CN100537802C

CN100537802C - 一种高致密TiAl基合金制备方法

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Publication number: CN100537802C
Application number: CNB2007100343834A
Authority: CN
Inventors: 刘咏; 刘彬; 张伟; 何晓宇
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2027-02-05
Also published as: CN101240382A

Abstract

一种高致密TiAl基合金制备方法，以Ti粉、Al粉和其它微量元素粉末为原料，原料粉末进行均匀化混合后采用模压或冷等静压冷压成形、约束烧结模内预烧结、高温烧结、热等静压。本发明采用的原料为元素Ti粉、Al粉和其它合金元素粉末，原料成本低；与热压、挤压工艺相比，本发明工艺简单，设备均为常规设备，可有效降低成本；制备的TiAl合金材料的致密度高，经热等静压处理后平均致密度可达98%以上；对比起其它元素粉末冶金制备高致密TiAl基合金的方法，如热压、挤压等，本发明所制备的TiAl基合金坯料的尺寸较大(d＞100mm)，适合于工业化生产。

Description

一种高致密TiAl基合金制备方法

技术领域

本发明涉及一种高致密TiAl基合金的制备方法，属于粉末冶金领域。

背景技术

TiAl基合金的铸造性能较差，易产生铸态缺陷，而粉末冶金方法在消除宏观成分偏析、疏松、缩孔等方面具有明显优势，同时粉末冶金方法制备TiAl基合金还具有组织均匀、细小，可实现制件的近终成型，能避免TiAl基合金难以塑性成形与机械加工的困难从而降低生产成本等工艺特点，使得粉末冶金方法成为了制备TiAl基合金的一种很重要的方法。按原材料来分，利用粉末冶金方法制备TiAl基合金可以分为预合金粉方法和元素粉末法。由于Ti的熔点高、活性大，TiAl基合金预合金粉末的制备需严格控制工艺，以减少氧、氮等杂质，因此价格十分昂贵。元素粉末法采用元素Ti、Al粉末，不需要昂贵的预合金粉和复杂的工艺设备，可以有效的降低生产成本，同时还可以很方便的添加各种高熔炼合金化元素，通过均匀化混合和高温反应，可以有效避免成分偏析，这些都使得元素粉末法成为了一种很有发展前景的TiAl基合金制备工艺。

Ti、Al元素粉末在反应制取TiAl基合金时常常伴有体积的大幅度膨胀，采用常规真空烧结所得的孔隙率可到30％～40％，即使采用后序热等静压处理也不能全部消除。由于粉末冶金制品的致密程度对其使用性能有着决定性影响，体积膨胀对后续的加工和使用很不利。目前，为了限制Ti、Al元素粉反应时产生的大幅度体积膨胀，出现了多种制备高致密粉末冶金TiAl基合金的工艺，如热压工艺、挤压与真空烧结、热等静压相结合的工艺及Ceracon准等静压工艺等。采用热压工艺可以有效抑制粉末Ti、Al在反应过程中的膨胀行为，并在压力的协助下促进Ti、Al元素粉末的致密化行为，从而能有效消除孔隙，得到高致密度的材料，中南大学刘咏等对元素Ti、Al的热压烧结行为做了***的研究[Processing TiAl-Based alloy by Elemental Powder Metallurgy，Journal of MaterialsScience & Technology，2000，16(6)，605～610]。挤压与真空烧结、热等静压相结合的工艺也可有效减少烧结时的体积膨胀效应得到接近全致密的TiAl基合金[Wang G X，Dahms M.Synthesizing Gamma-TiAl Alloys by Reactive PowderProcessing.JOM，1993(5)：52～56]，挤压的目的主要在于破坏Ti、Al颗粒表面的氧化膜，同时通过大的挤压比使元素Ti、Al在更微观区域上均匀化混合，从而有利于元素Ti、Al的扩散反应；挤压后的坯料在平行于挤压方向的组织形貌为纤维状，由于Al颗粒被挤成细小纤维，反应完成后留下的孔隙很小，可以通过真空烧结及后续热等静压有效消除。但这种冷挤压变形方法细化Ti、Al组元尺寸时，必须采用超高挤压比，(挤压比为350)，因而该方法在工业上难以实际应用。另外，有人还采用Ceracon准等静压工艺获得了高致密度的TiAl基合金[TaguchiK，Ayada M，et al.Near-net shape processing of TiAl intermetallic compounds ovapscudo HIP-SHS route.Intermetallics，1995，3：91～98]，该工艺中当单向应力作用在陶瓷颗粒上时，陶瓷颗粒能作为传压介质将压力均匀传到压坯上，压坯在三向应力(准等静压力)的作用下，完成致密化行为。

以上诸多方法的一个共同点就是工艺都较为复杂，成本较高，难以实现工业化生产。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种成本相对低廉的高致密元素粉末冶金TiAl基合金的制备技术，该技术采用Ti粉、Al粉及其它元素粉末经过低温控制预烧结+高温烧结直接制取高致密的TiAl基合金材料。

一种高致密TiAl基合金制备方法，包括：

1、以Ti粉、Al粉和其它微量元素粉末为原料，组分原子配比为50～60％Ti粉，40～50％Al粉，0～10％微量元素粉末；Ti粉的粒径为20～100μm，Al粉的粒径为10～100μm，微量元素包括Nb、Mn、C、Si、B、W、Y、Ce、TiB或TiB₂中的一种或者几种，微量元素粉末的粒径为20～100μm；

2.原料粉末进行均匀化混合后采用模压或冷等静压冷压成形制得冷压坯，模压成形时压强为50～600Mpa，冷等静压成形时压强为50～200Mpa；

3、将冷压坯放入约束烧结模内，在真空烧结炉内进行真空无压预烧结得预烧结坯，真空度为1 x 10^-1～10^-3Pa；预烧结制度为：200℃～250℃，时间0.5～2h，400℃～450℃，时间0.5～2h，600℃～650℃，时间3～5h，700℃～750℃，时间1～3h，各段升温速率为5℃/min，最高温度为800℃，总的处理时间为5～12h；

4、预烧结完成后拆除约束烧结模，对预烧结坯再进行高温烧结，高温烧结真空度为1 x 10^-1～10^-3Pa，在1200～1400℃保温1～3h，随炉冷；

5、将经高温烧结后的合金坯料进行热等静压以消除残余的孔隙，热等静压在Ar气气氛下进行，压力为150～200Mpa，温度为1200～1300℃，时间为3～5h。

预烧结过程在约束烧结模内进行，约束烧结模由压盖、内模和外模组合而成；内模为两瓣对称的带锥度的锲型结构，锥度角α(斜面与垂直方向的夹角)为15°～45°；压坯放入内模时，在坯体与模具内壁之间夹入一层厚度为1mm的钼片隔层；将压盖镶入内模开口端后将内模整体放入外模内，然后在压力机上低压压实。

本发明所采用的原料为元素Ti粉、Al粉和其它合金元素粉末，原料成本低；与热压、挤压工艺相比，本发明工艺简单，设备均为常规设备，可有效降低成本；本发明中低温、高温烧结过程虽是采用无压烧结，但其制备的TiAl合金材料的致密度高，经热等静压处理后平均致密度可达98％以上，这比常规的无压烧结方法制备的TiAl基合金的密度要高得多，与热压、挤压等工艺制备的TiAl基合金的致密度相近，且坯料的各部分孔隙度差别不大；对比起其它元素粉末冶金制备高致密TiAl基合金的方法，如热压、挤压等，本发明所制备的TiAl基合金坯料的尺寸较大(d>100mm)，且坯料的外形可根据需要做适当的调整，适合于工业化生产。

附图说明：

图1、本发明的工艺流程图；

图2、本发明中约束烧结模的结构示意图；

图3、本发明中控制预烧结过程的工艺曲线图；

图4、本发明生产的TiAl基合金材料宏观照片。

具体实施方式

实施例1：采用粒度为20～50μm的Ti粉和粒度为20～50μm的Al粉，按Ti-50at.％Al的成分配比进行混料；随后在200Mpa的压力下模压成形，制成直径为120mm，高45mm的冷压坯；如图2，将冷压坯4放入约束烧结内模3内，压坯与内模间用钼隔层2隔开，然后将内模整体放入烧结外模5内，上用压盖1于压力机上低压压实。将装配好的约束烧结模放入真空烧结炉内采用图3所示的工艺曲线进行真空预烧结；随后拆除约束烧结模，对预烧结坯料进行高温真空烧结，烧结制度为1300℃，2h，随炉冷；最后在Ar气氛下进行热等静压处理，工艺条件为1250℃，130Mpa，4h。制得的TiAl合金材料的尺寸为d110mm×35mm，致密度为97％。

实施例2：采用粒度为20～50μm的Ti粉、粒度为20～50μm的Al粉及粒度为20～50μm的Nb粉和W粉，按Ti-45Al-7Nb-0.4W(at.％)的成分配比进行混料；随后在200Mpa的压力下模压成形，制成直径为120mm，高45mm的冷压坯；将压坯放入约束烧结模内，采用图3所示的工艺曲线进行真空预烧结；随后进行真空高温烧结，烧结制度为：1300℃，2h，随炉冷；最后进行热等静压处理，工艺条件为1250℃，130Mpa，4h；制得的TiAl基合金致密坯的尺寸为d108mm×34mm，致密度为97.5％。

Claims

1.一种高致密TiAl基合金制备方法，其特征在于：包括：

(1)以Ti粉、Al粉和其它微量元素粉末为原料，组分原子配比为50～60％Ti粉，40～50％Al粉，0～10％微量元素粉末；Ti粉的粒径为20～100μm，Al粉的粒径为10～100μm，微量元素粉末的粒径为20～100μm；

(2)原料粉末进行均匀化混合后采用模压成形制得冷压坯，模压成形时压强为50～600Mpa；

(3)将冷压坯放入约束烧结模内，在真空烧结炉内进行真空无压预烧结得预烧结坯，真空度为1 x 10^-1～10^-3Pa；预烧结制度为：200℃～250℃，时间0.5～2h，400℃～450℃，时间0.5～2h，600℃～650℃，时间3～5h，700℃～750℃，时间1～3h，各段升温速率为5℃/min，最高温度为800℃，总的处理时间为5～12h；

(4)预烧结完成后拆除约束烧结模，对预烧结坯再进行高温烧结，高温烧结真空度为1 x 10^-1～10^-3Pa，在1200～1400℃保温1～3h，随炉冷；

(5)将经高温烧结后的合金坯料进行热等静压以消除残余的孔隙，热等静压在Ar气气氛下进行，压力为150～200Mpa，温度为1200～1300℃，时间为3～5h。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微量元素包括Nb、Mn、C、Si、B、W、Y、Ce、TiB或TiB₂中的一种或者几种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中原料粉末进行均匀化混合后也可以采用冷等静压冷压成形制得冷压坯，冷等静压成形时压强为50～200Mpa。

4.一种用于权利要求1所述方法的约束烧结模，其特征在于：约束烧结模由压盖、内模和外模组合而成；内模为两瓣对称的带锥度的锲型结构，锥度角α为15°～45°；压坯放入内模时，在坯体与模具内壁之间夹入一层厚度为1mm的钼片隔层。