CN113881865A - 一种提高高温氧化性能的TiAl合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高高温氧化性能的TiAl合金及其制备方法，属于表面防护领域。本发明用放电等离子烧结方法对TiAl预制合金粉和石墨烯粉末进行烧结，制备全片层TiAl合金，在α2和γ片层间原位自生形成微纳米颗粒增强相。片层间弥散分布的微纳米颗粒增强相能够有效抑制氧在片层间的扩散，进而提高其抗氧化性能，850℃氧化增重100h约为普通TiAl合金在的80％。本发明从TiAl合金高温氧化机理出发，进行材料微观结构设计和调控，通过在扩散通道处引入第二相，阻碍氧的扩散，提高TiAl合金高温抗氧化性能，为解决金属材料高温抗氧化问题提供新的解决思路。
Description
技术领域
本发明属于表面防护领域，具体涉及一种提高高温氧化性能的TiAl合金及其制备方法。
背景技术
TiAl合金是一种先进的轻质高温结构材料，其具有优异的综合性能，如低密度、高比强度、良好的抗蠕变性能，是能够部分代替镍基高温合金的关键材料之一。目前TiAl合金已经成功应用于航空发动机压气机叶片和低压涡轮叶片，减重效果良好。随着航空航天工业的发展，材料服役温度进一步提高，服役环境也更加复杂，对材料提出了更高的要求，要求其具有更高的使用温度，更优异的综合性能。因此提高TiAl合金使用温度是该合金发展的重要方向，主要从合金成分设计方面和表面防护开展系列工作，通过添加高含量Nb元素可使TiAl合金使用温度提高50℃，为TiAl合金高温发展指明了方向。
申请人从TiAl合金氧化机理出发，发现TiAl合金构件和空气中的氧、氮等原子在高温下发生接触，这些原子在TiAl合金构件表面形成物理吸附，随着时间的延长部分氧分子将扩散进入到基体中的间隙位置或者与基体内的金属原子发生置换。而界面往往是良好的扩散通道，并且TiAl合金主要是以全片层结构为主，具有大量的界面，这是其高温抗氧化性能较差的根本原因。因此如何抑制氧在扩散通道的扩散可能是提高TiAl合金高温抗氧化性能的关键，通过在界面处原位自生微纳米尺度的颗粒，将会切断氧的扩散通道，进而提高高温抗氧化性能，为TiAl合金的组织控制和性能提高提供了新的解决思路。
发明内容
本发明的目的在于通过在界面处原位自生微纳米颗粒阻碍氧扩散，提高TiAl合金高温抗氧化性能，为抗氧化TiAl合金设计提供新思路，并基于此提供一种提高高温氧化性能的TiAl合金及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种提高高温氧化性能的TiAl合金，其特征在于，所述TiAl合金为全片层结构，通过在α2和γ片层间原位自生形成微纳米颗粒增强相，阻碍氧沿α2和γ界面扩散，从而提升TiAl合金高温抗氧化性能。
作为优选，所述的颗粒增强相在α2和γ片层间原位自生形成，尺寸为0.01-10μm，且颗粒增强相弥散分布于基体之中。
作为优选，所述TiAl合金为Ti-48Al-2Cr-2Nb。
作为优选，所述TiAl合金由TiAl预制合金粉末与氧化石墨烯粉末通过放电等离子烧结设备进行烧结成型。
进一步的，所述TiAl预制合金粉末的化学成分按照原子百分比计为Al：43-48，Nb：2-8，Cr：0-2，V：0-2，Mo：0-3，微量元素B、C和Re含量<0.1，余量为Ti。
进一步的，所述TiAl预制合金粉末采用旋转电极制粉或气雾化法制备，粒径为53-150μm。
第二方面，本发明还提供了一种如第一方面任一方案所述TiAl合金的制备方法，其步骤如下：
将TiAl预制合金粉末与氧化石墨烯粉末通过球磨均匀混合后烘干，再采用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结温度为1250℃～1350℃，烧结过程中石墨烯中的碳原子迅速扩散并固溶于晶格间隙位置，在烧结冷却过程中，过饱和固溶体中析出的Ti2AlC微纳米颗粒与γ相保持良好的共格特性，在α2和γ片层间原位自生形成微纳米颗粒增强相，最终获得致密全片层结构的块体TiAl合金材料。
作为优选，烧结过程中保温5min，烧结压力为45MPa。
作为优选，球磨过程中球料比≤1，球磨机转速控制在300r/min，球磨时间为360min，球磨后得到的均匀混合粉末在真空箱内进行干燥处理，烘干温度为300℃，烘干时间为240min。
作为优选，两种粉末混合时，氧化石墨烯相对于TiAl预制合金粉末的质量百分比为0.1～1wt.％。
本发明的另一目的在于提供一种根据上述所述制备方法得到的TiAl基复合材料。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)本发明合理利用在界面处原位自生微纳米颗粒，阻碍氧的扩散，提高全片层结构TiAl合金高温抗氧化性能；
(2)本发明原位自生微纳米颗粒具有复合材料特点，可在提高TiAl合金高温抗氧化性能的同时提高其力学性能，进一步拓宽TiAl合金使用温度范围；
(3)本发明原位自生微纳米颗粒，对TiAl合金成分设计和组织结构调控具有重大意义；
(4)采用本发明制备得到的TiAl合金材料在航空航天、汽车制造和军工业等领域具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明制备的全片层结构TiAl合金，且在α2和γ片层间原位自生形成微纳米颗粒。
图2为750℃和850℃循环抗氧化的氧化动力学曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
本发明的目的是提供一种提高高温氧化性能的TiAl合金，该TiAl合金为全片层结构，通过在α2和γ片层间原位自生形成微纳米颗粒增强相，阻碍氧沿α2和γ界面扩散，从而提升TiAl合金高温抗氧化性能。
这种全片层结构的TiAl合金可以由TiAl预制合金粉末与氧化石墨烯粉末通过放电等离子烧结设备进行烧结成型。颗粒增强相可在烧结过程中会在α2和γ片层间原位自生形成，尺寸为0.01～10μm，属于微纳米级别，且颗粒增强相弥散分布于基体之中。
上述提高高温氧化性能的TiAl合金的制备方法如下：
(1)采用旋转电极制粉或气雾化法制备TiAl预制合金粉末，其化学成分按照原子百分比计为Al：43-48，Nb：2-8，Cr：0-2，V：0-2，Mo：0-3，微量元素B、C、Re含量等<0.1，余量为Ti，粉末粒度在53-150μm。在该成分中，V和Mo元素是可以缺少的。另外，在本发明中掺杂至TiAl预制合金粉末中的石墨烯为氧化石墨烯粉末，两种粉末按要求配比后(氧化石墨烯含量为0.1～1wt.％)，可采用机械球磨机进行混合后烘干。为避免球磨罐污染，本发明优选采用特制的钛合金球磨罐。由于TiAl合金室温塑性较差，为避免球磨过程中粉末破碎采用玛瑙球进行球磨，且保持球料比≤1。球磨机转速优选控制在300r/min，球磨时间优选为360min。将球磨混合均匀的粉末在真空箱内进行干燥处理，烘干温度优选为300℃，烘干时间优选为240min，去除水分后得到混合粉末。
(2)将(1)中烘干后的混合粉末采用放电等离子烧结设备进行烧结成型，烧结温度为1250℃～1350℃(烧结温度选择在TiAl合金Tα温度以上)，保温一定时间后冷却至室温，获得致密全片层TiAl合金。TiAl合金的试样尺寸优选控制为Φ10-50mm，可以通过选择相应的模具来调整。烧结过程中的保温优选为5min，烧结压力优选为45MPa。
当然，上述TiAl合金制备过程中的具体参数可以根据实际情况进行优化，上述仅为推荐参数。
下面通过实施例来展示本发明的具体技术效果。
实施例
本实施例中，提供了一种提高高温氧化性能的TiAl合金制备方法，该方法以旋转电极法制备的Ti-48Al-2Cr-2Nb预制合金粉末和氧化石墨烯粉末为原材料，粉末粒度均在53-150μm，氧化石墨烯相对于TiAl预制合金粉末的添加量约为0.5wt.％。制备的具体过程如下：
(1)称取Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末50g，氧化石墨烯粉末2.5g，置于真空袋内。
(2)将称好的粉末置于钛合金球磨罐中经机械球磨混合均匀，球磨时间为360min，球磨机转速为300r/min，求料比为1:1，球为玛瑙球。
(3)将球磨混合后的粉末置于真空箱内进行真空烘干，烘干温度为300℃，烘干时间为240min。
(4)采用放电等离子烧结设备进行粉末烧结，烧结前先将真空烘干后的混合粉末置于Φ50mm石墨模具内，然后1300℃的烧结温度下保温5min进行烧结，烧结压力为45MPa，冷却后，获得致密全片层结构的TiAl合金块体材料。
(5)为了考察得到的TiAl合金的组织结构以及高温抗氧化性能，采用线切割在TiAl合金块体材料上切取0.5cm×0.5cm×0.5cm试样(记为0.5GO)，以便于进行组织观察和抗氧化实验。
(6)按金相标准制备方法进行试样处理，并进行金相显微组织观察和扫描电镜显微组织观察，如图1所示。烧结态微观组织为全片层结构(图1a)，石墨烯自身二维结构和高活性特点，烧结高温下碳原子迅速扩散并固溶于晶格间隙位置，在烧结冷却过程中，过饱和固溶体中析出Ti2AlC微纳米颗粒，与γ相保持良好的共格特性，在α2和γ片层间原位自生形成微纳米尺度颗粒(图1b)，颗粒尺寸为0.1～2μm。
(7)再将超声波清洗干净的上述TiAl合金试样(0.5GO组)放置于不同的高纯氧化铝坩埚内，分别在750℃和850℃进行循环高温氧化实验，并绘制氧化增重曲线，考察两种材料高温抗氧化性能。
同时，为了进行对比，本实施例中还设置了一组对照的TiAl合金试样，该对照组与本实施例的制备方法差异在于不添加氧化石墨烯粉末，仅采用Ti-48Al-2Cr-2Nb预制合金粉末进行烧结，其余与本实施例的0.5GO组制备方法均相同，因此对照组的TiAl合金试样记为0GO组。0GO组的TiAl合金试样也按照相同的方法，分别在750℃和850℃进行循环高温氧化实验，并绘制氧化增重曲线，评价合金高温抗氧化性能。
最终，0GO和0.5GO组的合金在750℃和850℃下得到的氧化动力学曲线见图2。从图2可以看出，本发明原位自生且在片层间弥散分布的微纳米颗粒增强相能够有效抑制氧在片层间的扩散，进而明显提升TiAl合金高温抗氧化性。而没有添加氧化石墨烯粉末的TiAl合金则无法形成微纳米颗粒增强相，因此其高温抗氧化性较差。从量化结果看，相比于普通的TiAl合金，本实施例制备的TiAl合金在850℃下100h的氧化增重约为普通TiAl合金在的80％。
由此可见，本发明从TiAl合金高温氧化机理出发，进行材料微观结构设计和调控，通过在扩散通道处引入第二相，阻碍氧的扩散，提高TiAl合金高温抗氧化性能，为解决金属材料高温抗氧化问题提供新的解决思路。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种提高高温氧化性能的TiAl合金，其特征在于，所述TiAl合金为全片层结构，通过在α2和γ片层间原位自生形成微纳米颗粒增强相，阻碍氧沿α2和γ界面扩散，从而提升TiAl合金高温抗氧化性能。
2.如权利要求1所述的提高高温氧化性能的TiAl合金，其特征在于，所述的颗粒增强相在α2和γ片层间原位自生形成，尺寸为0.01-10μm，且颗粒增强相弥散分布于基体之中。
3.如权利要求1所述的提高高温氧化性能的TiAl合金，其特征在于，所述TiAl合金为Ti-48Al-2Cr-2Nb。
4.如权利要求1所述的提高高温氧化性能的TiAl合金，其特征在于，所述TiAl合金由TiAl预制合金粉末与氧化石墨烯粉末通过放电等离子烧结设备进行烧结成型。
5.如权利要求4所述的提高高温氧化性能的TiAl合金，其特征在于，所述TiAl预制合金粉末的化学成分按照原子百分比计为Al：43-48，Nb：2-8，Cr：0-2，V：0-2，Mo：0-3，微量元素B、C和Re含量<0.1，余量为Ti。
6.如权利要求4所述的提高高温氧化性能的TiAl合金，其特征在于，所述TiAl预制合金粉末采用旋转电极制粉或气雾化法制备，粒径为53-150μm。
7.一种如权利要求1～6任一所述TiAl合金的制备方法，其特征在于，步骤如下：
将TiAl预制合金粉末与氧化石墨烯粉末通过球磨均匀混合后烘干，再采用放电等离子烧结设备进行烧结，烧结温度为1250℃～1350℃，烧结过程中石墨烯中的碳原子迅速扩散并固溶于晶格间隙位置，在烧结冷却过程中，过饱和固溶体中析出的Ti2AlC微纳米颗粒与γ相保持良好的共格特性，从而在α2和γ片层间原位自生形成微纳米颗粒增强相，最终获得致密全片层结构的块体TiAl合金材料。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，烧结过程中保温5min，烧结压力为45MPa。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，球磨过程中球料比≤1，球磨机转速控制在300r/min，球磨时间为360min，球磨后得到的均匀混合粉末在真空箱内进行干燥处理，烘干温度为300℃，烘干时间为240min。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，两种粉末混合时，氧化石墨烯相对于TiAl预制合金粉末的质量百分比为0.1～1wt.％。
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