:具体实施方式二所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,步骤二中,所述Ti2AlNb基合金的原子计量比为Ti-25Al-17Nb、Ti-22Al-23Nb、Ti-22Al-25Nb、Ti-22Al-27Nb或Ti-22Al-20Nb-7Ta。
具体实施方式六:具体实施方式二所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,步骤三中,具体为:将步骤二制备的Ti2AlNb基合金预制件装入石墨模具中,然后放入真空热压炉中,真空抽至1×10-3Pa以下,在520~580℃热压10~30min,施加40~80MPa压力;然后进行低温退火,具体地,将温度调节至630~660℃保温4~6h,施加10~20MPa压力,获得由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料。
具体实施方式七:具体实施方式二所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,步骤四中,具体为:将步骤三得到的由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料置于1300~1350℃的热压炉中,保温10~60min,施加40~60MPa的压力,保证Nb扩散均匀且板材致密,获得Ti2AlNb基合金材料。
本发明中利用原位自生方法制备的Ti2AlNb基合金材料,通过高温保温,能使高熔点难熔元素Nb等扩散均匀,不存在偏析等现象。可以通过调整保温温度和时间来控制各个相的含量以及晶粒的大小,从而对其性能进行控制,可以制备出满足不同服役环境的材料。采用成型性较好的箔材作为原材料,结合高强耐高温的石墨模具,可以直接成型Ti2AlNb基合金板材。制备过程工艺简单,成本低,无污染,材料致密。
实施例1:
一、依次使用酒精和丙酮分别对Ti箔、Al箔和Nb箔超声清洗5min,去除表面的油污,然后利用10vol.%HF、100vol.%HF和10vol.%NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔进行表面清洗,去除表面的氧化皮,最后用酒精超声(2000W)清洗5min后,吹风机吹干备用;
二、将步骤一表面处理好的Ti箔、Nb箔和Al箔,按照Ti-22Al-25Nb的原子百分比进行Ti2AlNb基合金的叠层,然后用石墨纸进行包覆,最后用粗细为0.15mm的钢丝线对叠层进行固定,制备Ti2AlNb基合金预制件;
三、将步骤二制备的Ti2AlNb基合金预制件装入石墨模具中,然后放入真空热压炉中,真空抽至1×10-3Pa以下,在550℃热压20min,施加50MPa压力;然后升温到640℃保温4h,施加10MPa压力进行低温退火,获得由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料;
四、将步骤三得到的由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料置于1330℃的热压炉中保温25min,施加50MPa的压力,获得Ti2AlNb基合金材料。
图1为Ti2AlNb基合金的层叠材料的结构示意图,该示意图主要包括叠层结构和叠层的包覆与固定。采用X射线衍射仪检测本试验步骤四得到的合金材料,结果如图2所示,XRD图谱中有三个相,即O(Ti2AlNb相)、α2(Ti3Al)和B2/β相的衍射峰,说明Ti2AlNb基合金材料由三相组成。采用电子探针(EPMA)检测本试验步骤四得到的合金材料,结果元素分布波谱图如图3所示,可以看出经过高温退火,Nb层已经完全扩散,Nb的分布比较均匀。采用扫描电镜检测本试验步骤四得到的合金材料,微观形貌图如图4所示,可以看出,Ti2AlNb基合金材料中不存在孔洞、裂纹等缺陷,板材致密。同时利用扫描电镜的能谱分析可以发现,Ti2AlNb基合金材料由O(Ti2AlNb相)、α2(Ti3Al)和B2/β三相组成,这与X射线衍射仪分析的结果一致。对材料宏观形貌进行分析,如图5所示,可以看出采用箔冶金真空热压制备的Ti2AlNb基合金材料表面平整无缺陷。
Claims (7)
1.一种Ti2AlNb基合金材料,其特征在于:所述Ti2AlNb基合金材料包括O相Ti2AlNb基合金;还包括α2相和β相中的一种或两种。
2.一种权利要求1所述的Ti2AlNb基合金材料的制备方法,其特征在于:所述方法步骤如下:
一、依次用酒精和丙酮分别对Ti箔、Al箔和Nb箔超声清洗5~10min,去除表面的油污,然后利用5vol.%~15vol.%HF、40vol.%HF和5%vol.~15vol.%NaOH溶液分别对Ti箔、Nb箔和Al箔进行表面清洗,去除表面的氧化皮,最后用酒精超声清洗2~5min后,吹干备用;
二、将步骤一表面处理好的Ti箔、Nb箔和Al箔进行Ti2AlNb基合金的叠层,具体为:保证Ti箔数量为奇数,Al箔和Nb箔为偶数,按照一个周期层为Ti-Al-Nb-Al-Ti-Al-Nb-Al-Ti的结构进行叠层;然后使用石墨纸进行包覆,并用钢丝线对叠层进行固定,即得到Ti2AlNb基合金预制件;
三、将步骤二制备的Ti2AlNb基合金预制件装入石墨模具中,然后放入真空热压炉中,真空抽至1×10-3Pa以下,在520~580℃热压10~30min,施加40~80MPa压力;然后进行低温退火,具体地,将温度调节至600~700℃保温4~10h,施加10~30MPa压力,获得由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料;
四、将步骤三得到的由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料置于1200~1400℃的热压炉中,保温10~180min,施加40~60MPa的压力,获得Ti2AlNb基合金材料。
3.根据权利要求2所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述Ti箔为TA1或TC4,厚度为20~100μm;所述Al箔为纯Al箔,厚度为10~100μm;所述Nb箔为纯Nb箔,厚度为20~50μm。
4.根据权利要求3所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,其特征在于:通过调整Ti箔和Al箔的厚度,控制Ti和Al的原子百分比为1.8~3.15:1。
5.根据权利要求2所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,其特征在于:步骤二中,所述Ti2AlNb基合金的原子计量比为Ti-25Al-17Nb、Ti-22Al-23Nb、Ti-22Al-25Nb、Ti-22Al-27Nb或Ti-22Al-20Nb-7Ta。
6.根据权利要求2所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,其特征在于:步骤三中,具体为:将步骤二制备的Ti2AlNb基合金预制件装入石墨模具中,然后放入真空热压炉中,真空抽至1×10-3Pa以下,在520~580℃热压10~30min,施加40~80MPa压力;然后进行低温退火,具体地,将温度调节至630~660℃保温4~6h,施加10~20MPa压力,获得由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料。
7.根据权利要求2所述的一种Ti2AlNb基合金材料的制备方法,其特征在于:步骤四中,具体为:将步骤三得到的由Nb、Ti、TiAl3、NbAl3相组成的复合材料置于1300~1350℃的热压炉中,保温10~60min,施加40~60MPa的压力,获得Ti2AlNb基合金材料。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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