CN111621659A - 一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、按合金成分配方Ti‑22Al‑(27‑x‑y)Nb‑xV‑yTa(其中0<x≤5，0<y≤5)称取Ti、Nb、V、Ta、Ti70Al30(at.％)中间合金和ZrO磨球，采用高能球磨法对称取的合金原料进行高能球磨制取纳米级合金粉体并退火处理；步骤2、将步骤1制得的纳米级合金粉体，在放电等离子热压烧结炉中进行反应烧结制取Ti2AlNb合金烧结试样；步骤3、对步骤2所得Ti2AlNb合金烧结试样进行固溶与时效处理后即可得到最终的Ti2AlNb合金试样。

Description

一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法

技术领域

本发明属于复合材料制备方法技术领域，具体涉及一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法。

技术背景

现有的Ti2AlNb合金制备方法主要包括铸造法、铸锭冶金法和粉末冶金法。

铸造法和铸锭冶金法可以归类为传统的制造方法，其特点在于工艺控制及技术应用都较为成熟，已经使用于大规模工业生产，是当前Ti2AlNb合金特别是大型Ti2AlNb合金构件的主要生产方式。然而，由于Ti2AlNb合金其成分比较复杂且各合金元素的理化性质相差较大，造成熔炼过程中的成分烧蚀以及铸造时产生偏析、疏松、铸态组织粗大等缺陷。尽管通过热机械加工结合适当的热处理工艺能够优化铸锭的显微组织，有效地改善组织缺陷所带来的力学性能下降的问题，但这无疑为Ti2AlNb合金的生产增加了大量工序，使其生产制造过程更加繁复且制造成本上升。

而粉末冶金法作为一种近净成型方法，其优点在于能够直接成型所需工件，生产出来的工件经过简单的加工即可投入使用，免去了复杂的机械加工过程。且由于粉末冶金法的工艺特性，其生产得到的工件具有组织致密、晶粒细小的优良特点，有效地避免了铸造时容易产生的各种组织缺陷。

本发明提供一种使用粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，具体涉及通过添加V与Ta元素调控合金成分、使用放电等离子热压烧结炉烧结成型、通过热处理工艺调控显微组织结构，最终得到组织性能优异的Ti2AlNb合金。

就目前而言，市面上还没有出现同时添加V与Ta元素并结合放电等离子热压烧结制备Ti2AlNb合金的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，利用市场上常见的Al-Ti中间合金替代单质Al不仅有利于烧结时各物相之间反应结合，同时还能够一定程度上避免单质Al容易氧化的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、按合金成分配方Ti-22Al-(27-x-y)Nb-xV-yTa，其中0<x≤5，0<y≤5；称取Ti、Nb、V、Ta、Ti70Al30(at.％)中间合金和ZrO磨球，采用高能球磨法对称取的合金原料进行高能球磨制取纳米级合金粉体并退火处理；

步骤2、将步骤1退火处理后的纳米级合金粉体，在放电等离子热压烧结炉中进行反应烧结制取Ti2AlNb合金烧结试样；

步骤3、对步骤2所得Ti2AlNb合金烧结试样进行固溶与时效处理后即可得到最终的Ti2AlNb合金试样。

本发明的特点还在于，

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、在烧结用石墨模具内壁喷涂氮化硼涂料，防止高温下C元素扩散参与Ti2AlNb合金的反应烧结过程影响其力学性能；

步骤2.2、将步骤1所得合金粉末装入烧结模具内，使用放电等离子热压烧结炉进行高温反应烧结，烧结温度为900℃～1300℃，升温速率为50℃～80℃，烧结压力为20MPa～70MPa，保温时间为20min～120min，烧结过程中炉内需保持较高的真空度，反应烧结完成后待其冷却至室温取出即得到Ti2AlNb合金烧结试样；

步骤2.2的放电等离子热压烧结温度为900℃～1300℃，烧结压力为20MPa～70MPa，保温时间为20min～120min。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、使用真空淬火炉对步骤2所得Ti2AlNb合金烧结试样进行固溶处理，固溶温度为800℃～1300℃，保温时间1h～4h，水冷，加热时炉内保持真空状态，得到Ti2AlNb合金固溶试样；

步骤3.2、对步骤3.1所得Ti2AlNb合金固溶试样进行时效处理，所用热处理炉为真空烧结炉，时效温度为500℃～1000℃，保温时间5h～20h，随炉冷却，加热时炉内保持真空状态，最终制得Ti2AlNb合金试样。

步骤3.1中固溶温度为800℃～1300℃，保温时间为1h～4h。

步骤3.2中时效温度为500℃～1000℃，保温时间为5h～20h。

步骤1球磨的球料比为1:5～30。

本发明的有益效果是：

1.本发明的粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法解决了现有Ti2AlNb合金在生产过程中容易出现的熔炼元素烧蚀损耗、铸态组织粗大、偏析、疏松等问题，同时避免了复杂的机械加工过程，有效地简化了Ti2AlNb合金的生产工艺。

2.在本发明的粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法中，通过添加β稳定元素V和Ta，可改善Ti2AlNb合金的显微组织并提高其综合力学性能。

3.在本发明的粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法中，使用Al-Ti合金粉末替代单质Al粉末，不仅有利于反应烧结时各物相的融合，还能够一定程度上降低工艺过程中原料的氧化问题。

4.在本发明的粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法中，采用高能球磨技术制取Ti2AlNb合金复合粉体，工艺简单且成本较低；使用放电等离子热压烧结炉烧制Ti2AlNb合金试样，耗时较短且有效避免因晶粒长大引起的力学性能降低。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、按合金成分配方Ti-22Al-(27-x-y)Nb-xV-yTa(其中0<x≤5，0<y≤5)称取Ti、Nb、V、Ta、Ti70Al30(at.％)中间合金和ZrO磨球，采用高能球磨法对称取的合金原料进行高能球磨制取纳米级合金粉体并退火处理，具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、分别称取Ti、Nb、V、Ta、Al-Ti中间合金和ZrO磨球，合金原料与ZrO磨球的质量比为1：(5～30)；

步骤1.2、先将步骤1.1中称取的合金原料与ZrO磨球一起加入球磨罐中，然后向球磨罐加入无水乙醇，每克合金原料要加入1ml～5ml无水乙醇，待球磨处理1h～5h后取出并分离磨球；

为了保证球磨效果，在球磨过程中，合金原料、磨球及无水乙醇的总体积占球磨罐体积的30％～50％；

步骤1.3、将经步骤1.2球磨后得到的合金粉末于真空干燥箱中85℃真空干燥3h；

步骤1.4、将步骤1.3所得合金粉体于真空热处理炉中进行200℃去应力退火，保温时间为2h，即得到所需的纳米级合金粉体。

步骤2、将步骤1制得的纳米级合金粉体，在放电等离子热压烧结炉中进行反应烧结制取Ti2AlNb合金烧结试样，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、在烧结用石墨模具内壁喷涂氮化硼涂料，防止高温下C元素扩散参与Ti2AlNb合金的反应烧结过程影响其力学性能；

步骤2.2、将步骤1所得合金粉末装入烧结模具内，使用放电等离子热压烧结炉进行高温反应烧结，烧结温度为900℃～1300℃，升温速率为50℃～80℃，烧结压力为20MPa～70MPa，保温时间为20min～120min，烧结过程中炉内需保持较高的真空度，反应烧结完成后待其随炉冷却至室温取出即得到Ti2AlNb合金烧结试样；

步骤3、对步骤2所得Ti2AlNb合金烧结试样进行固溶与时效处理后即可得到最终的Ti2AlNb合金试样，具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、使用真空淬火炉对步骤2所得Ti2AlNb合金烧结试样进行固溶处理，固溶温度为800℃～1300℃，保温时间1h～4h，水冷，加热时炉内保持真空状态，得到Ti2AlNb合金固溶试样；

步骤3.2、对步骤3.1所得Ti2AlNb合金固溶试样进行时效处理，所用热处理炉为真空烧结炉，时效温度为500℃～1000℃，保温时间5h～20h，随炉冷却，加热时炉内保持真空状态，最终制得Ti2AlNb合金试样。

实施例1

按配方Ti22Al23Nb3V1Ta分别计算并称取Ti、V、Ta、Nb、Ti70Al30中间合金和ZrO磨球，合金原料与ZrO磨球的质量比为1：5；将称取的合金原料与ZrO磨球一起加入球磨罐中，然后向球磨罐加入无水乙醇，每克合金原料加入3ml无水乙醇，合金原料、无水乙醇和磨球的总体积占球磨罐体积的40％，球磨4h后取出并分离磨球，将合金粉体与无水乙醇的混合液置于真空干燥箱中85℃干燥3h后将所得粉体进行200℃保温2h的退火处理，即得到所需的纳米级合金粉体；

将合金粉体装入预先喷涂过氮化硼涂料的烧结模具，使用放电等离子热压烧结炉进行反应烧结，烧结温度900℃，升温速率为50℃/min，保温时间为30min，烧结压力为20MPa，烧结过程中炉内保持高真空度，待烧结完成试样随炉冷却至室温后取出即得到Ti2AlNb合金烧结试样；

将Ti2AlNb合金烧结试样放入真空淬火炉进行固溶处理，升温至900℃保温4h后水冷，即得到Ti2AlNb合金固溶试样，在真空烧结炉内对Ti2AlNb合金固溶试样进行800℃保温10h的时效处理，随炉冷却，最终得到Ti2AlNb合金试样，固溶与时效过程炉内均保持真空状态。

实施例2

按配方Ti22Al22Nb2V3Ta分别计算并称取Ti、V、Ta、Nb、Ti70Al30中间合金和ZrO磨球，合金原料与ZrO磨球的质量比为1：8；将称取的合金原料与ZrO磨球一起加入球磨罐中，然后向球磨罐加入无水乙醇，每克合金原料加入1ml无水乙醇，合金原料、无水乙醇和磨球的总体积占球磨罐体积的30％，球磨2h后取出并分离磨球，将合金粉体与无水乙醇的混合液置于真空干燥箱中85℃干燥3h后将所得粉体进行200℃保温2h的退火处理，即得到所需的纳米级合金粉体；

将合金粉体装入预先喷涂过氮化硼涂料的烧结模具，使用放电等离子热压烧结炉进行反应烧结，烧结温度1100℃，升温速率为55℃/min，保温时间为60min，烧结压力为30MPa，烧结过程中炉内保持高真空度，待烧结完成试样随炉冷却至室温后取出即得到Ti2AlNb合金烧结试样；

将Ti2AlNb合金烧结试样放入真空淬火炉进行固溶处理，升温至800℃保温2h后水冷，即得到Ti2AlNb合金固溶试样，在真空烧结炉内对Ti2AlNb合金固溶试样进行600℃保温8h的时效处理，随炉冷却，最终得到Ti2AlNb合金试样，固溶与时效过程炉内均保持真空状态。

实施例3

按配方Ti22Al21Nb5V1Ta分别计算并称取Ti、V、Ta、Nb、Ti70Al30中间合金和ZrO磨球，合金原料与ZrO磨球的质量比为1：12；将称取的合金原料与ZrO磨球一起加入球磨罐中，然后向球磨罐加入无水乙醇，每克合金原料加入5ml无水乙醇，合金原料、无水乙醇和磨球的总体积占球磨罐体积的40％，球磨3h后取出并分离磨球，将合金粉体与无水乙醇的混合液置于真空干燥箱中85℃干燥3h后将所得粉体进行200℃保温2h的退火处理，即得到所需的纳米级合金粉体；

将合金粉体装入预先喷涂过氮化硼涂料的烧结模具，使用放电等离子热压烧结炉进行反应烧结，烧结温度1200℃，升温速率为60℃/min，保温时间为90min，烧结压力为60MPa，烧结过程中炉内保持高真空度，待烧结完成试样随炉冷却至室温后取出即得到Ti2AlNb合金烧结试样；

将Ti2AlNb合金烧结试样放入真空淬火炉进行固溶处理，升温至1100℃保温1h后水冷，即得到Ti2AlNb合金固溶试样，在真空烧结炉内对Ti2AlNb合金固溶试样进行1000℃保温16h的时效处理，随炉冷却，最终得到Ti2AlNb合金试样，固溶与时效过程炉内均保持真空状态。

实施例4

按配方Ti22Al21Nb5V1Ta分别计算并称取Ti、V、Ta、Nb、Ti70Al30中间合金和ZrO磨球，合金原料与ZrO磨球的质量比为1：30；将称取的合金原料与ZrO磨球一起加入球磨罐中，然后向球磨罐加入无水乙醇，每克合金原料加入5ml无水乙醇，合金原料、无水乙醇和磨球的总体积占球磨罐体积的40％，球磨3h后取出并分离磨球，将合金粉体与无水乙醇的混合液置于真空干燥箱中85℃干燥3h后将所得粉体进行200℃保温2h的退火处理，即得到所需的纳米级合金粉体；

将合金粉体装入预先喷涂过氮化硼涂料的烧结模具，使用放电等离子热压烧结炉进行反应烧结，烧结温度1300℃，升温速率为60℃/min，保温时间为90min，烧结压力为70MPa，烧结过程中炉内保持高真空度，待烧结完成试样随炉冷却至室温后取出即得到Ti2AlNb合金烧结试样；

将Ti2AlNb合金烧结试样放入真空淬火炉进行固溶处理，升温至1100℃保温1h后水冷，即得到Ti2AlNb合金固溶试样，在真空烧结炉内对Ti2AlNb合金固溶试样进行1000℃保温16h的时效处理，随炉冷却，最终得到Ti2AlNb合金试样，固溶与时效过程炉内均保持真空状态。

本发明添加β稳定元素V与Ta有利于B2相含量的增加以及细化晶粒组织，B2相作为塑性相其含量的提高以及晶粒的细化均能够改善合金的室温塑性，同时提高合金的高温强度、抗氧化性以及抗蠕变性能；放电等离子热压烧结其特点在于通过高频脉冲放电直接作用于微粒本身，加热速度快、升温时间短可以抑制Ti2AlNb合金在反应烧结过程中容易出现的晶粒长大现象。

本发明的粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，利用市场上常见的Al-Ti中间合金替代单质Al不仅有利于烧结时各物相之间反应结合，同时还能够一定程度上避免单质Al容易氧化的问题；同时添加β稳定元素V与Ta能够改善Ti2AlNb合金的显微组织，提高室温塑性、高温强度与抗高温蠕变等性能；而放电等离子热压烧结炉的应用则利用其加热速度快的特性，能够有效抑制晶粒在加热过程中的长大现象。

Claims (7)

1.一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、按合金成分配方Ti-22Al-(27-x-y)Nb-xV-yTa，其中0<x≤5，0<y≤5；称取Ti、Nb、V、Ta、Ti70Al30(at.％)中间合金和ZrO磨球，采用高能球磨法对称取的合金原料进行高能球磨制取纳米级合金粉体并退火处理；

步骤2、将步骤1退火处理后的纳米级合金粉体，在放电等离子热压烧结炉中进行反应烧结制取Ti2AlNb合金烧结试样；

步骤3、对步骤2所得Ti2AlNb合金烧结试样进行固溶与时效处理后即可得到最终的Ti2AlNb合金试样。

2.根据权利要求1所述的一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、在烧结用石墨模具内壁喷涂氮化硼涂料，防止高温下C元素扩散参与Ti2AlNb合金的反应烧结过程影响其力学性能；

步骤2.2、将步骤1所得合金粉末装入烧结模具内，使用放电等离子热压烧结炉进行高温反应烧结，烧结温度为900℃～1300℃，升温速率为50℃～80℃，烧结压力为20MPa～70MPa，保温时间为20min～120min，烧结过程中炉内需保持较高的真空度，反应烧结完成后待其冷却至室温取出即得到Ti2AlNb合金烧结试样；

3.根据权利要求2所述的一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，其特征在于，步骤2.2所述的放电等离子热压烧结温度为900℃～1300℃，烧结压力为20MPa～70MPa，保温时间为20min～120min。

4.根据权利要求1所述的一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、使用真空淬火炉对步骤2所得Ti2AlNb合金烧结试样进行固溶处理，固溶温度为800℃～1300℃，保温时间1h～4h，水冷，加热时炉内保持真空状态，得到Ti2AlNb合金固溶试样；

步骤3.2、对步骤3.1所得Ti2AlNb合金固溶试样进行时效处理，所用热处理炉为真空烧结炉，时效温度为500℃～1000℃，保温时间5h～20h，随炉冷却，加热时炉内保持真空状态，最终制得Ti2AlNb合金试样。

5.根据权利要求4所述的一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，其特征在于，步骤3.1中固溶温度为800℃～1300℃，保温时间为1h～4h。

6.根据权利要求4所述的一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，其特征在于，步骤3.2中时效温度为500℃～1000℃，保温时间为5h～20h。

7.根据权利要求1所述的一种粉末冶金法制备Ti2AlNb合金的方法，其特征在于，步骤1所述球磨的球料比为1:5～30。