CN112981156A - Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新材料设计与增材制造技术领域。提供了一种Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备方法。该复合材料按体积百分数由1.0％～10.0％的Ti2AlNb和90.0％～99.0％的TiAl合金组成，TiAl合金按原子百分数由45％～48.5％Ti、45％～48.5％Al和3％～5％其他合金元素组成，合金元素为Cr、Nb、V、Mn、Mo和C中的2～4种元素组合，其中C在TiAl合金中原子百分比≤0.15％。所述制备方法在成形前对基板进行高温加热处理；后采用同步高温加热和电磁搅拌辅助激光直接沉积的方法进行制备；本发明的TiAl基复合材料和制备方法实现了材料的晶粒细化，大幅提高了室温塑性，对促进TiAl基材料在发动机零部件的研制和应用具有重要意义。

Description

Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备方法
技术领域
本发明属于新材料设计与增材制造技术领域。涉及一种Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备工艺。
背景技术
TiAl基合金是一种新型的轻质高温结构材料，不仅密度低，还具有优异的高温性能，在760℃～850℃高温下稳定、可靠的工作。因此，TiAl合金在新一代航空航天发动机上将取代部分镍基高温合金，用于燃烧室旋流器、机匣、高压压气机叶片和低压涡轮叶片等热端部件的制造。然而，TiAl基合金主要是由γ-TiAl相基体和第二相α2-Ti3Al相组成，这两种相均为金属间化合物，其Ti-Al之间的强键合力赋予TiAl基合金良好的高温强度和抗蠕变性能，同时也导致室温塑性极低，使得可成形性和可加工性非常差，这严重制约了TiAl基合金在航空航天领域走向广泛应用。
研究表明，细化晶粒是改善TiAl基合金室温塑性的重要途径，实现晶粒细化方式主要有合金化、第二相(如Al2O3、TiB2、Ti5Si3陶瓷颗粒等)弥散和新的制备工艺。目前在TiAl基合金中加入Cr、V、Mo等合金能显著改善热加工性和超塑性以及高温抗氧化性，但仍然不能根本解决室温低塑性的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备方法，通过激光直接沉积成形工艺，达到在保持原有高温性能的前提下，细化基体晶粒，实现TiAl基材料的室温增塑，提高可成形性和可加工性。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一方面，提供一种Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料，所述的复合材料是以TiAl合金为基体，以Ti2AlNb合金为増塑颗粒；按体积百分数由1.0％～10.0％的Ti2AlNb合金和90.0％～99.0％的TiAl合金组成。
另一方面，提供一种制备所述复合材料的方法，所述的方法通过激光直接沉积方法制备，包含以下步骤：
(1)原材料准备：
按所述复合材料中体积百分比配制Ti2AlNb和TiAl合金粉末；
对于双粉筒和多粉筒送粉器的激光直接沉积设备，将Ti2AlNb和TiAl合金粉末分别装入送粉器的不同粉筒；
对于单粉筒送粉器的激光直接沉积设备，按设计TiAl基复合材料中Ti2AlNb与TiAl的体积百分比配制混合粉末，并通过球磨机等装置搅拌均匀后，装入送粉器的粉筒；
(2)基板安装与预热：
将成形基板安装和固定在电磁搅拌装置的工作台上，同时对基板进行预热，预热温度为500℃～550℃，并在成形过程持续加热，基板的温度持续保持在500℃以上；
(3)激光直接沉积与电磁搅拌工艺参数：
激光直接沉积参数：激光功率1050W～1500W，激光扫描速率15～20mm/s，扫描搭接率40％～60％，
电磁搅拌参数：电流频率为20Hz，电流值为80A～130A，电磁搅拌装置工作区的磁场强度约为80～100GS；
(4)成形制备：按设定轨迹进行激光直接沉积成形制备，制备过程中采用连续沉积成形方式，使得成形金属的温度一直保持在650℃以上，成形完毕后，立即在成形的TiAl基复合材料上覆盖保温材料，基板加热保持温度在500℃～550℃时间不少于30分钟后，停止加热，并在保温材料覆盖条件下缓冷至室温，即获得无裂纹缺陷的Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料。
步骤(1)中TiAl合金粉末按原子百分数由45％～48.5％Ti、45％～48.5％Al和3％～5％其他合金元素组成，合金元素为Cr、Nb、V、Mn、Mo和C中的2～4种元素组合，其中C在TiAl合金中原子百分比≤0.15％。
步骤(1)中Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由50％～57％Ti、21％～25％Al和22％～27％Nb组成。
步骤(1)中所述Ti2AlNb和TiAl合金粉末均为气雾化或旋转电极等方法制备的球形粉末，其中TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米。
步骤(3)中送粉速率选择如下：
采用双通道送粉时，Ti2AlNb和TiAl合金粉筒的送粉速率之比等同于设计的TiAl基复合材料中Ti2AlNb与TiAl的体积百分比，总的送粉速率为10.0～12.0g/min，
当单通道送粉时，送粉速率为6.0～12.0g/min。
优选地，步骤(2)中采用电阻加热对基板进行预热。
优选地，步骤(4)中所述保温材料为石棉。
本发明的有益效果是：
1、TiAl和Ti2AlNb均为Ti-Al系金属间化合物，具有高温强度高、抗蠕变性能好、高温组织稳定性好等优点，因此是航空航天领域未来最具潜力的的轻质高温结构材料之一。但TiAl合金的服役温度可达750～850℃，而Ti2AlNb合金的服役温度略低，为600～650℃。目前TiAl基复合材料主要通过添加Al2O3、TiB2、Ti5Si3等陶瓷颗粒以提高高温性能。而本发明中利用Ti2AlNb相弥散的TiAl基复合材料不但能提高其高温强度，而且室温塑性得到大幅提高，室温延伸率提高了近一倍。
2、本发明利用Ti2AlNb的高熔点(约1700℃)特性，通过激光直接沉积成形TiAl合金(熔点约为1420℃～1450℃)过程中，未能完全消融的Ti2AlNb颗粒起到了弥散作用，细化了基体晶粒，实现了TiAl基材料的室温增塑和高温增强，提高可成形性和可加工性。同时实验结果表明：当Ti2AlNb颗粒的添加量大于10.0％(体积百分数)时，复合材料的TiAl基体中开始出现B2相，导致在750℃～850℃的蠕变和持久性能发生显著下降，即降低了材料的服役温度，因此本发明中Ti2AlNb合金颗粒的添加量控制1.0％～10.0％(体积百分数)。
3、本发明利用Ti2AlNb粉末和TiAl粉末经同步的高温加热和电磁搅拌辅助激光直接沉积工艺，通过成形过程中未完全消融的Ti2AlNb颗粒弥散效应，制备了Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料，实现了TiAl基材料的晶粒细化和微合金化。由于Nb元素的添加能够改善高温性能，激光直接沉积工艺和Ti2AlNb颗粒的晶粒细化和增塑作用，使得制备的TiAl基复合材料具有优良的室高温力学性能，测得其室温拉伸强度达到530MPa以上，延伸率达2.5％以上，显著优于铸造或增材制造的相近成分TiAl基合金(如Ti48Al2Cr2Nb合金)的室温拉伸强度(约为420MPa～500MPa)和延伸率(≤1.3％)。
附图说明
图1为激光直接沉积的Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料的显微组织图；左图为低倍数(100倍)显微组织图，右图为高倍数(500倍)显微组织图；
其中，1为未消融的Ti2AlNb颗粒。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
TiAl基复合材料用原材料成分1
本实施例中激光直接沉积用原材料：TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米，原材料中TiAl粉末占体积百分数为99.0％，Ti2AlNb粉末占体积百分数为1.0％。TiAl合金粉末按原子百分数由约为48.0％Ti、48.0％Al、2.0％Cr和2.0％Nb和0.06％C组成。Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由约为53.0％Ti、22.0％Al和25.0％Nb和0.05％C组成。
TiAl基复合材料用原材料成分2
本实施例中激光直接沉积用原材料：TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米，原材料中TiAl粉末占体积百分数为97.0％，Ti2AlNb粉末占体积百分数为3.0％。TiAl合金粉末按原子百分数由约为48.0％Ti、48.0％Al、2.0％Cr和2.0％Nb和0.06％C组成。Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由约为53.0％Ti、22.0％Al和25.0％Nb和0.05％C组成。
TiAl基复合材料用原材料成分3
本实施例中激光直接沉积用原材料：TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米，原材料中TiAl粉末占体积百分数为95.0％，Ti2AlNb粉末占体积百分数为5.0％。TiAl合金粉末按原子百分数由约为48.0％Ti、48.0％Al、2.0％Cr和2.0％Nb和0.06％C组成。Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由约为53.0％Ti、22.0％Al和25.0％Nb和0.05％C组成。
TiAl基复合材料用原材料成分4
本实施例中激光直接沉积用原材料：TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米，原材料中TiAl粉末占体积百分数为93.0％，Ti2AlNb粉末占体积百分数为7.0％。TiAl合金粉末按原子百分数由约为48.0％Ti、48.0％Al、2.0％Cr和2.0％Nb和0.06％C组成。Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由约为53.0％Ti、22.0％Al和25.0％Nb和0.05％C组成。
TiAl基复合材料用原材料成分5
本实施例中激光直接沉积用原材料：TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米，原材料中TiAl粉末占体积百分数为91.0％，Ti2AlNb粉末占体积百分数为9.0％。TiAl合金粉末按原子百分数由约为48.0％Ti、48.0％Al、2.0％Cr和2.0％Nb和0.06％C组成。Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由约为53.0％Ti、22.0％Al和25.0％Nb和0.05％C组成。
TiAl基复合材料用原材料成分6
本实施例中激光直接沉积用原材料：TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米，原材料中TiAl粉末占体积百分数为90.0％，Ti2AlNb粉末占体积百分数为10.0％。TiAl合金粉末按原子百分数由约为48.0％Ti、48.0％Al、2.0％Cr和2.0％Nb和0.06％C组成。Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由约为53.0％Ti、22.0％Al和25.0％Nb和0.05％C组成。
上述材料成分均可以达到激光直接沉积制备Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料的目的，采用以下高温加热和电磁搅拌辅助激光直接沉积成形制备工艺参数：成形前基板预热温度为500℃～550℃，并在成形过程持续加热，使基板的温度持续保持在500℃以上；然后高温加热和电磁搅拌辅助激光直接沉积成形时，激光功率1050W～1500W、激光扫描速率15～20mm/s、扫描搭接率40％～60％，采用双通道送粉时，总的送粉速率为10.0～12.0g/min，当单通道送粉时，送粉速率为6.0～12.0g/min，并通过连续沉积成形方式，使成形金属的温度一直保持在650℃以上；电磁搅拌的电流频率为20Hz、电流值为80A～130A、电磁搅拌装置工作区的磁场强度为80～100GS。成形完毕后，立即对成形的TiAl基复合材料进行后热处理和缓冷处理，首先基板加热保持温度在500℃～550℃时间不少于30分钟，停止加热后，在石棉或其它保温材料覆盖条件下缓冷至室温。获得的TiAl基复合材料平均室温拉伸强度不低于530MPa，延伸率不低于2.5％。
结合TiAl基复合材料用原材料成分6，描述具体成形方法如下：
采用6000W光纤激光直接沉积设备成形Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料，具体步骤如下：
(1)材料准备：将Ti2AlNb和TiAl合金粉末分别装入送粉器的粉筒1和粉筒2。
(2)基板安装与预热：将成形用TiAl合金基板安装和固定在DJ-VF-J1-220型电磁搅拌装置的圆形转台上，同时采用电阻加热对基板进行预热，预热温度为550℃，并在成形过程持续加热，使基板的温度持续保持在500℃以上。
(3)激光直接沉积成形轨迹编程：设计的成形轨迹方式为“由内至外”的同心圆，每层沉积7道半径梯度递增的同心圆，相邻两层的同心圆起点间的夹角为90，即每4层为一个成形循环周期。
(4)高温加热和电磁搅拌辅助激光直接沉积成形制备：待TiAl合金基板温度稳定在550℃后，采用6000W光纤激光直接沉积设备按设定轨迹进行连续沉积成形制备，制备过程中成形金属的温度为660℃～800℃。激光直接沉积成形工艺参数为：激光功率为1100W，激光扫描速率16mm/s，扫描搭接率50％，双通道送粉时，设置粉筒1和粉筒2的送粉速率分别为1.1g/min和9.9g/min；电磁搅拌参数：电流频率为20Hz，电流值为100A，电磁搅拌装置工作区的磁场强度约为88GS。成形完毕后，立即在成形试样上覆盖了石棉，同时持续对基板加热保温温度为550℃，保温时间为30分钟，随后停止加热，并在石棉覆盖条件下缓冷至室温，制备获得的Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料试棒尺寸为Ф14.2mm×60mm，并对试棒的室温拉伸和持久性能进行了测试。实验结果显示，该TiAl基复合材料平均室温拉伸强度可达535MPa，平均延伸率达到2.6％，800℃/160MPa条件下平均持久寿命为175.9h。

Claims (8)

1.Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料，其特征在于，所述的复合材料是以TiAl合金为基体，以Ti2AlNb合金为増塑颗粒；按体积百分数由1.0％～10.0％的Ti2AlNb合金和90.0％～99.0％的TiAl合金组成。
2.制备权利要求1所述复合材料的方法，其特征在于，所述的方法通过激光直接沉积方法制备，包含以下步骤：
(1)原材料准备：
按所述复合材料中体积百分比配制Ti2AlNb和TiAl合金粉末；
(2)基板安装与预热：
对基板进行预热，预热温度为500℃～550℃，并在成形过程持续加热，基板的温度持续保持在500℃以上；
(3)激光直接沉积与电磁搅拌工艺参数：
激光直接沉积参数：激光功率1050W～1500W，激光扫描速率15～20mm/s，扫描搭接率40％～60％，
电磁搅拌参数：电流频率为20Hz，电流值为80A～130A，电磁搅拌装置工作区的磁场强度约为80～100GS；
(4)成形制备：按设定轨迹进行激光直接沉积成形制备，制备过程中采用连续沉积成形方式，使得成形金属的温度一直保持在650℃以上，成形完毕后，立即在成形的TiAl基复合材料上覆盖保温材料，基板加热保持温度在500℃～550℃时间不少于30分钟后，停止加热，并在保温材料覆盖条件下缓冷至室温，即获得无裂纹缺陷的Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中TiAl合金粉末按原子百分数由45％～48.5％Ti、45％～48.5％Al和3％～5％其他合金元素组成，合金元素为Cr、Nb、V、Mn、Mo和C中的2～4种元素组合，其中C在TiAl合金中原子百分比≤0.15％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由50％～57％Ti、21％～25％Al和22％～27％Nb组成。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述Ti2AlNb和TiAl合金粉末均为气雾化或旋转电极制备的球形粉末，其中TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中采用电阻加热对基板进行预热。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中送粉速率选择如下：
采用双通道送粉时，Ti2AlNb和TiAl合金粉筒的送粉速率之比等同于设计的TiAl基复合材料中Ti2AlNb与TiAl的体积百分比，总的送粉速率为10.0～12.0g/min；
当单通道送粉时，送粉速率为6.0～12.0g/min。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述保温材料为石棉。
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