CN116043053A - 一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物及其制备方法，本发明涉及金属间化合物技术领域，具体为一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物及其制备方法。本发明是要解决现有方法制备高铌TiAl金属间化合物存在高温强度、高温抗蠕变性与室温塑性难以兼顾，以及粗晶层与细晶层界面缺陷多，稳定性差的技术问题。方法：利用电子束选区熔化成形工艺制备高铌TiAl金属间化合物块体；确定合金的相变温度；固溶处理；时效处理。本发明提供的高铌TiAl金属间化合物将兼顾高温强度、高温抗蠕变性与室温塑性，具有优异的综合机械性能。本发明方法用于制备的具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物。

Description

一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属间化合物技术领域，具体为一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物及其制备方法。

背景技术

高铌TiAl金属间化合物兼具金属和陶瓷的特性，密度约为3.9-4.2g/cm³，较钛合金密度低7％～15％，且仅为镍基高温合金密度的一半。同时，高铌TiAl金属间化合物因其高比强度/比刚度、卓越的高温抗氧化与抗蠕变性能等优势，成为650～850℃温度区间内最具潜力的轻质耐热结构材料。目前，高铌TiAl金属间化合物正逐步向航空航天及汽车工业领域迈进，成功用作发动机的低压涡轮叶片与热端部件等关键结构件。面对超高速、高效、低能耗的航空发动机发展背景，提升高铌TiAl金属间化合物的综合机械性能迫在眉睫。

利用常规铸造方法制备的高铌TiAl金属间化合物具有粗大的片层团晶粒，因而展现出较强的高温抗蠕变性，但同时也显著恶化了室温塑性。为了改善室温塑性，目前常采用细化晶粒这一方法。目前存在几种可以有效地细化TiAl金属间化合物晶粒尺寸的方法，比如：放电等离子烧结技术、多向锻造工艺结合锻后热处理等。然而，现有方法均存在制备成本昂贵、产品尺寸受限及产品性能稳定性波动较大等缺点。同时，均匀的细晶结构虽提高了室温塑性，但势必会恶化高温强度与高温抗蠕变性。

为了获得具备良好综合机械性能的高铌TiAl金属间化合物，有必要同时将粗晶结构和细晶结构引入合金中，即引入异质结构。异质结构材料不仅兼具各组元的独特性质，还可通过异质变形诱导强化而产生额外的协同效应。通过将粗片层团晶粒与细片层团晶粒有机结合在高铌TiAl金属间化合物中，不仅可获得优越的高温强度与蠕变抗力，还可保持良好的塑性。目前，异质结构已广泛应用于镁、铝、铜、钛等合金中，并取得了卓越成效。常用的制备异质结构的途径包括剧烈塑性变形方法、热压烧结等。但是现有方法很难稳定地控制组织中粗晶与细晶各自的比例，并且很难适用于具有本征脆性的TiAl合金。

基于上述分析，亟待寻求一种能够成功制备粗细晶交替分布的异质结构的高铌TiAl金属间化合物的方法，这将推动TiAl合金更广泛的工程应用。

发明内容

本发明是要解决现有方法制备高铌TiAl金属间化合物存在高温强度、高温抗蠕变性与室温塑性难以兼顾，以及粗晶层与细晶层界面缺陷多，稳定性差的技术问题，而提供一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物及其制备方法。

一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，该高铌TiAl金属间化合物按照原子百分比：Al为43.5％～46.5％、Nb为6.5％～9.5％和余量的Ti。

所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，具体按以下步骤进行：

一、合成：采用电子束选区熔化成形工艺制备高铌TiAl金属间化合物块体：将预合金粉末进行电子束选区熔化成形，成形工艺参数包括：基底预热温度1150～1280℃，电流5.5～7.5mA，电子束扫描速度1500～2100mm/s，分层厚度65～75μm，扫描间距90～100μm；成形获得的高铌TiAl金属间化合物块体具有粗/细等轴γ晶粒相间分布的异质结构；

二、制取样品：利用线切割从步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体中部切下若干大小一致的样品，打磨平整，利用超声清洗；

三、确定热处理温度：利用差示扫描量热法对步骤二获得的样品进行热分析，获得α相转变温度T_α和共析温度T_e；

四、固溶处理：将步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置阶梯式升温程序，控制升温速度为13～18℃/min，匀速升温至590～610℃，保持8～12min；随后控制升温速度为8～12℃/min，匀速升温至(T_α～T_α+20)℃，保温20～40min；然后在(200～300)℃/min的冷却速率下冷却至室温；

五、时效处理：将步骤四固溶处理的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置升温程序，控制升温速率为12～18℃/min，匀速升温至(T_e-290)～(T_e-140)℃，保温6～15h，随炉冷却至室温，获得具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，完成制备。

步骤三获得了α相转变温度T_α和共析温度T_e，通过α相转变温度T_α，能够控制温度使金属间化合物块在步骤四固溶处理时处于α单相区，通过共析温度T_e，能够控制温度使金属间化合物块在步骤五时效处理时处于(α₂+γ)双相区。

本发明提出一种利用增材制造技术联合双步热处理工艺制备具有粗晶/细晶交替分布的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的方法。首先，利用增材制造技术中的电子束选区熔化成形工艺可获得粗细等轴晶交替分布的异质结构；然后，应用“固溶+时效”热处理工艺可进一步调控组织，引入片层结构并优化晶粒尺寸。

本发明有益效果：

(1)本发明巧妙利用增材制造技术，制备了界面结合良好的双尺度相间分布的异质结构。这种方式避免了采用剧烈塑性变形方法制备异质结构材料而引发的负面效果，比如稳定性差、粗晶层与细晶层界面缺陷多等。

(2)本发明对增材制造的材料进行后续热处理，有效地将性能较差的等轴γ晶粒与等轴α₂晶粒转变为性能优异的α₂/γ片层结构，有利于大幅度提升合金的综合性能。

(3)本发明提出的异质片层结构的制备方法经济可靠，性能稳定，加工周期短，有利于规模化生产。

本发明提供的高铌TiAl金属间化合物可以兼顾高温强度、高温抗蠕变性与室温塑性，具有优异的综合机械性能。相比于剧烈塑性变形法或热压烧结法，采用电子束选区熔化成形工艺结合“固溶+时效”双步热处理方法可控制粗晶/细晶结构的比例，提高粗晶/细晶界面的稳定性，同时缩短生产周期，降低生产能耗，推动TiAl合金的工业化应用。

本发明方法用于制备的具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物。

附图说明

图1为实施例一步骤一获得高铌TiAl金属间化合物块体的SEM图像；

图2为实施例一制备得到具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的SEM图像；

图3为实施例一制备得到具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的粗晶层的SEM图像；

图4为实施例一制备得到具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的细晶层的SEM图像。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，该高铌TiAl金属间化合物按照原子百分比：Al为43.5％～46.5％、Nb为6.5％～9.5％和余量的Ti。

具体实施方式二：本实施方式一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，具体按以下步骤进行：

一、合成：采用电子束选区熔化成形工艺制备高铌TiAl金属间化合物块体：将预合金粉末进行电子束选区熔化成形，成形工艺参数包括：基底预热温度1150～1280℃，电流5.5～7.5mA，电子束扫描速度1500～2100mm/s，分层厚度65～75μm，扫描间距90～100μm；成形获得的高铌TiAl金属间化合物块体具有粗/细等轴γ晶粒相间分布的异质结构；

二、制取样品：利用线切割从步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体中部切下若干大小一致的样品，打磨平整，利用超声清洗；

三、确定热处理温度：利用差示扫描量热法对步骤二获得的样品进行热分析，获得α相转变温度T_α和共析温度T_e；

四、固溶处理：将步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置阶梯式升温程序，控制升温速度为13～18℃/min，匀速升温至590～610℃，保持8～12min；随后控制升温速度为8～12℃/min，匀速升温至(T_α～T_α+20)℃，即达到α单相区温度，保温20～40min；然后在(200～300)℃/min的冷却速率下冷却至室温；

五、时效处理：将步骤四固溶处理的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置升温程序，控制升温速率为12～18℃/min，匀速升温至(T_e-290)～(T_e-140)℃，即达到(α₂+γ)双相区温度，保温6～15h，随炉冷却至室温，获得具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，完成制备。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：步骤一中预合金粉末制备方法如下：

A、铸锭熔炼：按照原子百分比：Al为43.5％～46.5％、Nb为6.5％～9.5％和余量的Ti，称取纯钛、纯铝、铝铌中间合金，采用熔炼炉将原材料充分熔化，然后浇入预热后的钢模具中，凝固冷却，形成合金铸锭；

B、制粉：采用电极感应气体雾化法或旋转电极法，将步骤A形成的合金铸锭制备成球形的预合金粉末；然后筛分，获得粒径为45-115μm预合金粉末。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是：所述铝铌中间合金中铌的质量分数为40％～80％。其它与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是：步骤一中成形工艺参数包括：基底预热温度1250℃，电流6.5mA，电子束扫描速度1800mm/s，分层厚度70μm，扫描间距100μm。其它与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是：步骤二采用200#～2000#的砂纸打磨平整。其它与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是：步骤二采用超声波清洗机清洗10～20min。其它与具体实施方式二至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是：步骤四设置阶梯式升温程序，控制升温速度为15℃/min，匀速升温至600℃，保持10min；随后控制升温速度为10℃/min，匀速升温至1330～1350℃，保温30min。其它与具体实施方式二至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是：步骤五设置升温程序，控制升温速率为15℃/min，匀速升温至800～950℃，保温6～15h。其它与具体实施方式二至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是：步骤五时效处理促进γ片层从α₂晶粒中析出，形成α₂/γ片层结构。其它与具体实施方式二至九之一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

实施例一：

本实施例一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，该高铌TiAl金属间化合物按照原子百分比：Al为45％、Nb为8％和余量的Ti，即Ti-45Al-8Nb。

所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，具体按以下步骤进行：

一、合成：采用电子束选区熔化成形工艺制备高铌TiAl金属间化合物块体：将预合金粉末进行电子束选区熔化成形，成形工艺参数包括：基底预热温度1250℃，电流6.5mA，电子束扫描速度1800mm/s，分层厚度70μm，扫描间距100μm；成形获得的高铌TiAl金属间化合物块体具有粗/细等轴γ晶粒相间分布的异质结构；

其中预合金粉末制备方法如下：

A、铸锭熔炼：按照原子百分比：Al为45％、Nb为8％和余量的Ti，称取纯钛、纯铝、铝铌中间合金，采用熔炼炉将原材料充分熔化，然后浇入预热后的钢模具中，凝固冷却，形成合金铸锭；

B、制粉：采用电极感应气体雾化法或旋转电极法，将步骤A形成的合金铸锭制备成球形的预合金粉末；然后筛分，获得粒径为45-115μm预合金粉末。

二、制取样品：利用线切割从步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体中部切下若干大小一致的样品，采用200#～2000#的砂纸打磨平整，采用超声波清洗机清洗20min；

三、确定热处理温度：利用差示扫描量热法对步骤二获得的样品进行热分析，获得α相转变温度T_α和共析温度T_e，T_α≈1330℃，T_e≈1090℃；

四、固溶处理：将步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置阶梯式升温程序，控制升温速度为15℃/min，匀速升温至600℃，保持10min；随后控制升温速度为10℃/min，匀速升温至1340℃，保温30min；然后在(200～300)℃/min的冷却速率下冷却至室温；

五、时效处理：将步骤四固溶处理的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置升温程序，控制升温速率为15℃/min，匀速升温至850℃，保温8h，随炉冷却至室温，获得具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，完成制备。

图1为实施例一步骤一获得高铌TiAl金属间化合物块体的SEM图像；从图中可以看出成形态的合金组织呈现出粗晶层/细晶层相间分布的异质结构特征。各层均由等轴γ晶粒构成。经测量，粗晶层的平均晶粒尺寸约为17.44μm；细晶层的平均晶粒尺寸约为3.87μm。

图2为实施例一制备得到具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的SEM图像；由图可知，热处理后合金仍展现出粗晶/细晶交替分布的异质结构。同时，初步成形态合金中的等轴晶已演变为片层团晶粒。经测量，粗片层团的平均晶粒尺寸约为81.25μm；细片层团的平均晶粒尺寸约为16.56μm。

图3为实施例一制备得到具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的粗晶层的SEM图像；由图可以看出粗晶层主要由粗大的α₂/γ片层团组成，并且片层宽度较细。

图4为实施例一制备得到具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的细晶层的SEM图像；由图可以看出细晶层主要由细小的α₂/γ片层团组成。同时，其中也夹杂有少量的等轴γ晶粒。

根据上述图1-图4的分析，本发明利用电子束选区熔化成形技术结合固溶与时效处理成功制备出具有粗细晶交替分布的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物；其中片层结构可保证合金具有优越的高温强度和高温抗蠕变性。此外，本发明将细的片层团引入合金中来改善其室温塑性。更重要地，本发明中制备的粗细晶交替的异质结构并非粗晶和细晶混合分布的，而是粗晶层和细晶层交替分布。如此一来，便形成了不同晶粒尺度的异质结构，这种具有粗细晶交替排列的异质结构，具有性能强化的效果。

Claims (10)

1.一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，其特征在于该高铌TiAl金属间化合物按照原子百分比：Al为43.5％～46.5％、Nb为6.5％～9.5％和余量的Ti。

2.如权利要求1所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：

一、合成：采用电子束选区熔化成形工艺制备高铌TiAl金属间化合物块体：将预合金粉末进行电子束选区熔化成形，成形工艺参数包括：基底预热温度1150～1280℃，电流5.5～7.5mA，电子束扫描速度1500～2100mm/s，分层厚度65～75μm，扫描间距90～100μm；成形获得的高铌TiAl金属间化合物块体具有粗/细等轴γ晶粒相间分布的异质结构；

二、制取样品：利用线切割从步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体中部切下若干大小一致的样品，打磨平整，利用超声清洗；

三、确定热处理温度：利用差示扫描量热法对步骤二获得的样品进行热分析，获得α相转变温度T_α和共析温度T_e；

四、固溶处理：将步骤一获得的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置阶梯式升温程序，控制升温速度为13～18℃/min，匀速升温至590～610℃，保持8～12min；随后控制升温速度为8～12℃/min，匀速升温至(T_α～T_α+20)℃，保温20～40min；然后在(200～300)℃/min的冷却速率下冷却至室温；

五、时效处理：将步骤四固溶处理的高铌TiAl金属间化合物块体放入热处理炉中，设置升温程序，控制升温速率为12～18℃/min，匀速升温至(T_e-290)～(T_e-140)℃，保温6～15h，随炉冷却至室温，获得具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物，完成制备。

3.根据权利要求2所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于步骤一中预合金粉末制备方法如下：

A、铸锭熔炼：按照原子百分比：Al为43.5％～46.5％、Nb为6.5％～9.5％和余量的Ti，称取纯钛、纯铝、铝铌中间合金，采用熔炼炉将原材料充分熔化，然后浇入预热后的钢模具中，凝固冷却，形成合金铸锭；

B、制粉：采用电极感应气体雾化法或旋转电极法，将步骤A形成的合金铸锭制备成球形的预合金粉末；然后筛分，获得粒径为45-115μm预合金粉末。

4.根据权利要求3所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于所述铝铌中间合金中铌的质量分数为40％～80％。

5.根据权利要求2所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于步骤一中成形工艺参数包括：基底预热温度1250℃，电流6.5mA，电子束扫描速度1800mm/s，分层厚度70μm，扫描间距100μm。

6.根据权利要求2所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于步骤二采用200#～2000#的砂纸打磨平整。

7.根据权利要求2所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于步骤二采用超声波清洗机清洗10～20min。

8.根据权利要求2所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于步骤四设置阶梯式升温程序，控制升温速度为15℃/min，匀速升温至600℃，保持10min；随后控制升温速度为10℃/min，匀速升温至1330～1350℃，保温30min。

9.根据权利要求2所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于步骤五设置升温程序，控制升温速率为15℃/min，匀速升温至800～950℃，保温6～15h。

10.根据权利要求2所述的一种具有粗细晶交替的异质片层结构的高铌TiAl金属间化合物的制备方法，其特征在于步骤五时效处理促进γ片层从α₂晶粒中析出，形成α₂/γ片层结构。

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