CN112359262A

CN112359262A - 一种强韧化钛铝基复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN112359262A
Application number: CN202011310311.XA
Authority: CN
Inventors: 李明骜; 肖树龙; 周涛; 胡励; 徐丽娟; 时来鑫; 李娟�; 任科研
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2021-02-12

Abstract

本发明公开了一种强韧化钛铝基复合材料，按重量百分比计包括如下组分：42～51％的Al，4～10％的Nb，1～2％的Mo，1～2％的Cr，0.5～6％的C，余量为Ti。其在保持强度的前提下，改善合金材料的塑性，在800℃极限抗拉强度≥630MPa，塑性可达≥6％，室温极限抗拉强度≥621Mpa，具有优异的综合力学性能。本发明还公开了上述强韧化钛铝基复合材料的制备方法。

Description

一种强韧化钛铝基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料，具体涉及强韧化钛铝基复合材料及其制备方法。

背景技术

TiAl合金具有较高的比强度、优异的抗蠕变性能及高温抗氧化性，同时其密度较低，可以实现工程构件的大规模减重，在航空航天、军工等领域具有巨大的应用潜力。前期研究表明，成分为Ti-42Al-9V的铸态和轧态钛铝合金系700℃的极限抗拉强度分别为503MPa和846MPa；铸态Ti-43Al-9V-0.3Y合金系700℃的极限抗拉强度为464MPa；锻态Ti-43Al-9V-0.2Y合金系在700℃的极限抗拉强度为449MPa；锻态Ti-43Al-2Cr-2Mn-0.2Y合金系700℃的极限抗拉强度为496MPa。

随着航空航天科技的快速发展，TiAl合金的使用温度及其高温强度已经不能够满足新一代航空飞行器对材料高温性能的要求，同时，钛铝合金本身较差的塑性问题始终没有得到解决，对于材料而言，强度的提高往往意味着以损失其塑性为代价。因此，钛铝合金的发展和研究重点逐步转变为对其高温强度提高以及对其塑性的改善，利用增强体的引入制备获得新型的钛铝基复合材料。根据引入方式分类，增强体可以分为外加增强体，如Mo纤维、SiC_f等，以及原位自生增强体，比如含B、C或Nb源的原位自生纤维。相比外加纤维或颗粒，原位自生增强体具有与钛铝基体相容性好、热膨胀系数相似等优点，同时能够有效避免有害杂质的引入。

发明内容

本发明的目的是提供一种强韧化钛铝基复合材料及其制备方法，其在保持强度的前提下，改善合金材料的塑性，在800℃极限抗拉强度≥630MPa，塑性可达≥6％，室温极限抗拉强度≥621Mpa，具有优异的综合力学性能。

本发明所述的强韧化钛铝基复合材料，按重量百分比计包括如下组分：42～51％的Al，4～10％的Nb，1～2％的Mo，1～2％的Cr，0.5～6％的C，余量为Ti。

进一步，按重量百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，0.5～4％的C，余量为Ti。

进一步，按重量百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，1％的C，余量为Ti。

一种强韧化钛铝基复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

S1，称料，按照上述的元素组分重量百分比称取海绵钛、体积≤6cm³的铝块、铬粉、铝铌中间合金、铝钼中间合金以及TiC粉；

S2，布料，将海绵钛平均分为两份，先将其中一份加入到熔炼炉的坩埚中，再将铬粉、铝铌中间合金和铝钼中间合金混合均匀，平铺在坩埚内的海绵钛上面，再加入另一份海绵钛，将铝块放置于位于上方的海绵钛上，将TiC粉置入二次加料斗内；

S3，熔炼，在熔炼炉真空度为5mbar的条件下，加热至坩埚内的混合材料完全熔化，然后利用二次加料斗将TiC粉加入到熔体中，在熔化温度下保温15～25min，浇铸得到强韧化钛铝基复合材料。

进一步，所述S1中海绵钛的粒径≤10mm，铬粉的粒径≤5mm，纯度≥99.99wt.％；铝铌中间合金的粒径≤5mm，铌元素含量为50～54％；铝钼中间合金的粒径≤5mm，钼元素含量为48～52％；所述TiC粉的粒径≤2.5μm，纯度≥99.99wt.％。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果。

1、本发明利用高含量的C元素原位自生析出Ti₃AlC增强体，通过增强体的第二相强化及位错强化作用，阻碍裂纹的形成与扩散，钉扎高温条件下组织中的脆弱界面，显著提高了钛铝基复合材料的高温极限抗拉强度。利用Ti₃AlC增强体自身的变形协调材料的整体塑性变形，提高了钛铝基复合材料的高温延伸率。并且原位自生Ti₃AlC增强体与基体相容性良好，具有相似的热膨胀系数，增强体与基体界面无污染且结合强度高。

2、本发明采用TiC粉引入C元素，碳粉在制备过程中易于真空环境中漂浮，造成碳源含量损失、污染熔炼环境；B₄C粉不可避免的引入硼源，污染材料成分。相比以碳粉或B₄C粉作为硼源，TiC粉价格低廉，不会造成其他成分的引入进而污染材料，高含量C元素能够促进Ti₃AlC原位自生增强体的析出，进而强韧化钛铝基复合材料。

3、本发明限定了Cr元素含量为1～2％，Cr元素添加会降低TiAl和TiAl₃金属间化合物的总能量，提高合金内部结合能力、稳定性，减小晶粒直径，提高室温强度，显著改善TiAl合金800℃及900℃的高温抗氧化性能。Cr元素能够降低α相转变温度，促进γ相中机械孪晶形核，改善合金的室温塑性。另外，随着Mo元素含量由0.6％增加到1.2％，β相含量由3.33％增至6.9％，γ相含量由61.6％增至82.3％，材料的塑性显著增加。作为强β相稳定元素，Nb、Mo及Cr元素均会增加TiAl合金中β相的体积分数，高温下无序β相能够开动滑移系供位错及孪晶滑过，释放应力集中，协调塑性变形，而室温下β相会有序化为脆性β₀相，恶化材料的室温塑性。合理控制组织中β相含量能够促使材料获得优异力学性能。研究表明，元素含量分别超过以下临界值，Cr：3％；Nb：9％；Mo：1％，TiAl基体室温组织中会出现β₀相。当Nb含量为10％时，TiAl基体中高温下才会析出β相，Mo元素含量为0.5％时，组织中没有β相析出，而随着Mo元素含量增至1％，β相析出。2％Cr元素的添加会造成1.7％的β相析出，为了得到力学性能较好的材料，本发明综合限定Nb的含量为4～10％，Mo的含量为1～2％，Cr的含量为1～2％。

附图说明

图1是本发明实施例一所述强韧化钛铝基复合材料显微组织的SEM图；

图2是本发明实施例二所述强韧化钛铝基复合材料显微组织的SEM图；

图3是本发明实施例二所述强韧化钛铝基复合材料的高温拉伸试样应变区组织SEM图；

图4是对比例一的钛铝基复合材料的高温拉伸试样应变区组织的SEM图；

图5是对比例二的钛铝基复合材料显微组织的SEM图之一；

图6是对比例二的钛铝基复合材料显微组织的SEM图之二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

实施例一，一种强韧化钛铝基复合材料，按重量百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，0.5％的C，余量为Ti。其制备方法包括如下步骤：

S1，称料，按照上述的元素组分重量百分比称取海绵钛、体积≤6cm³的铝块、铬粉、铝铌中间合金、铝钼中间合金以及TiC粉；所述海绵钛的粒径≤10mm，铬粉的粒径≤5mm，纯度≥99.99wt.％；铝铌中间合金的粒径≤5mm，铌元素含量为52％；铝钼中间合金的粒径≤5mm，钼元素含量为50％；所述TiC粉的粒径≤2.5μm，纯度≥99.99wt.％。

S3，熔炼，在熔炼炉真空度为5mbar的条件下，熔炼炉以速度为25kW/min加载功率至300kW，加热至1650℃进行熔炼，直至坩埚内的混合材料完全熔化。然后利用二次加料斗将TiC粉加入到熔体中，在熔化温度下保温25min。然后翻转坩埚，将熔体倾倒入预热温度为600℃的钢模具中，再向炉体内充入氩气，开炉后自然冷却至室温，得到具有高温使用性能的钛铝基复合材料。

经力学性能试验验证，制得的钛铝基复合材料室温抗拉强度≥621Mpa，800℃的高温抗拉强度≥630MPa。采用扫描电镜观察制得的钛铝基复合材料的微观形貌，参见图1，放大倍数为1000，纤维状Ti₃AlC增强体弥散析出并在组织内均匀分布，通过增强体的第二相强化及位错强化作用，阻碍裂纹的形成与扩散，钉扎高温条件下组织中的脆弱界面，显著提高了钛铝基复合材料的高温极限抗拉强度。并且原位自生Ti₃AlC增强体与基体相容性良好，具有相似的热膨胀系数，增强体与基体界面无污染且结合强度高。Ti₃AlC增强体能够以其自身变形协调材料的整体塑性变形，提高了钛铝基复合材料的高温延伸率。

实施例二，一种强韧化钛铝基复合材料，按重量百分比包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，1％的C，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同。采用扫描电镜观察制得的钛铝基复合材料的微观形貌，参见图2，放大倍数为1000，随着C元素含量增加，Ti₃AlC增强体体积分数增加，弥散均匀析出，对材料的强化作用逐渐增强，室温抗拉强度≥728Mpa，室温塑性≥0.5％，800℃的高温抗拉强度≥753Mpa，各项力学性能均有提升。采用扫描电镜观察所述强韧化钛铝基复合材料900℃的拉伸试样应变区组织，参见图3，放大倍数为5000，Ti₃AlC增强体钉扎在基体组织界面，有效阻碍了裂纹扩展，显著提高了钛铝基复合材料的力学性能。

实施例三，一种强韧化钛铝基复合材料，按重量百分比包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，4％的C，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同。随着C元素含量的增加，Ti₃AlC增强体的体积分数增加，弥散均匀析出，对材料的强化作用显著增强，材料的室温抗拉强度可达≥750Mpa，800℃的高温抗拉强度可达≥762Mpa，原位自生增强体体积分数增加为材料提供了较大变形抗力，显著提高了材料的室温、高温强度。

表1材料的力学性能

将实施例一、实施例二、实施例三、对比例一、对比例二所述的钛铝基复合材料分别在温度为室温、800℃、850℃、900℃的条件下进行高温拉伸试验，结果参见表1。

对比例一的钛铝基复合材料按重量百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，0.01％的C，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同。

对比例二的钛铝基复合材料按重量百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，7％的C，余量为Ti，其制备方法与实施例一相同。

由表1可知，实施例一、实施例二的钛铝基复合材料明显优于对比例一和对比例二的合金材料的力学性能。对比例一加入的C元素含量为0.01％，其对合金材料力学性能提升有限，相较于实施例一和实施例二，其力学性能较差。采用扫描电镜观察对比例一的钛铝基复合材料的微观形貌，参见图4，放大倍数为1000，由于C元素含量过小，基体内没有增强体析出，裂纹扩展和基体的塑性变形无法得到有效限制，材料的力学性能较差。

对比例二加入的C元素含量为7％，过量C元素的引入会显著恶化合金材料的各项力学性能，用扫描电镜观察对比例一的钛铝基复合材料的微观形貌，参见图5和图6，放大倍数分别为1000和5000，过量C元素会原位自生形成大量的大尺寸Ti₃AlC增强体，Ti₃AlC增强体聚集析出，造成高密度应力集中，显著恶化材料的力学性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种强韧化钛铝基复合材料，其特征在于，按重量百分比计包括如下组分：42～51％的Al，4～10％的Nb，1～2％的Mo，1～2％的Cr，0.5～6％的C，余量为Ti。

2.根据权利要求1所述的强韧化钛铝基复合材料，其特征在于，按重量百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，0.5～4％的C，余量为Ti。

3.根据权利要求1或2所述的强韧化钛铝基复合材料，其特征在于，按重量百分比计包括如下组分：43％的Al，6％的Nb，1％的Mo，1％的Cr，1％的C，余量为Ti。

4.一种强韧化钛铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，称料，按照权利要求1～3任一项所述的元素组分重量百分比称取海绵钛、体积≤6cm³的铝块、铬粉、铝铌中间合金、铝钼中间合金以及TiC粉；

5.根据权利要求4所述强韧化钛铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述S1中海绵钛的粒径≤10mm，铬粉的粒径≤5mm，纯度≥99.99wt.％；铝铌中间合金的粒径≤5mm，铌元素含量为50～54％；铝钼中间合金的粒径≤5mm，钼元素含量为48～52％；所述TiC粉的粒径≤2.5μm，纯度≥99.99wt.％。