CN116024457A

CN116024457A - 一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法

Info

Publication number: CN116024457A
Application number: CN202310007874.9A
Authority: CN
Inventors: 陈玮; 杨洋; 唐斌; 林博超; 付鹏飞
Original assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Current assignee: AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute
Priority date: 2023-01-04
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-04-28

Abstract

本发明涉及一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法，其中一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的粉末成分为Ti‑47.5Al‑6.8Nb‑0.2W，其元素重量百分比为：铝30.96％、铌16.02％、钨0.94％、铁0.02％、碳0.0055％、氮0.0158％、氢0.0021，余量为钛和不可避免的杂质元素。通过调整元素组分含量，为EBM工艺设计的高强TiAl合金成分方案为Ti‑47.5Al‑6.8Nb‑0.2W；与TNM合金相比，其中高含量的Al(47.5at.％)确保合金发生包晶凝固以避免织构形成，从而改善室温塑性；与TiAl‑4822合金相比，增加了Nb含量，并采用W代替Mo，从而保证合金具有更好的高温强度和抗蠕变性。

Description

一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法。

背景技术

TiAl系合金具有高比强度和比模量以及良好的高温性能，可在高温下长期工作，而其密度仅为镍基高温合金的一半。TiAl合金的高比刚度值(E/ρ)使声激发振动的频率提高，非常符合作为涡轮静子叶环、工作叶片及气喷嘴部件时的工况。过去的10年里，TiAl合金在航空领域取得了重大进步，并逐渐得到应用，如GEnx发动机的最后两级低压涡轮工作叶片，使用铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb(TiAl-4822)合金替代原有的镍基高温合金，实现减重100千克。

与Ni基高温合金相比，限制TiAl合金应用的最大障碍是加工成本高及使用温度要求苛刻等问题。一方面，TiAl金属键和共价键混合的键和方式使其在具有优异高温性能的同时，还存在本征脆性、加工难度大、成材率低等问题；另一方面，从相组成来看，TiAl合金从室温到接近熔点一直保持长程有序结构，因此加工温度非常高，且显微组织和变形特性对温度非常敏感，这就需要特定的热加工工艺和高温装备。

从材料方面而言，TiAl-4822合金室温强度约400MPa，使用温度在650℃左右，为满足新一代航空发动机热端部件的轻量化需求，需开发具有更高强度、更高使用温度的TiAl合金制造技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法，解决了脆性材料的加工难题，实现成形研制的TiAl合金强度达到750MPa以上，同时实现材料使用温度提升150℃的技术问题。

(二)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金，粉末成分为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W，其元素重量百分比为：铝30.96％、铌16.02％、钨0.94％、铁0.02％、碳0.0055％、氮0.0158％、氢0.0021，余量为钛和不可避免的杂质元素。

第二方面，提供了一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，包括步骤：

采用电子束选区熔化增材制造，在成形舱室内的两个料缸预先放置高强TiAl合金粉末；

调节成形制造的工艺参数；

采用优化工艺进行成形制造；

将成形完成后的材料进行热等静压处理；

对成形材料进行CT探伤检测；

加工制备室温拉伸试样，测试分析成形材料抗拉强度；

根据测试结果，调节成形制造的工艺参数，直至测试结果满足要求。

进一步地，所述成形舱室真空度为1×10^-3Pa～3×10^-3Pa。

进一步地，所述成形制造时，保持环境温度在1100～1150℃。

进一步地，所述成形工艺参数为：单层铺粉厚度0.09mm，加速电压为60KV，电子束流为15～20mA，扫描速度为2000～2600mm/s，聚焦电流为850～950mA。

进一步地，所述热等静压处理的参数为：1200℃+140MPa下，保温4小时。

进一步地，所述CT探伤检测要求为成形材料满足最大孔洞缺陷直径小于0.2mm，且无裂纹。

进一步地，所述成形材料抗拉强度的要求为抗拉强度满足750MPa、延伸率达到1％。

(三)有益效果

综上，本发明通过调整元素组分含量，为EBM工艺设计的高强TiAl合金成分方案为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W；与TNM合金相比，其中高含量的Al(47.5at.％)确保合金发生包晶凝固以避免织构形成，从而改善室温塑性；与TiAl-4822合金相比，增加了Nb含量，并采用W代替Mo，从而保证合金具有更好的高温强度和抗蠕变性。

本发明具有如下优点：

(1)根据电子束选区熔化增材制造工艺特点，通过TiAl系合金成分设计方法优化，调控元素含量，增加了Nb含量，递补了W元素，改善了材料塑性，提高了其高温热强性，设计了一种电子束选区熔化专用的高强TiAl合金粉末，进行了成形工艺的验证。

(2)采用电子束选区熔化增材制造方法，研制了高质量的高强TiAl合金成形材料，其抗拉强度和延伸率分别达到了750MPa以上、1.0％以上，并且可在800℃下稳定使用，实现了其综合性能的良好匹配，为促进高强TiAl合金的工程应用、满足未来对高强TiAl合金材料的需求提供理论和材料技术基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是电子束选区熔化成形高强TiAl合金沉积态的SEM图；

图2是电子束选区熔化成形高强TiAl合金热等静压态的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1和图2，本发明的实施例提出了一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金，粉末成分为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W，其元素重量百分比为：铝30.96％、铌16.02％、钨0.94％、铁0.02％、碳0.0055％、氮0.0158％、氢0.0021，余量为钛和不可避免的杂质元素。通过调整元素组分含量，为EBM工艺设计的高强TiAl合金成分方案为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W；与TNM合金相比，其中高含量的Al(47.5at.％)确保合金发生包晶凝固以避免织构形成，从而改善室温塑性；与TiAl-4822合金相比，增加了Nb含量，并采用W代替Mo，从而保证合金具有更好的高温强度和抗蠕变性。

第二方面，本发明提出一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，采用电子束选区熔化增材制造。

首先，实现电子束选区熔化增材制造用新型高强TiAl合金成分的主动优化设计。目前，TiAl合金牌号均是基于传统加工工艺(铸造、锻造、粉末冶金)而设计的，缺乏适合电子束选区熔化增材制造(EBM)的专用合金体系。而EBM是一种典型的极端非平衡凝固过程，其中涉及的物理、化学以及冶金行为还缺乏深入的研究，而采用常规的平衡/近平衡设计理论难以准确获得适合电子束粉床熔化的专用合金体系，因此，通过非平衡条件下的TiAl合金理论设计和电子束粉床熔化工艺验证，为EBM用高强TiAl合金粉末成分设计提供理论基础。

调整元素组分含量，为EBM工艺设计的高强TiAl合金成分方案为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W。与TNM合金相比，其中高含量的Al(47.5at.％)确保合金发生包晶凝固以避免织构形成，从而改善室温塑性。与TiAl-4822合金相比，增加了Nb含量，并采用W代替Mo，从而保证合金具有更好的高温强度和抗蠕变性。

其次，采用电子束选区熔化增材制造的方法将Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W粉末熔化成形。具体步骤如下：

1.采用电子束选区熔化增材制造方法进行制造，成形舱室真空度为1×10^-3Pa～3×10^-3Pa。

2.成形舱室内的两个料缸预先放置高强TiAl合金粉末，用于成形。

3.成形时，保持环境温度在1100～1150℃。

4.调节成形制造的工艺参数，采用优化工艺进行成形制造，具体成形工艺参数为：单层铺粉厚度0.09mm，加速电压为60KV，电子束流为15～20mA，扫描速度为2000～2600mm/s，聚焦电流为850～950mA。

5.将成形完成后的材料进行热等静压处理，消除成形缺陷及实现显微组织均匀化，热等静压参数为：1200℃+140MPa下，保温4小时。

6.针对成形材料，进行CT探伤检测，满足成形件最大孔洞缺陷直径小于0.2mm、无裂纹的要求。

7.加工制备制备室温拉伸试样，测试分析成形材料抗拉强度是否满足750MPa、延伸率是否达到1％。

8.根据测试结果，可进行步骤4的工艺参数调控，直至测试结果满足要求。

实施例：

1.设计成形用粉末成分为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W，其元素重量百分比为：铝30.96％、铌16.02％、钨0.94％、铁0.02％、碳0.0055％、氮0.0158％、氢0.0021、余量为钛和不可避免的杂质元素。

2.采用气雾化方法研制电子束选区熔化增材制造用粉末，粉末粒度为45～150μm。

3.成形工艺参数为：单层铺粉厚度0.09mm，加速电压为60KV，电子束流为20mA，扫描速度为2000mm/s，聚焦电流为850mA。

4.成形完成后，进行热等静压处理，热等静压工艺参数为：1200℃+140MPa下，保温4小时，温度下降至200℃以下出炉。

5.对成形材料进行室温及800℃拉伸性能测试，性能测试结果表明：室温下，其抗拉强度为776～804MPa，屈服强度达到775～779MPa，延伸率达到1.0～1.3％。800℃下，其抗拉强度为637～652MPa，屈服强度达到485～495MPa，延伸率达到2.0～2.7％。达到TiAl合金强韧性的优良匹配。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims

1.一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金，其特征在于，粉末成分为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W，其元素重量百分比为：铝30.96％、铌16.02％、钨0.94％、铁0.02％、碳0.0055％、氮0.0158％、氢0.0021，余量为钛和不可避免的杂质元素。

2.一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，其特征在于，包括步骤：

调节成形制造的工艺参数；

采用优化工艺进行成形制造；

将成形完成后的材料进行热等静压处理；

对成形材料进行CT探伤检测；

加工制备室温拉伸试样，测试分析成形材料抗拉强度；

3.根据权利要求2所述的一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，其特征在于，所述成形舱室真空度为1×10^-3Pa～3×10^-3Pa。

4.根据权利要求2所述的一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，其特征在于，所述成形制造时，保持环境温度在1100～1150℃。

5.根据权利要求2所述的一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，其特征在于，所述成形工艺参数为：单层铺粉厚度0.09mm，加速电压为60KV，电子束流为15～20mA，扫描速度为2000～2600mm/s，聚焦电流为850～950mA。

6.根据权利要求2所述的一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，其特征在于，所述热等静压处理的参数为：1200℃+140MPa下，保温4小时。

7.根据权利要求2所述的一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，其特征在于，所述CT探伤检测要求为成形材料满足最大孔洞缺陷直径小于0.2mm，且无裂纹。

8.根据权利要求2所述的一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，其特征在于，所述成形材料抗拉强度的要求为抗拉强度满足750MPa、延伸率达到1％。