CN110640142B - 一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,属于TiAl基合金构件制备与工艺技术领域。本发明的方法可以将碳钢包套热等静压致密化TiAl基合金粉末的使用温度提高到1400℃以下,因此可以直接利用热等静压致密化方法获得具有近γ组织、双态组织、近全片层组织或者全片层组织的压坯,为高性能TiAl基合金的制备提高了新的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,属于TiAl基合金构件制备与工艺技术领域。
背景技术
在热等静压粉末冶金工艺中,包套中的粉末处于一个较好的真空状态。在热等静压过程中,外界压力通过包套作用在粉末中,促使粉末在包套中压缩、充分变形及扩散,形成具有一定形状的压坯。因此,在热等静压过程中,保持包套的完整性和可靠性十分必要。
由于焊接性能好,价格低,碳钢是常用的热等静压致密化钛合金粉末的包套材料。但是,在用于热等静压致密化TiAl基合金粉末的过程中,当热等静压温度超过1260℃,碳钢包套与TiAl基合金之间由于原子扩散而形成TixFey、FexAly等金属间化合物,导致获得的TiAl基合金压坯致密度降低,并会导致碳钢包套中形成微孔。若保温时间足够长,则可能在碳钢包套中形成贯穿的通道,导致热等静压处理失败。然而,在1260℃以下热等静压,获取的粉末冶金TiAl基合金压坯为双态组织,室温塑性低,难以进行机械加工,限制了热等静压粉末冶金技术在制备TiAl基合金方面的使用范围。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术中碳钢包套在热等静压致密化TiAl基合金粉末的过程中耐温低的问题,提出一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,该方法中采用了在碳钢包套内表面与TiAl基合金粉末接触的地方添加氧化铝、氧化锆等陶瓷涂层,阻碍碳钢包套与TiAl基合金粉末直接接触,杜绝了TixFey、FexAly等金属间化合物的形成,提高了碳钢包套的使用温度,扩大了碳钢包套在热等静压致密化TiAl基合金的温度范围,为直接利用热等静压工艺获得高性能的TiAl基合金压坯提供了支持。
本发明的技术解决方案是:
一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,该方法的步骤包括:
(1)制备TiAl基合金构件的包套;
制备包套时按照TiAl基合金构件的尺寸要求设计包套的尺寸,制备包套的原材料为碳钢,包套包括包套盖、包套底、包套筒身和碳钢垫片;
(2)在包套盖的下表面、包套底的上表面、包套筒身的内表面和碳钢垫片的双面制备涂层;碳钢垫片的双面是指碳钢垫片的上表面和下表面;
涂层原料为Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiO2粉末、Y2O3粉末中的一种或者两种以上的混合物;涂层可以为一层、两层或是多层,最顶端的涂层原料为Al2O3粉末;最顶端的涂层为与TiAl基合金粉末相接触的涂层;
涂层的制备方法为热喷涂、电弧沉积或CVD沉积;
涂层的总厚度为150~250μm;
(3)将包套底焊接在包套筒身的底部,焊接时采用氩弧焊,焊接完成后在焊接区域(即焊缝处)涂抹料浆,料浆为氧化物粉末和乙酸锆的混合物,氧化物粉末和乙酸锆的混合物中氧化物粉末和乙酸锆的体积比为1:(2-4),涂抹料浆完成后用吹风机吹干,得到带底的包套筒;氧化物粉末为Al2O3、TiO2、Y2O3中的一种或两种以上的组合物;
(4)在振动的条件下向步骤(3)得到的带底的包套筒内填充TiAl基合金粉末,TiAl基合金粉末添加完成后在TiAl基合金粉末的顶端添加碳钢垫片,碳钢垫片为圆片,碳钢垫片的直径比包套筒的直径小1-1.5mm,且碳钢垫片与包套筒同轴,碳钢垫片添加完成后在碳钢垫片的顶端添加陶瓷粉末,陶瓷粉末的粒度为60~120目,陶瓷粉末粒度的选取既可防止TiAl基合金粉末与碳钢包套相接触,又不会妨碍包套除气;陶瓷粉末为Al2O3、ZrO2、TiO2、Y2O3中的一种或者两种以上的组合,陶瓷粉末粒度为60~120目,陶瓷粉末厚度为0.5~2mm;
(5)将包套盖焊接在步骤(4)得到的包套筒的顶端,焊接时采用氩弧焊,焊接完成后得到填充有TiAl基合金粉末的包套,然后对得到的包套进行除气,除气完成后进行热等静压致密化处理。
有益效果
(1)本发明的方法可以将用于热等静压致密化TiAl基合金粉末的碳钢包套使用温度提高到1400℃以下,因此可以直接利用热等静压致密化方法获得具有近γ组织、双态组织、近全片层组织或者全片层组织的压坯,为高性能TiAl基合金的制备提高了新的制备方法;
(2)本发明利用热喷涂等方法在碳钢包套组件的内壁添加Al2O3、ZrO2等陶瓷涂层,并在包套的焊缝处添加乙酸锆与Al2O3的混合料浆,最后在TiAl基合金粉末与包套盖之间添加粒度为60~120目的Al2O3粉末颗粒,从而将碳钢包套与TiAl基合金粉末相隔离,阻止碳钢包套与TiAl基合金之间通过扩散形成TixFey、AlxFey等脆性相,扩大了利用碳钢包套致密化TiAl基合金粉末的温度选择范围,为TiAl基合金的研究提供便利。
附图说明
图1为包套的结构示意图;
图2为添加了Al2O3/ZrO2涂层的20#低碳钢包套;
图3为1350℃热等静压后获得的低碳钢包套和Ti-46Al-2Cr-2Nb压坯的微观组织。
具体实施方式
一种提高碳钢包套在热等静压致密化TiAl粉末过程中使用温度的方法,步骤为:
1)在用于热等静压致密化TiAl基合金粉末的碳钢包套内壁添加陶瓷涂层;
2)将步骤1)涉及的碳钢包套用氩弧焊的方法组装在一起,并在焊缝上涂陶瓷粉末和乙酸锆形成的料浆。待料浆干燥后,在振动的状态下向包套中充入TiAl基合金粉末;
3)在步骤2)中的TiAl基合金粉末的上面添加垫片,然后在垫片的上面填充Al2O3粉末;
4)在步骤3)的陶瓷粉末上面添加包套盖,并利用氩弧焊的方法形成包套;
5)将步骤4)中的包套进行除气及热等静压,即可完成TiAl基合金粉末的热等静压致密化处理。
步骤1)中向碳钢包套内壁添加的陶瓷粉末为Al2O3、ZrO2、TiO2或Y2O3中的一种或者多种粉末的组合,但与TiAl基合金粉末相接触的陶瓷粉末应该为Al2O3粉末,涂层的厚度之和为150~250μm;
步骤1)中向碳钢包套内壁添加陶瓷涂层的方法可以为热喷涂、CVD或者电弧沉积的方式;
步骤2)中向包套焊缝处涂抹的料浆中陶瓷粉末和乙酸锆的配比为:1:3(体积比),且陶瓷粉末的种类为Al2O3、TiO2或Y2O3中的一种或者多种粉末的组合;
步骤3)中向垫片上填充的陶瓷粉末可以为Al2O3、ZrO2、TiO2或Y2O3中的一种或者多种粉末的组合,粉末粒度为60~120目,厚度约为0.5~2mm。
实施例
以利用TiAl基合金预合金粉末热等静压致密化Ti-46Al-2Cr-2Nb(at%)为例,说明本方法的具体实施方式。
(1)按照图1利用20#低碳钢加工包套;
(2)包套筒的内壁、垫片及包套盖上氧化铝+氧化锆涂层,先添加氧化锆,再添加氧化铝,涂层的总厚度为210μm。添加的方法为热喷涂;
(3)利用氩弧焊等方法按照要求组合包套,如图2;
(4)在焊接区域添加颗粒度为-180~+250mu目的Al2O3粉末和乙酸锆的混合液(体积配比为1:3),然后用吹风机吹干;
(5)在振动的条件下向包套内填充TiAl基合金粉末,并添加碳钢垫片;
(6)垫片与包套盖之间添加氧化铝粉末,粒度为60~120目;颗粒较粗的粉末既可防止TiAl粉末与低碳钢包套相接触,又不会妨碍包套除气;
(7)焊接包套盖,然后对包套在一定温度下除气。在完成除气后,在1350℃,2h,压力≥140MPa的工艺参数下进行TiAl基合金粉末的热等静压致密化处理,获得了具有近全片层组织的Ti-46Al-2Cr-2Nb压坯。
按照GB 228.1的要求从Ti-46Al-2Cr-2Nb压坯上取样,加工拉伸试棒,进行室温拉伸性能的测试,其结果如下表所示:
Claims (6)
1.一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,其特征在于该方法的步骤包括:
(1)制备TiAl基合金构件的包套;
(2)包套包括包套盖、包套底、包套筒身和碳钢垫片;在包套盖的下表面、包套底的上表面、包套筒身的内表面和碳钢垫片的双面制备涂层;
涂层原料为Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiO2粉末、Y2O3粉末中的一种或者两种以上的混合物;最顶端的涂层原料为Al2O3粉末;最顶端的涂层为与TiAl基合金粉末相接触的涂层;
涂层的总厚度为150~250um;
(3)将包套底焊接在包套筒身的底部,焊接完成后在焊接区域涂抹料浆,料浆为氧化物粉末和乙酸锆的混合物,氧化物粉末和乙酸锆的混合物中氧化物粉末和乙酸锆的体积比为1:(2-4),料浆干燥后,得到带底的包套筒;氧化物粉末为Al2O3、TiO2、Y2O3中的一种或两种以上的组合物;
(4)在振动的条件下向步骤(3)得到的带底的包套筒内填充TiAl基合金粉末,TiAl基合金粉末添加完成后在TiAl基合金粉末的顶端添加碳钢垫片,碳钢垫片为圆片,碳钢垫片的直径比包套筒的直径小1-1.5mm,且碳钢垫片与包套筒同轴,碳钢垫片添加完成后在碳钢垫片的顶端添加陶瓷粉末,陶瓷粉末的粒度为60~120目,陶瓷粉末为Al2O3、ZrO2、TiO2、Y2O3中的一种或者两种以上的组合,陶瓷粉末厚度为0.5~2mm;
(5)将包套盖焊接在步骤(4)得到的包套筒的顶端,焊接完成后得到填充有TiAl基合金粉末的包套,然后对得到的包套进行除气,除气完成后进行热等静压致密化处理,热等静压致密化处理完成后去除碳钢包套,即可得到TiAl基合金压坯;
所述的步骤(5)中,热等静压致密化处理温度为1150-1350℃,热等静压致密化处理时间为2-4h;
所述的步骤(5)中,热等静压致密化处理压力为130-150MPa。
2.根据权利要求1所述的一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,其特征在于:所述的步骤(1)中,制备包套时按照TiAl基合金构件的尺寸要求设计包套的尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,其特征在于:所述的步骤(2)中,涂层为一层、两层或是多层。
4.根据权利要求1所述的一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,其特征在于:所述的步骤(2)中,涂层的制备方法为热喷涂、电弧沉积或CVD沉积。
5.根据权利要求1所述的一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,其特征在于:所述的步骤(3)中,焊接时采用氩弧焊。
6.根据权利要求1所述的一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,其特征在于:所述的步骤(5)中,焊接时采用氩弧焊。
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