CN115109965B - 一种高塑性多晶TiAl合金及其制备方法 - Google Patents

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    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Abstract

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高塑性多晶TiAl合金及其制备方法，所述高熵合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.0～42.5％、V：7.2～7.5％、Cr：0.3～0.4％，余量为Ti和不可避免的杂质；所述高塑性多晶TiAl合金由γ相、α2相和B2相组成，其中B2相含量在15％～22％之间；所述TiAl合金的制备步骤包括原料熔炼、高温挤压、热处理等步骤；本发明制备得到的高塑性多晶TiAl合金塑性断裂伸长率能达到5％以上，并且适合工业大规模生产，在航空航天领域有良好的应用前景。

Description

一种高塑性多晶TiAl合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高塑性多晶TiAl合金及其制备方法。
背景技术
TiAl合金是一种低密度、高比强度、高比模量、具有优异高温力学性能的高温结构材料，2007年开始钛铝合金已经在国外多型主流航空发动机上获得应用，经过国外多年的应用验证和国内研制技术的进步，国内空天领域的设计部门对TiAl合金的信心逐步增强，开始更多的寻求更广泛的使用TiAl合金。
但是，TiAl合金较低的室温塑性限制了其更广泛的应用，目前，国内外多晶TiAl合金的室温下的塑性断裂伸长率在0.5％～2.5％范围内，有极少数实验室研究状态的多晶TiAl合金室温下的塑性断裂伸长率能够达到3％。近几年，南京理工大学等通过定向凝固的方法制备出了室温下的塑性断裂伸长率6.9％的单晶TiAl合金，但是受限于TiAl合金晶体生长特性和单晶制备方法的原因，难以制备出较大尺寸的单晶TiAl合金。
随着航空航天领域设计部门的更广泛需求，如航天领域的承力杆、盘等构件，对TiAl合金的尺寸以及其在塑性断裂伸长率有更高的要求。因此，为了使TiAl合金在工业领域更广泛的应用，对其进行改良是十分有必要的。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明提出一种高塑性多晶TiAl合金及其制备方法，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，一种高塑性多晶TiAl合金，所述高塑性多晶TiAl合金由γ相、α2相和B2相组成，其中B2相含量在15％～22％之间；所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.0～42.5％、V：7.2～7.5％、Cr：0.3～0.4％、余量为Ti和不可避免的杂质；所述多晶TiAl合金在室温下的塑性断裂伸长率不低于5％；所述高塑性多晶TiAl合金为双态组织，B2相和片层沿同一方向分布，片层团长度方向和厚度方向尺寸比大于2:1。
进一步的，所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.3％、V：7.2％、Cr：0.3％、余量为Ti和不可避免的杂质。
另一方面，本发明还提出一种基于前述高塑性多晶TiAl合金的制备方法，用于制备上述的高塑性多晶TiAl合金，具体包括如下步骤：
S1：将原材料熔炼得到铸锭；
S2：在γ相完全溶解的温度Tγ,solv-T1的三相区(γ+α+β)进行挤压加工，挤压比为3～4，其中T1为20～35℃任意值，Tγ,solv为1200～1220℃任意值；在这个温度区间含有较大量的β/B2相，高温下利于热加工，加工后可以保存到室温形成B2相。
S3：850℃保温6小时，炉冷，得到高塑性多晶TiAl，在其合金成分和组织结构的共同作用下，成品的高塑性多晶TiAl可以达到更高的塑性断裂伸长率。
本发明的提出的高塑性多晶TiAl合金及其制备方法具有以下有益效果：
(1)本发明提出的高塑性多晶TiAl合金，室温下的塑性断裂伸长率能达到5％，室温强度1000MPa以上，密度在3.9～4.1g/cm3，在航空航天工业上能够部分替代的传统的钛合金(密度为4.5左右)和镍基高温合金，替代镍基高温合金可达到减重50％，实现结构减重。
(2)本发明提出的高塑性多晶TiAl合金，在尺寸上能够制造成工业部件级别，适合于航空航天工业推广和应用。
(3)此外，含Nb的TiAl合金中B2相含量通常控制在5％以下，以防止B2相使合金脆化，本发明合金的B2相具有较好的变形能力，含量控制在15％～22％之间，能够获得较好的室温塑性伸长率(伸长率大于5％)。
附图说明
图1为本发明提出的高塑性多晶TiAl合金的组织形貌图(EBSD)；
图2为本发明提出的高塑性多晶TiAl合金200倍放大倍数下的组织形貌图；
图3为本发明提出的高塑性多晶TiAl合金200倍放大倍数下的组织形貌图；
图4为本发明提出的高塑性多晶TiAl合金200倍放大倍数下的组织形貌图；
图5为本发明提出的高塑性多晶TiAl合金1000倍放大倍数下的组织形貌图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例1
本实施例提出一种高塑性多晶TiAl合金，所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.0％、V：7.2％、Cr：0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例还提出一种高塑性多晶TiAl合金，用于制备上述的高塑性多晶TiAl合金，具体包括如下步骤：
S1：将零级海绵钛、99.9％的Cr、A00级高纯铝、AlV中间合金等，按照获得重量100kg铸锭配置原材料，压制电极，随后采用3次真空自耗熔炼的方法，制备出直径220mm铸锭；
S2：220mm铸锭在1180℃进行挤压加工，挤压比为4；
S3：得到的产物在850℃条件下保温6小时，炉冷得到高塑性多晶TiAl合金。
取最终得到的高塑性多晶TiAl合金进行SEM测试，由图1SEM背散射电子的图片可以观测到TiAl合金中B2相的含量达到18％，且TiAl合金为双态组织；由图2～5信号下可以观测到B2相沿挤压方向拉长分布，γ/α2片层团长度方向和厚度方向尺寸比大于2:1。
取最终得到的高塑性多晶TiAl合金进行拉伸性能测试，结果如表1所示，在23℃下其塑性断裂伸长率达到5.4％。
表1
测试温度 σ0.2(MPa) σb(MPa) A(％)
23℃ 1074 792 5.4
700℃ 775 535 56.0
750℃ 680 480 70.5
实施例2
本实施例提出一种高塑性多晶TiAl合金，所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.5％、V：7.5％、Cr：0.4％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例还提出一种高塑性多晶TiAl合金，用于制备上述的高塑性多晶TiAl合金，具体包括如下步骤：
S1：将零级海绵钛、99.9％的Cr、A00级高纯铝、AlV中间合金等，按照获得重量50kg铸锭配置原材料，压制电极，随后采用3次真空自耗熔炼的方法，制备出直径200mm铸锭；
S2：200mm铸锭在1200℃进行挤压加工，挤压比为3；
S3：得到的产物在850℃条件下保温6小时，炉冷得到高塑性多晶TiAl合金。
实施例3
本实施例提出一种高塑性多晶TiAl合金，所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.2％、V：7.3％、Cr：0.3％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例还提出一种高塑性多晶TiAl合金，用于制备上述的高塑性多晶TiAl合金，具体包括如下步骤：
S1：将零级海绵钛、99.9％的Cr、A00级高纯铝、AlV中间合金等，按照获得重量50kg铸锭配置原材料，压制电极，随后采用3次真空自耗熔炼的方法，制备出直径200mm铸锭；
S2：200mm铸锭在1165℃进行挤压加工，挤压比为3.5；
S3：得到的产物在850℃条件下保温6小时，炉冷得到高塑性多晶TiAl合金。
实施例4
本实施例提出一种高塑性多晶TiAl合金，所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.3％、V：7.4％、Cr：0.4％，余量为Ti和不可避免的杂质。
本实施例还提出一种高塑性多晶TiAl合金，用于制备上述的高塑性多晶TiAl合金，具体包括如下步骤：
S1：将零级海绵钛、99.9％的Cr、A00级高纯铝、AlV中间合金等，按照获得重量50kg铸锭配置原材料，压制电极，随后采用3次真空自耗熔炼的方法，制备出直径200mm铸锭；
S2：200mm铸锭在1185℃进行挤压加工，挤压比为3.7；
S3：得到的产物在850℃条件下保温6小时，炉冷得到高塑性多晶TiAl合金。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种高塑性多晶TiAl合金，其特征在于，所述高塑性多晶TiAl合金由γ相、α2相和B2相组成，其中B2相含量在15%～22%之间；所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.0～42.5%、V：7.2～7.5%、Cr：0.3～0.4%，余量为Ti和不可避免的杂质；所述多晶TiAl合金在室温下的塑性断裂伸长率不低于5%；所述高塑性多晶TiAl合金为双态组织，B2相和片层沿同一方向分布，片层团长度方向和厚度方向尺寸比大于2:1，所述多晶TiAl合金的制备方法包括如下步骤：
S1：将原材料熔炼得到铸锭；
S2：在γ相完全溶解的温度Tγ,solv-T1的三相区（γ+α+β）进行挤压加工，挤压比为3～4，其中T1为20~35℃任意值，Tγ,solv为1200~1220℃任意值；
S3：850℃保温6小时，炉冷，得到高塑性多晶TiAl。
2.根据权利要求1所述的一种高塑性多晶TiAl合金，其特征在于，所述TiAl合金的化学成分按照原子百分含量为：Al：42.3%、V：7.2%、Cr：0.3%、余量为Ti和不可避免的杂质。
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