CN102732748B - 一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法，它涉及双相合金及其制备方法。本发明要解决TiAl合金成分难以控制、氧含量、杂质含量高以及烧结性能差的问题。本发明的球形Ti3Al/TiAl双相合金是由Ti和Al组成；Ti和Al的质量比为65～68:32～35。制备方法为：一、称取上述Ti粉和Al锭，在浸渗温度为660℃～720℃的条件下，浸渗0.5～3h，得Ti-Al-TiAl3三相复合体；二、将Ti-Al-TiAl3三相复合体，在温度为1100℃～1400℃，压力为40～80MPa的条件下，保温0.5～2h，即得。本发明的双相合金致密度高于98％。本发明应用于航空航天发动机以及汽车工业领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种双相合金的制备方法。
背景技术
TiAl金属间化合物由于具有优异的高温强度和相当低的比重等优点，成为了一种极具潜力的低比重高温结构材料，因此在航空航天发动机、能源以及汽车工业等领域内具有广阔应用前景。然而，TiAl合金室温塑性低以及高温变形能力不足等缺点成为其工程化应用的最大障碍。
目前，为了避开了TiAl合金的本质脆性和难热加工变形的问题，可以采用将Ti和Al金属的复合体先加工成形，再反应合成制备出TiAl合金成型构件。常用的元素粉法制备TiAl基合金板材，是采用塑性良好的Ti，Al元素粉和其它合金元素粉末，经过混合、压制、挤压和轧制等过程成形为混合粉板材，再进行反应合成制备TiAl基合金板材。虽然解决了加工成型难的问题，但是却引起了制品中氧含量和杂质含量高，烧结性能差，致密度低等一系列问题的产生。
新近采用的压力浸渗法虽然可以获得变形性能良好的Ti和Al的复合体，并且其很容易获得所需要的复合体构件，但是必须严格控制浸渗温度避免Ti和Al在浸渗过程中反应生成过多的脆性相。同时，在后续固态或液态热处理过程中，由于Ti和Al反应的柯肯达尔效应，很容易产生空隙，并难于消除；如果加压液相热处理，铝液很容易挤出，TiAl合金成分难以控制。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有TiAl合金成分难以控制、氧含量、杂质含量高以及烧结性能差的问题，而提供了一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法。
本发明的一种球形Ti3Al/TiAl双相合金是由Ti和Al组成，其中所述的Ti和Al的质量比为65～68:32～35。
本发明的一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法是按照以下步骤进行的：
一、按Ti和Al质量比为65～68:32～35的比例混合后，放入真空热压烧结炉中，在浸渗温度为660℃～720℃的条件下，浸渗0.5～3h，得Ti-Al-TiAl3三相复合体；二、将步骤二得到的Ti-Al-TiAl3三相复合体放入真空热压烧结炉中，将真空热压烧结炉温度升至1100℃～1400℃，加压至40～80MPa，保温0.5～2h，然后随炉冷却，即得球形Ti3Al/TiAl双相合金。
本发明包含以下有益效果：
1、本发明解决了TiAl双相合金难以热加工成形的关键问题。本发明分布在TiAl中适量的、变形性好的、球形的Ti3Al，可以显著改变TiAl双相合金的热加工性能。无论是与全片层组织还是与双态组织的TiAl双相合金相比较，球形Ti3Al/TiAl双相合金高温变形能力是最佳的，可以避免直接对脆性TiAl双相合金热加工困难，杂质含量高，烧结性能差的问题。
2、本发明仅使用真空热压烧结炉一台设备就可以制备出致密度高、热加工性能良好的双相TiAl合金，其致密度高于98％，工艺简单，操作容易，制备周期短，制作成本低。采用本发明的高温热加工性能好的材料，可以在低于1000℃下的变形温度进行棒材、板材和构件的热加工成型，从而降低能耗和制备成本，具有巨大的市场前景。
3、本发明实现对TiAl合金成分的可控，并获得高致密的双相TiAl合金。
通过真空热压烧结炉浸渗制备Ti-Al-TiAl3三相复合体，从而实现新生成的TiAl3相将Al相完全包围的目的，从而被封闭的铝在液相加压反应烧结中也不会被挤出，最终获得高致密的球形Ti3Al/TiAl双相合金。因此，避免了Ti和Al金属复合体“先加工成形、后烧结处理”方法中空隙消除难、铝相含量难以控制的缺点。
附图说明
图1为Ti-Al-TiAl3三相复合体的金相图片；
图2为Ti3Al/TiAl双相合金的金相图片；
图3为Ti3Al/TiAl双相合金应力-应变曲线图；
图4为Ti3Al/TiAl双相合金被的形貌图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式的一种球形Ti3Al/TiAl双相合金是由Ti和Al组成，其中所述的Ti和Al的质量比为65～68:32～35。
本实施方式解决了TiAl双相合金难以热加工成形的关键问题。本实施方式分布在TiAl中适量的、变形性好的、球形的Ti3Al，可以显著改变TiAl双相合金的热加工性能。无论是与全片层组织还是与双态组织的TiAl双相合金相比较，球形Ti3Al/TiAl双相合金高温变形能力是最佳的，可以避免直接对脆性TiAl双相合金热加工困难，杂质含量高，烧结性能差的问题。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的Ti的纯度为99.0%～99.9%，Al的纯度为99.0%～99.9%。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法是按照以下步骤进行的：一、按Ti和Al质量比为65～68:32～35的比例混合后，放入真空热压烧结炉中，在浸渗温度为660℃～720℃的条件下，浸渗0.5～3h，得Ti-Al-TiAl3三相复合体；二、将步骤二得到的Ti-Al-TiAl3三相复合体放入真空热压烧结炉中，将真空热压烧结炉温度升至1100℃～1400℃，加压至40～80MPa，保温0.5～2h，然后随炉冷却，即得球形Ti3Al/TiAl双相合金。
本实施方式的有益效果为：
1、本实施方式解决了TiAl双相合金难以热加工成形的关键问题。本实施方式分布在TiAl中适量的、变形性好的、球形的Ti3Al，可以显著改变TiAl双相合金的热加工性能。无论是与全片层组织还是与双态组织的TiAl双相合金相比较，球形Ti3Al/TiAl双相合金高温变形能力是最佳的，可以避免直接对脆性TiAl双相合金热加工困难，杂质含量高，烧结性能差的问题。
2、本实施方式仅使用真空热压烧结炉一台设备就可以制备出致密度高、热加工性能良好的双相TiAl合金，其致密度高于98％，工艺简单，操作容易，制备周期短，制作成本低。采用本实施方式的高温热加工性能好的材料，可以在低于1000℃下的变形温度进行棒材、板材和构件的热加工成型，从而降低能耗和制备成本，具有巨大的市场前景。
3、本实施方式实现对TiAl合金成分的可控，并获得高致密的双相TiAl合金。通过真空热压烧结炉浸渗制备Ti-Al-TiAl3三相复合体，从而实现新生成的TiAl3相将Al相完全包围的目的，从而被封闭的铝在液相加压反应烧结中也不会被挤出，最终获得高致密的球形Ti3Al/TiAl双相合金。因此，避免了Ti和Al金属复合体“先加工成形、后烧结处理”方法中空隙消除难、铝相含量难以控制的缺点。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一中所述的Ti的纯度为99.0%～99.9%，Al的纯度为99.0%～99.9%。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：所述的Ti3Al/TiAl双相合金体积百分比含量为5～20vol.%。其它与具体实施方式三或四相同。
通过以下试验验证本发明的效果：
本试验的一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的方法是按照以下步骤进行的：
一、将质量百分含量为34％的铝锭和66%的钛粉，Ti和Al质量百分数分别为66%和34％，然后放入真空热压烧结炉中，在浸渗温度为710℃的条件下，浸渗1h，得Ti-Al-TiAl3三相复合体；其中，生成的TiAl3占总体积百分数为10%；二、将步骤二得到的Ti-Al-TiAl3三相复合体放入真空热压烧结炉中，将真空热压烧结炉继续升温至1160℃，并加压至80MPa，保温2h，即得10vol.%的球形Ti3Al/TiAl双相合金；其中，铝锭纯度为99.0%～99.9%，钛粉纯度为99.0%～99.9%。
本试验步骤一得到的Ti-Al-TiAl3三相复合体电镜图如图1所示，由图1可知，在真空热压烧结炉中进行真空压力浸渗，除了得到Ti和Al之外，还要得到一定量的TiAl3，以便于将铝封闭在TiAl3的包围中，这样可以保证热压烧结反应中，铝液不至于流出。
对本试验得到的Ti3Al/TiAl双相合金进行电镜检测，结果如图2所示，其中，图2中近似球形的相是Ti3Al，其均匀分布在TiAl相中，由此可知本试验已经成功获得了球形Ti3Al/TiAl双相合金。测得本试验得到的Ti3Al/TiAl双相合金的致密度为99%。
为了验证本试验得到的球形Ti3Al/TiAl双相合金的热加工性能，对本试验的Ti3Al/TiAl双相合金进行高温压缩试验测试；结果如图3所示，由图3可知在800～1000℃应力-应变曲线出现明显软化，意味着TiAl合金发生动态再结晶，表明这种材料适合在此条件下进行热加工成型。
本试验得到的Ti3Al/TiAl双相合金压缩后的形貌图如图4所示，由图4可知，当压到60%时，Ti3Al/TiAl双相合金光滑如初，完好无损，进而进一步证明了球形Ti3Al/TiAl双相合金具有良好的热加工性能。
Claims (2)
1.一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法，其特征在于一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法是按照以下步骤进行的：一、按Ti和Al质量比为65～68:32～35的比例混合后，放入真空热压烧结炉中，在浸渗温度为660℃～720℃的条件下，浸渗0.5～3h，得Ti-Al-TiAl3三相复合体；二、将步骤二得到的Ti-Al-TiAl3三相复合体放入真空热压烧结炉中，将真空热压烧结炉温度升至1100℃～1400℃，加压至40～80MPa，保温0.5～2h，然后随炉冷却，即得球形Ti3Al/TiAl双相合金。
2.根据权利要求1所述的一种球形Ti3Al/TiAl双相合金的制备方法，其特征在于步骤一中所述的Ti的纯度为99.0%～99.9%，Al的纯度为99.0%～99.9%。
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