專利名稱：一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TiAl合金的制備方法。
背景技術(shù)：
TiAl金屬間化合物具有很高的比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)良的抗氧化性和抗蠕變性，以及 高于常規(guī)鈦合金的阻燃性，因此被認(rèn)為是極具應(yīng)用前景的高溫結(jié)構(gòu)材料。添加Nb(5at. % 10at. % )等金屬元素可以將TiAl合金的使用溫度提高50 100°C，室溫強(qiáng)度提高300 500Mpa，從而進(jìn)一步拓寬TiAl合金的使用范疇至近1000°C。TiAl合金的高性能使其在航 空航天用材料中逐步展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景，成為先進(jìn)軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)及 低壓渦輪葉片的首選材料。NASA報(bào)告指出，到2020年TiAl基合金及其復(fù)合材料的用量在 航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)中將占有20%左右的份額。TiAl合金的良好的發(fā)展前景，使其成為世界各 國(guó)高溫結(jié)構(gòu)材料研究的熱點(diǎn)。但是由于TiAl基合金在鑄造過(guò)程中普遍存在著縮松、熱裂等 缺陷，難以鑄造出具有優(yōu)異力學(xué)性能的細(xì)晶全層片組織的TiAl合金。鑄造TiAl基合金因 室溫塑性差、高溫強(qiáng)度低而不能滿足高壓壓氣機(jī)葉片惡劣工作條件的苛刻需求，如果通過(guò) 熱加工的手段獲取細(xì)晶全層片組織，該結(jié)構(gòu)因其具有的良好綜合力學(xué)性能，能夠滿足高壓 壓氣機(jī)葉片工作的使用要求。由于通常設(shè)計(jì)的工程TiAl基合金的鋁含量一般在45 48at. % (原子百分比)， 不可避免的會(huì)發(fā)生凝固過(guò)程中的包晶反應(yīng)，包晶凝固通常會(huì)產(chǎn)生顯著的合金元素微觀偏 析，這種偏析通常會(huì)使得隨后的熱擠壓和鍛造加工無(wú)法順利的獲得均勻的細(xì)晶組織，而是 獲得由細(xì)小和粗大晶粒構(gòu)成的帶狀組織或者層片晶團(tuán)和等軸晶構(gòu)成的帶狀組織，這種組織 對(duì)材料的力學(xué)性能會(huì)造成非常不利的影響，極大地限制了 TiAl基合金的使用，為了消除帶 狀組織，獲得均勻細(xì)小的組織，通常使用要對(duì)原始鑄造材質(zhì)實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間的高溫均勻化熱處 理，隨后進(jìn)行多步鍛造或者多步擠壓，并且在此期間要輔以多次的再結(jié)晶熱處理，該方法制 作工藝復(fù)雜，成本高，不利于推廣和應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的鑄造方法難以鑄造出具有優(yōu)異力學(xué)性能的細(xì)晶全層片 組織的TiAl合金以及現(xiàn)有的具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法成本高的問(wèn)題， 而提供了一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法。站％本發(fā)明具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備按照以下步驟進(jìn)行一、熔 煉采用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉法制得TiAl合金鑄錠，其中TiAl合金鑄錠中A1為42at. % 43at. % ；二、熱等靜壓TiAl合金鑄錠在溫度為1250 1280°C、壓力為130 140MPa條 件下保溫4 5小時(shí)，然后隨爐冷卻出爐；三、電火花線切割將經(jīng)熱等靜壓處理后得到的 TiAl合金鑄錠切割成圓柱體鑄錠；四、包套封焊將圓柱體鑄錠表面先噴涂厚度為0. 1 0. 15mm的玻璃潤(rùn)滑劑，再包裹厚度為2 7mm的硅酸鋁纖維得到基體，然后將基體放置于 不銹鋼管的中部并將不銹鋼管的兩端采用厚度為2 7mm的不銹鋼板進(jìn)行焊接封裝，得坯料；五、將坯料表面進(jìn)行清洗，然后涂覆厚度為0. 1 0. 15mm的玻璃潤(rùn)滑劑，然后在溫度低 于a轉(zhuǎn)變溫度10 20°C的條件保溫3 4小時(shí)，隨后在空氣中放置10 30s，再在擠壓 比大于7的條件下進(jìn)行熱擠壓，即得到了具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金；步驟五中不銹 鋼管的壁厚為2 7mm。本發(fā)明的方法中A1占TiAl合金鑄錠中的原子百分比僅為42% 43%，不存在包 晶反應(yīng)造成的嚴(yán)重元素偏析，從而省去了高溫均勻化熱處理工藝，本發(fā)明的制備方法又利 用熱擠壓的方法對(duì)TiAl合金鑄錠進(jìn)行處理，獲得均勻細(xì)小的組織，本發(fā)明制作得到的TiAl 合金的力學(xué)性能好，本發(fā)明制作得到的TiAl合金經(jīng)一次擠壓后的室溫強(qiáng)度高達(dá)lGPa以上； 通過(guò)本發(fā)明的TiAl合金的組織結(jié)構(gòu)圖可以看出，本發(fā)明方法制作得到的TiAl合金具有細(xì) 晶全層片組織，且與現(xiàn)有的方法相比較，本發(fā)明方法省去了中間熱處理和多步熱加工工序， 制作得到了具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金，極大的降低了制作成本，與現(xiàn)有的具有細(xì)晶 全層片組織的TiAl合金的制備方法相比較成本減低了 50% 70%。
圖1為具體實(shí)施方式
九步驟一中使用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉法熔制TiAl合金鑄錠， 其電流、電壓及功率控制圖；圖2為具體實(shí)施方式
九中TiAl合金的組織結(jié)構(gòu)圖；圖3為具體 實(shí)施方式九制作得到的TiAl合金的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉具體實(shí)施方式
，還包括各具體實(shí)施方式
間的 任意組合。
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備按照以下 步驟進(jìn)行一、熔煉采用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉法制得TiAl合金鑄錠，其中TiAl合金鑄錠 中A1為42at. % 43at. %;二、熱等靜壓TiAl合金鑄錠在溫度為1250 1280°C、壓力為 130 140MPa條件下保溫4 5小時(shí)，然后隨爐冷卻出爐；三、電火花線切割將經(jīng)熱等靜 壓處理后得到的TiAl合金鑄錠切割成圓柱體鑄錠；四、包套封焊將圓柱體鑄錠表面先噴 涂厚度為0. 1 0. 15mm的玻璃潤(rùn)滑劑，再包裹厚度為2 7mm的硅酸鋁纖維得到基體，然 后將基體放置于不銹鋼管的中部并將不銹鋼管的兩端采用厚度為2 7mm的不銹鋼板進(jìn)行 焊接封裝，得坯料；五、將坯料表面進(jìn)行清洗，然后涂覆厚度為0. 1 0. 15mm的玻璃潤(rùn)滑劑， 然后在溫度低于a轉(zhuǎn)變溫度10 20°C的條件保溫3 4小時(shí)，隨后在空氣中放置10 30s,再在擠壓比大于7的條件下進(jìn)行熱擠壓，即得到了具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金； 步驟四中不銹鋼管的壁厚為2 7mm。本實(shí)施方式制作得到的TiAl合金的力學(xué)性能好，本實(shí)施方式制作得到的TiAl合 金經(jīng)一次擠壓后的室溫強(qiáng)度高達(dá)lGPa以上。通過(guò)本實(shí)施方式的TiAl合金的組織結(jié)構(gòu)圖可 以看出，本實(shí)施方式方法制作得到的TiAl合金具有細(xì)晶全層片組織，且與現(xiàn)有的方法相比 較，本實(shí)施方式方法省去了中間熱處理和多步熱加工工序，制作得到了具有細(xì)晶全層片組 織的TiAl合金，極大的降低了制作成本，與現(xiàn)有的具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備 方法相比較成本減低了 50% 70%。
具體實(shí)施方式
二 本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的步驟一中TiAl合金鑄錠中A1為42at. % ；其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至二不同的步驟二中在溫度為 1270°C、壓力為135MPa條件下保溫4. 5小時(shí)。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三不同的步驟三中電火花線 切割的切割速度為0. 05mm/s。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至三相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至四不同的步驟四中噴涂厚度 為0. 12mm的玻璃潤(rùn)滑劑，包裹厚度為6mm的硅酸鋁纖維，不銹鋼管的兩端采用厚度為5mm 的不銹鋼板。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五不同的步驟四中步驟五中 不銹鋼管的壁厚為4mm。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至五相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至六不同的步驟五中低于a轉(zhuǎn) 變溫度15°C的條件保溫3. 5小時(shí)，在空氣中放置20s。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一 至六相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七不同的步驟五中擠壓比為 7 18。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式
一至七相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備按照以下 步驟進(jìn)行一、熔煉采用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉法制得TiAl合金鑄錠，其中TiAl合金鑄錠 中A1為42at. % ；二、熱等靜壓TiAl合金鑄錠在溫度為1270°C、壓力為135MPa條件下保 溫4. 5小時(shí)，然后隨爐冷卻出爐；三、電火花線切割將經(jīng)熱等靜壓處理后得到的TiAl合金 鑄錠切割成圓柱體鑄錠；四、包套封焊將圓柱體鑄錠表面先噴涂厚度為0. 12mm的玻璃潤(rùn) 滑劑，再包裹厚度為6mm的硅酸鋁纖維得到基體，然后將基體放置于不銹鋼管的中部并將 不銹鋼管的兩端采用厚度為5mm的不銹鋼板進(jìn)行焊接封裝，得坯料；五、涂覆潤(rùn)滑劑將坯 料表面進(jìn)行清洗，然后涂覆厚度為0. 12mm的玻璃潤(rùn)滑劑，然后在溫度低于a轉(zhuǎn)變溫度15°C 的條件保溫3. 5小時(shí)，隨后在空氣中放置20s，再在擠壓比大于7的條件下進(jìn)行熱擠壓，即得 到了具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金；步驟四中不銹鋼管的壁厚為5mm。本實(shí)施方式步驟五中a轉(zhuǎn)變溫度為1275°C。與現(xiàn)有的方法相比較，本實(shí)施方式方法省去了中間熱處理和多步熱加工工序，制 作得到了具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金，極大的降低了制作成本，與現(xiàn)有的具有細(xì)晶全 層片組織的TiAl合金的制備方法相比較成本減低了 60%。本實(shí)施方式制作得到的TiAl合金的組織結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，從圖中可以看出本實(shí) 施方式所制備得到的TiAl合有細(xì)晶全層片組織。本實(shí)施方式制作得到的TiAl合金的力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，圖3中▽表示 應(yīng)變，□表示抗拉強(qiáng)度，■表示屈服強(qiáng)度，從圖3可以看出本實(shí)施方式制作得到的TiAl合金 經(jīng)一次擠壓后的室溫強(qiáng)度高達(dá)lGPa以上。
權(quán)利要求
一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法，其特征在于具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備按照以下步驟進(jìn)行一、熔煉采用水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉法制得TiAl合金鑄錠，其中TiAl合金鑄錠中Al為42at.％～43at.％；二、熱等靜壓TiAl合金鑄錠在溫度為1250～1280℃、壓力為130～140MPa條件下保溫4～5小時(shí)，然后隨爐冷卻出爐；三、電火花線切割將經(jīng)熱等靜壓處理后得到的TiAl合金鑄錠切割成圓柱體鑄錠；四、包套封焊將圓柱體鑄錠表面先噴涂厚度為0.1～0.15mm的玻璃潤(rùn)滑劑，再包裹厚度為2～7mm的硅酸鋁纖維得到基體，然后將基體放置于不銹鋼管的中部并將不銹鋼管的兩端采用厚度為2～7mm的不銹鋼板進(jìn)行焊接封裝，得坯料；五、將坯料表面進(jìn)行清洗，然后涂覆厚度為0.1～0.15mm的玻璃潤(rùn)滑劑，然后在溫度為低于α轉(zhuǎn)變溫度10～20℃的條件保溫3～4小時(shí)，隨后在空氣中放置10～30s，再在擠壓比大于7的條件下進(jìn)行熱擠壓，即得到了具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金；步驟四中不銹鋼管的壁厚為2～7mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法，其特征在 于步驟一中其中TiAl合金鑄錠中A1為42at. %。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法，其特 征在于步驟二中在溫度為1270°C、壓力為135MPa條件下保溫4. 5小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法，其特征在 于步驟三中電火花線切割的切割速度為0. 05mm/s。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法，其 特征在于步驟四中噴涂厚度為0. 12mm的玻璃潤(rùn)滑劑，包裹厚度為6mm的硅酸鋁纖維，不銹 鋼管的兩端采用厚度為5mm的不銹鋼板。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法，其特征在 于步驟四中步驟五中不銹鋼管的壁厚為4mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方 法，其特征在于步驟五中在溫度低于a轉(zhuǎn)變溫度15°C的條件保溫3. 5小時(shí)，在空氣中放置 20s。
全文摘要
一種具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法，它涉及一種TiAl合金的制備方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的鑄造方法難以鑄造出具有優(yōu)異力學(xué)性能的細(xì)晶全層片組織的TiAl合金以及現(xiàn)有的具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法成本高的問(wèn)題。方法一、熔煉；二、熱等靜壓；三、電火花線切割；四、包套封焊；五、經(jīng)保溫、熱擠壓即得到具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金。通過(guò)本發(fā)明的TiAl合金的組織結(jié)構(gòu)圖可以看出，本發(fā)明方法制作得到的TiAl合金具有細(xì)晶全層片組織，且與現(xiàn)有的具有細(xì)晶全層片組織的TiAl合金的制備方法相比較，本發(fā)明方法的成本減低了50％～70％。
文檔編號(hào)B23P17/04GK101797687SQ20101030042
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者單德彬, 呂炎, 張 浩, 徐文臣, 李新安 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)