CN1632148A - 一种钛铝基合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钛铝合金的制备方法，包括原料的混合、压制成型、致密化处理，其特征在于：原料为Ti或Ti合金粉与TiAl3合金粉。本发明提供的钛铝合金的制备方法的优点是，可依据Ti粉或Ti合金粉与TiAl3粉的配比及调整TiAl3粉中的合金化元素，来制备不同成分的Ti3Al合金或TiAl合金；其另一优点是，可通过调节烧结温度来设计选定的合金的组织；保证制备的Ti3Al或TiAl基合金的组织和成分均匀性，合金具有稳定的重复性和理想的性能。
Description
技术领域：
本发明涉及Ti-Al系金属间化合物基合金的制备方法。
背景技术：
由Ti-Al两元合金相图可知，当Al含量达到约25at.％时，形成Ti3A相；而当Al含量约50at.％时，为TiAl相。Ti-Al系金属间化合物(Ti3Al和TiAl)基合金具有较低的密度、高的室温和高温比强度和模量，较好的蠕变性能和抗氧化性能，在650-900℃温区代替高温合金，是航空航天和汽车领域候选的新型轻质耐热结构材料，例如，航空发动机压气机叶片、汽车增压涡轮等。
铸锭冶金和粉末冶金是Ti-Al金属间化合物基合金的两种基本制备方法。采用这两种工艺，目前研制了多种Ti3Al和TiAl基合金。对于铸锭冶金工艺，由于Ti3Al和TiAl基合金的合金化元素含量高和热加工工艺窗口窄，如Ti3Al和TiAl合金中分别含约14wt.％和33wt.％的铝，合金的成分均匀性和组织均匀性难以保证，进而导致合金的重复性能差，影响了合金的实际应用。而粉末冶金工艺，制备预合金粉末的成本较高、粉末中易存在气孔等缺陷，合金粉末韧性低难以成型；用元素粉末方法，虽然粉末韧性好易于成型，但是在烧结过程中预压坯发生明显的体积膨胀，影响结构件的致密度，添加的合金元素(Nb、Cr等)与Al的熔点差距大，难以保证合金成分和组织的均匀性。U.S.Pat.No.4,909,983报道了用韧性好的粉末(元素或预合金粉末)混合，经加压成型和烧结扩散反应合成金属间化合物相的方法。对于Ti3Al和TiAl合金，由于铝或铝合金的熔点低，Al与Ti的熔点差距大，预压坯烧结困难；Al与Ti扩散系数不同，烧结过程中易产生体积膨胀。
发明内容：
本发明的目的是提供一种无气孔、致密的TiAl合金的制备方法。
本发明提供一种钛铝合金的制备方法，包括原料的混合、压制成型、致密化处理，其特征在于：原料为Ti或Ti合金粉与TiAl3合金粉。可以用真空感应炉熔铸TiAl3合金锭；在真空或气氛保护下制备TiAl3合金粉，进行真空或气氛封存；在真空或气氛条件下，将洁净的Ti或Ti合金粉与TiAl3合金粉混合均匀；压制成型；致密化处理。
即采用韧性的元素Ti粉或Ti合金粉与脆性的TiAl3基合金粉混合，经冷压成型及烧结致密化与均匀化处理，得到组织均匀细小的γ-TiAl基合金或Ti3Al基合金，解决Ti-Al系金属间化合物基合金的组织均匀性和难以加工成型的技术难题。
本发明提供的钛铝合金的制备方法中，所述的致密化处理可以是烧结，温度为1000℃～1400℃，烧结时间为3～5h，真空或还原气氛；烧结温度低于形成合金的固相线，合金的烧结温度高，烧结时间短，压坯收缩大、密度高；使预压坯达到致密化，在烧结过程中直接形成设计合金的相结构。
本发明提供的钛铝合金的制备方法中，所述的致密化处理也可以是压力烧结或等静压烧结。
本发明提供的钛铝合金的制备方法，是一种用粉末冶金工艺制备近净型Ti3Al和TiAl合金结构件的方法，即将按特定配比混合的Ti或Ti合金粉与TiAl3基合金粉封装于设计形状的模套中，可以经温度800～1000℃等静压处理和/或轧制达到构件的致密和扩散反应使组织均匀。
本发明提供的钛铝合金的制备方法中，所述的压制成型可以是冷模压、冷等静压、冷挤压和冷注射成型等，亦可以是在反应温度下的上述成型方法；压制成型Ti3Al和TiAl合金的是以韧性的Ti粉或Ti合金粉为粘结剂，实现硬而脆的Ti3Al和TiAl合金的粉末冶金方法，大幅度降低构件的成本。
本发明提供的钛铝合金的制备方法中，所述的原料为Ti或Ti合金粉与TiAl3合金粉，Ti或Ti合金粉可以用气体雾化和旋转电极等方法制备，亦可以用氢化法制备；氢化制粉成本较低、粉末无气孔等缺陷，由此避免粉末法合成的Ti3Al和TiAl合金中的气孔等缺陷，保证合金具有优异的性能，尤其是合金的超塑性。
本发明提供的钛铝合金的制备方法的优点在于：可依据Ti粉或Ti合金粉与TiAl3粉的配比及调整TiAl3粉中的合金化元素，来制备不同成分的Ti3Al合金或TiAl合金；其另一优点是，可通过调节烧结温度来设计选定的合金的组织，即等轴组织、双态组织或片层组织；这种方法可保证制备的Ti3Al或TiAl基合金的组织和成分均匀性，合金具有稳定的重复性和理想的性能。
附图说明：
图1是不同方法预制的Ti47Al坯及其经烧结后的宏观形貌，中：预制坯，左：TiAl3+Ti混合粉末法烧结后，右：Ti+Al粉末法烧结后；
图2是粉末法制备的Ti47Al2Cr2Nb合金的等轴组织；
图3是粉末法制备的Ti47Al2Cr2Nb合金的层片组织；
图4是用Ti合金粉与TiAl3基合金粉制备的Ti3Al基合金板材的组织。
具体实施方式：
实施例1
用真空感应炉熔铸TiAl3合金锭，在真空或气氛保护下制备TiAl3合金粉，进行真空或气氛封存。在真空或气氛条件下，将洁净的Ti或Ti合金粉与TiAl3合金粉混合均匀。
Ti47Al(at.％)合金制备：将89g Ti粉与100g TiAl3粉混合，冷模压得到φ18.2mm预制坯(见图1中)，预制坯经温度1340℃时间4h的真空烧结，得到全层片组织的Ti47Al合金棒。烧结过程中预制坯发生明显的体积收缩，致密度达95％(见图1左)；而在对比例中，同等条件下烧结的元素粉末法制备的预制坯其体积则膨胀约50％(见图1右)。
实施例2
选择成分为Al-23Ti-5.1Cr-9.2Nb的TiAl3基合金制备粉末。将100g上述TiAl3基合金粉末与92.5g Ti粉混合均匀，冷模压制备φ18.2mm预制坯，预制坯分别经温度1000℃时间4h和温度1300℃时间4h的真空烧结，即得到Ti47Al2Cr2Nb(at.％)合金棒。合金的组织由烧结条件决定，分别为温度1000℃时间4h烧结的等轴组织(见图2)和温度1300℃时间4h烧结的全片层组织(见图3)。
实施例3
将159g Ti-2Nb粉与50g Al-27Al-14.4Nb的TiAl3基合金粉混合均匀，填充入100mm×70mm×10mm内腔的钢套中，经脱气和密封，温度850℃压力100MPa等静压处理2h制备Ti-14Al-5Nb(Ti3Al基合金)合金板坯，板坯经900℃轧制得到厚度2mm的Ti3Al基合金板材。板材的轧制态组织见图4，可见韧性好的Ti合金粉末沿轧制方向拉长。
Claims (7)
1、一种TiAl合金的制备方法，包括原料的混合、压制成型、致密化处理，其特征在于：原料为Ti或Ti合金粉与TiAl3合金粉。
2、 按照权利要求1所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：所述的致密化处理是烧结，温度为1000℃～1400℃，烧结时间为3～5h，真空或还原气氛。
3、按照权利要求2所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：所述的烧结是压力烧结或等静压烧结。
4、按照权利要求1所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：所述的致密化处理是轧制，温度为800～1000℃。
5、按照权利要求1所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：所述的压制成型是模压、等静压、挤压或注射成型。
6、按照权利要求5所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：所述的压制成型的温度为常温或反应温度。
7、按照权利要求1所述的TiAl合金的制备方法，其特征在于：所述的原料Ti或Ti合金粉采用气体雾化、旋转电极方法或氢化法制备。
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