CN113102760A - 一种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，该方法的特点是粉末冶金+轧制+热压烧结，该方法通过长时间的高温高压作用，实现Ti‑Al及Ti‑Al‑Nb单层基体之间的静态扩散，促进过渡组织形成；通过轧制变形，实现Ti‑Al、Ti‑Al‑Nb及过渡组织的动态形变，促进再结晶组织形成，晶粒细化；将静态扩散和动态形变结合起来，提高了钛铝铌复合板材的完整性和一致性。

Description

一种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法
技术领域
本发明是一种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，属于热加工技术领域。
背景技术
在金属间化合物开发研究过程中，具有优良高温比性能的TiAl系金属间化合物备受人们关注。而Ti2AlNb基合金作为一种Ti-Al系金属间化合物，在结构材领域，也逐渐成为研究热点。而它较高的高温比强度和抗蠕变性，较低的密度和热膨胀系数，以及良好的塑韧性，也使它成为航天航空工业中的理想材料，具有非常良好的应用前景。
TiAl基合金材料室温成形性能差，对复杂结构件的加工制造困难，影响了它的实用性。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其目的是利用粉末烧结技术对Ti-Al-Nb基合金材料进行加工，最终得到质量良好的微叠层钛铝铌复合板材，推动Ti-Al-Nb基合金材料的实际应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法的步骤是：
步骤一、钛铝合金块制备
根据钛铝合金块的重量称取粉末粒度一致的纯Ti粉末和纯Al粉末，其中纯Ti粉末和纯Al粉末的质量比为与原子比一致，将称取好的纯Ti粉末和纯Al粉末放入研钵中，在真空环境下进行混合，混合好后倒入石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在900℃～1300℃的温度下烧结0.5h～2h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得钛铝合金块；
步骤二、铌合金块制备
根据铌合金块的重量称取粉末粒度一致的纯Ti2AlNb粉末，然后倒入石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1000℃～1400℃的温度下烧结0.5h～2h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得铌合金块；
步骤三：钛铝铌复合坯料准备
将相同数量和厚度的钛铝合金块和铌合金块在真空环境下交叉叠加在一起，放置在方形石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1000℃～1400℃的温度下烧结0.5h～1h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得钛铝铌复合坯料；
步骤四：钛铝铌复合坯料轧制
将钛铝铌复合坯料加热至900～1100℃，然后送入板材轧机中轧制，变形量30～60％；
步骤五：微叠层钛铝铌复合板材的制备
将轧制完成的钛铝铌复合轧板切割成石墨模具所需尺寸，并再次在真空环境下交叉叠落在一起，放置在石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1000℃～1400℃的温度下烧结0.5h～1h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得微叠层钛铝铌复合板材。
在一种实施中，所述纯Ti粉和纯Al粉的纯度大于99.99％。
在一种实施中，所述纯Ti粉、纯Al粉和Ti2AlNb粉的粉末粒度为-400目～-600目。
进一步，所述纯Ti粉、纯Al粉和Ti2AlNb粉的粉末粒度为-400目。
在一种实施中，所述石墨模具的内腔为方形并采用国内最高强度石墨制成。
在一种实施中，所述真空烧结炉中的压力为30MPa。
在一种实施中，步骤三中所述钛铝合金块和铌合金块的数量为3～5块。
在一种实施中，步骤三中所述钛铝合金块和铌合金块的厚度为0.5mm。
由于TiAl基合金材料室温成形性能差、对复杂结构件的加工制造困难，影响了它的实用性。本发明技术方案正是针对上述问题，并根据目前国内对Ti-Al-Nb复合材料的潜在需求而研制的，本发明技术方案提出了一种粉末冶金+轧制+热压烧结的加工方法，制备出微叠层钛铝铌复合板材。
本发明技术方案基于对粉末冶金Ti-Al-Nb层状复合材料的塑性成形研究，其基本原理是：首先利用高温高压制备出粉末冶金Ti-Al及Ti-Al-Nb单层基体，单层基体满足全致密条件，内部由TiAl相和TixAl(Nb)相构成；其次将Ti-Al及Ti-Al-Nb单层基体交叉叠放，再次在高温高压条件下，促使Ti-Al及Ti-Al-Nb基体相互扩散连接，生成过渡组织，获得钛铝铌复合坯料；然后将钛铝铌复合坯料进行轧制，借助塑性变形，使组织内部积攒形变能，使过渡层组织和基体发生再结晶，促进组织一体化；最后将轧制后的钛铝铌复合坯料进行裁剪，并再次经过交叉叠放和热压烧结，从而获得微叠层钛铝铌复合板材。该种微叠层钛铝铌复合板材具有完整性、一致性和组织致密的优点。
所以，本发明技术方案制备的微叠层钛铝铌复合板材是一种新型的Ti-Al-Nb层状复合材料的结构形式，这种新型的层状复合材料内部呈现出的是一种TiAl-TixAl(Nb)-Ti2AlNb-TiAl结构，这种结构随着层厚的变化而愈发成为一个整体，充分发挥了两种材料的优势，并且将TiAl和Ti2AlNb独立的两种材料的弱点进行了弥补，比如TiAl材料的室温脆性大且加工困难，以及Ti2AlNb材料的高温性能差。
该种新型结构的Ti-Al-Nb层状复合材料具有TiAl和Ti2AlNb两种材料的加工性能和使用性能，在这个基础上，本发明技术方案制备的微叠层钛铝铌复合板材可成形性得到了极大的提高，使TiAl和Ti2AlNb两种材料通过该种微叠层钛铝铌复合板材获得了更广泛的应用前景和可能。
本发明技术方案的优点主要体现在：
(1)通过长时间的高温高压作用，实现Ti-Al及Ti-Al-Nb单层基体之间的静态扩散，促进过渡组织形成；
(2)通过轧制变形，实现Ti-Al、Ti-Al-Nb及过渡组织的动态形变，促进再结晶组织形成，晶粒细化；
(3)将静态扩散和动态形变结合起来，提高了钛铝铌复合板材的完整性和一致性。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
该种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一：钛铝合金块制备
根据钛铝合金块的重量称取粉末粒度一致的纯Ti粉末和纯Al粉末，其中纯Ti粉末和纯Al粉末的质量比为与原子比一致，将称取好的纯Ti粉末和纯Al粉末放入研钵中，在真空环境下进行混合，混合好后倒入方形石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1000℃的温度下烧结1.5h，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得钛铝合金块；
步骤二：铌合金块制备
根据铌合金块的重量称取粉末粒度一致的纯Ti2AlNb粉末，然后倒入方形石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1200℃的温度下烧结1.5h，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得铌合金块；
步骤三：钛铝铌复合坯料准备
分别将3块0.5mm厚的钛铝合金块和3块0.5mm厚的铌合金块在真空环境下交叉叠落在一起，放置在方形石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1200℃的温度下烧结1.5h，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得钛铝铌复合坯料；
步骤四：钛铝铌复合坯料轧制
将钛铝铌复合坯料加热至1000℃，然后送入板材轧机中轧制，变形量30～60％，将轧制完成的钛铝铌复合轧板沿切割成方形模具所需尺寸，并再次在真空环境下交叉叠落在一起，放置在方形石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1200℃的温度下烧结0.5h，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得钛铝铌复合轧板，重复步骤三和四5次以上，即可获得微叠层钛铝铌复合板材。

Claims (8)

1.一种微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：该方法的步骤是：
步骤一、钛铝合金块制备
根据钛铝合金块的重量称取粉末粒度一致的纯Ti粉末和纯Al粉末，其中纯Ti粉末和纯Al粉末的质量比为与原子比一致，将称取好的纯Ti粉末和纯Al粉末放入研钵中，在真空环境下进行混合，混合好后倒入石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在900℃～1300℃的温度下烧结0.5h～2h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得钛铝合金块；
步骤二、铌合金块制备
根据铌合金块的重量称取粉末粒度一致的纯Ti2AlNb粉末，然后倒入石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1000℃～1400℃的温度下烧结0.5h～2h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得铌合金块；
步骤三：钛铝铌复合坯料准备
将相同数量和厚度的钛铝合金块和铌合金块在真空环境下交叉叠加在一起，放置在方形石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1000℃～1400℃的温度下烧结0.5h～1h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得钛铝铌复合坯料；
步骤四：钛铝铌复合坯料轧制
将钛铝铌复合坯料加热至900～1100℃，然后送入板材轧机中轧制，变形量30～60％；
步骤五：微叠层钛铝铌复合板材的制备
将轧制完成的钛铝铌复合轧板切割成石墨模具所需尺寸，并再次在真空环境下交叉叠落在一起，放置在石墨模具内，将石墨模具放入真空烧结炉中，在1000℃～1400℃的温度下烧结0.5h～1h，压力为20～30MPa，然后随炉冷却至300℃以下取出，获得微叠层钛铝铌复合板材。
2.根据权利要求1所述的微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：所述纯Ti粉和纯Al粉的纯度大于99.99％。
3.根据权利要求1所述的微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：所述纯Ti粉、纯Al粉和Ti2AlNb粉的粉末粒度为-400目～-600目。
4.根据权利要求3所述的微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：所述纯Ti粉、纯Al粉和Ti2AlNb粉的粉末粒度为-400目。
5.根据权利要求1所述的微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：所述石墨模具的内腔为方形并采用国内最高强度石墨制成。
6.根据权利要求1所述的微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：所述真空烧结炉中的压力为30MPa。
7.根据权利要求1所述的微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：步骤三中所述钛铝合金块和铌合金块的数量为3～5块。
8.根据权利要求1所述的微叠层钛铝铌复合板材的制备方法，其特征在于：步骤三中所述钛铝合金块和铌合金块的厚度为0.5mm。
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