CN107400803B - 钛铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛铝合金材料及其制备方法，其中钛铝合金材料，由基体材料、增韧相和增强相组成；其中，基体材料包括以下质量份数：Ti 70~72.5；Al 25；Mo 1；增韧相包括以下质量份数：HfC 0.8~1.5；Ta 0.5；VN 0.2~2；增强相为石墨烯，所配质量份数为0~1.5。依据本发明钛铝合金材料的强度和韧性比较高。

Description

钛铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钛铝合金材料及其制备方法。

背景技术

钛铝是金属间化合物，由于具有良好的机械性能，且密度比较低，可代替传统的以镍为基的高温合金（密度仅为镍基合金的一半左右）。钛铝合金具有高弹性模量、抗蠕变、抗氧化、耐磨耐高温等优良性能，作为轻质耐热结构材料一直备受研究者的关注，具有很大的发展和应用潜力，凭借其优良性能被广泛应用于航空、航天、军事和机械等重要领域。

为了改善钛铝合金室温塑形、耐磨性和高温800℃以下抗氧化性性能的不足，合金化是一种行之有效的方法。于宏宝等人对钛铝基合金组织性能进行了研究，在钛铝基合金基体上添加Cr、Nb、B等制备出硬质相弥散分布、精细、均匀的TiAl复合结构纳米合金粉末。目前石墨烯在金属基复合材料（Cu、Al、Ni）的应用研究发现：石墨烯的加入将大幅度改善材料的力学性能和摩擦性能，但是以钛铝合金为基体的研究报道很少，采用石墨烯的高强度和韧性性能制备低摩擦系数和高耐磨性能的钛铝基复合材料，对钛铝基复合材料的应用具有广阔的前景。

目前用以改善钛铝合金机械性能的处理方法主要是通过适当的热处理来实现，然而，热处理只能在一定程度上改善合金织构，材料本身并没有发生改变，或者说存在着先天不足，并且热处理所产生的合金织构在使用过程中非常容易转变回来。

在一些实现中，为了获得更佳的机械性能，通过增加钛用量的方法，钛的掺加量高达91%~96%，会造成钛铝合金的成本偏高。

在一些实现中，则在钛铝合金中掺加不少于总重30%的铌，用以提高钛铝合金的强度和韧性，然而铌的价格远高于钛（10倍左右），会大幅增加钛铝合金的价格。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米颗粒增强增韧钛铝合金材料，本发明还提供了一种钛铝合金材料的制备方法。

依据本发明的实施例，提供一种钛铝合金材料，由基体材料、增韧相和增强相组成；

其中，基体材料包括以下质量份数：

Ti 70~72.5；

Al 25；

Mo 1；

增韧相包括以下质量份数：

HfC 0.8~1.5；

Ta 0.5；

VN 0.2~2；

增强相为石墨烯，所配质量份数为0~1.5。

上述钛铝合金材料，可选地，Ti的质量份数优选为72。

可选地，HfC质量份数优选为1；

VN质量份数优选为0.5。

可选地，石墨烯的质量份数为0.25~0.90。

依据本发明的实施例，还提供了一种制备如前所述的钛铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1）备料：称取给定量的基体材料、增韧相和增强相粉料，得到物料；

2）球磨混合：将步骤1）称量的物料投入球磨机进行球磨，得到给定粒度的混合料；

3）成型：将所述混合料填入给定模具进行成型。

根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤2）中，将物料投入到球磨机前，先对除增强相之外的其余物料进行混合后的预混，得到预混料。

上述制备方法，可选地，在球磨机中进行球磨时，先对预混料进行球磨第一时间，然后再投入增强相，再进一步球磨第二时间。

可选地，第一时间为150min，第二时间为120min；

球磨机转速为200rpm/min。

可选地，所述模具为石墨模具，所配置石墨模具套筒内径为40mm。

可选地，步骤3）成型具有：

第一成型方法：该第一成型方法为冷压成型，冷压成型的压强是35MPa，保压时间为20s；

第二成型方法：该第二成型方法为热压成型，热压成型压强为30MPa；

成型后的坯件进行烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为30min，烧结时需在真空室中完成，真空室的真空度为1×10^-2Pa。

依据本发明的实施例的钛铝合金具有比较高的机械性能，优于不锈钢和Ni基等传统的高温合金。常规的钛铝合金室温塑形、耐磨性和高温800℃下抗氧化性性能不足；石墨烯是2004年发现的目前最薄、最强韧、具用超大的比表面积的一种新型二维平面结构的碳纳米材料，具有优异的性能，添加于钛铝基体中，细晶强化和转移剪切应力强化的作用能改善钛铝合金的性能。在TiAl合金中，添加Mo能提高材料高温强度，添加体心立方结构的Mo后，可以抑制Ti的α相的生长，显著细化β相使晶粒尺寸减小，从而提高钛铝合金的强度；HfC的添加具有沉淀弥散的作用，显著改善材料高温强度；Ta的加入改善材料的延展性和韧性；VN的驱动力易形成细小的弥散颗粒，抑制颗粒粗化，可以提高材料硬度和延展性。

具体实施方式

在本发明的实施例中，采用质量分数表示钛铝合金材料各组份的含量。关于本发明各实施例中的基体材料包括Ti（钛）、Al（铝）和Mo（钼）；增韧相包括HfC（碳化铪）、Ta（钽）和VN（氮化钒）；增强相为石墨烯。

实施例1：

本实施例钛铝合金材料由如下质量份数的材料：72（份，其余实施例省略）Ti、25份Al、1份Mo、1份HfC、0.5份Ta、0.5份VN。作为对比，本实施例中不添加石墨烯。

石墨烯能增强钛铝合金材料的力学性能，石墨烯的添加能有效地改善合金组织，提高复合材料的力学性能。

本实施例中钛铝合金的制备方法如下：

1）备料，根据本实施例的钛铝合金材料原来进行备料，所备各组分材料均是粉料，整体上称为物料。

2）将称重好的物料和钢球按照球料质量比为8：1（钢球直径10mm、6mm或3mm）的比例放入预先清洗干净的不锈钢球磨罐中，在KE-2L型行星式球磨机上机械球磨、混合均匀得到预处理好的混合粉末。

3）将球磨好的粉末待恢复至室温后，使用200目筛网过筛，然后填入石墨模具中，石墨模具缓慢放在万能试验机上，进行压制成形，设定保压时间20s。

4）将压制完成后的冷压坯料置于立式真空热压烧结中进行烧结试样。

其中烧结工艺：室温至600℃、升温速率为10℃/min，保温10min；600℃至900℃，升温速率为5℃/min，保温15min；900℃至1250℃、升温速率为5℃/min，保温时间为30min，烧结压力为35MPa。

烧结时需避免混合料氧化，提供真空室，真空室的真空度为10^-2Pa。

通过上述步骤制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度456MPa，屈服强度364MPa，硬度37HV。

在球磨前，可以对物料进行预混，尽管所需工时增长，但能够使得球磨后的混合料更加均匀。

球磨时，球磨机转速为200rpm/min，球磨时间需要控制在合适的范围内，总球磨时间不少于200min，若掺加石墨烯时，需将除石墨烯外的其余组分先进行球磨第一时间，然后投入石墨烯后再球磨第二时间。

其中，第一时间优选为150min，第二时间优选为120min。

分两个时间段进行球磨时，总的球磨时间不少于250min。

实施例2：

本实施例钛铝合金材料包括如下质量份数的材料：72 Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记为混和粉末。

添加石墨烯为增强相，称取石墨烯0.08份（以下实施例省略“份”），与上述的混合粉末共同成为混料。

制备时，因掺加了石墨烯，如前所述，需要先对混和粉末进行球磨第一时间，然后再投入石墨烯，进一步球磨第二时间。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法其余步骤同实施例1。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度467MPa，屈服强度369MPa，硬度37HV。

实施例3：

本实施例钛铝合金材料包括如下质量份数的材料：72Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记为混和粉末；在混和粉末中进一步添加石墨烯，所添加的石墨烯为增强相，石墨烯的用量为0.25份，与混和粉末整体上称为混料。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法同实施例2。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度512MPa，屈服强度384MPa，硬度45HV。

实施例4：

本实施例钛铝合金材料包括如下质量份数的材料：72Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记这些组分为混和粉末；进一步包括石墨烯，石墨烯作为增强相，所掺加的石墨烯0.4份，与上述混合粉末整体上称为混料。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法同实施例2。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度579MPa，屈服强度445MPa，硬度44HV。

实施例5：

本实施例钛铝合金材料包括如下质量份数的材料：72Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记这些组分为混和粉末；进一步包括石墨烯，石墨烯作为增强相，所掺加的石墨烯为0.56份，与上述混合粉末整体上称为混料。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法同实施例2。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度565MPa，屈服强度448MPa，硬度42HV。

实施例6：

本实施例钛铝合金材料包括如下质量份数的材料：72Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记这些组分为混和粉末；进一步包括石墨烯，石墨烯作为增强相，所掺加的石墨烯为0.72份，与上述混合粉末整体上称为混料。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法同实施例2。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度460MPa，屈服强度394MPa，硬度40HV。

实施例7：

本实施例钛铝合金材料包括如下质量份数的材料：72Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记这些组分为混和粉末；进一步包括石墨烯，石墨烯作为增强相，所掺加的石墨烯为0.44份，与上述混合粉末整体上称为混料。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法同实施例2。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度493MPa，屈服强度390MPa，硬度40HV。

实施例8：

本实施例钛铝合金材料由如下质量份数的材料：72Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记这些组分为混和粉末；进一步包括石墨烯，石墨烯作为增强相，所掺加的石墨烯为1.05份，与上述混合粉末整体上称为混料。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法同实施例2。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度454MPa，屈服强度376MPa，硬度37HV。

实施例9：

本实施例钛铝合金材料包括如下质量份数的材料：72Ti、25Al、1Mo、1HfC、0.5Ta、0.5VN，记这些组分为混和粉末；进一步包括石墨烯，石墨烯作为增强相，所掺加的石墨烯为1.2份，与上述混合粉末整体上称为混料。

本实施例中钛铝合金材料的制备方法同实施例2。

所制备的钛铝合金材料的力学性能为：抗拉强度478MPa，屈服强度385MPa，硬度38HV。

通过上述实验结果表明：石墨烯的添加均匀的分布在基体内，通过热压烧结，石墨烯的存在有效地阻止钛铝合金晶粒的形核率及长大速度，起到细晶强化的作用；石墨烯作为增强材料，以第二相的形式存在于基体中，产生明显的强化效应，石墨烯超大的比表面积易于基体的界面结合，可以抑制材料受力中位错运动和晶格畸变；石墨烯极高的强度可以分散塑性变形，使得钛铝基体受到的应力减小，材料的力学性能得到改善。但石墨烯含量过多，难与基体混合均匀，易发生团聚，且制备的试样中空洞出现较多，降低材料的力学性能。因此，一定含量的石墨烯可以改善材料的力学性能。

Claims (9)

1.一种钛铝合金材料，其特征在于，由基体材料、增韧相和增强相组成；

其中，基体材料包括以下质量份数：

Ti 70~72.5；

Al 25；

Mo 1；

增韧相包括以下质量份数：

HfC 0.8~1.5；

Ta 0.5；

VN 0.2~2；

增强相为石墨烯，所配质量份数为0~1.5。

2.根据权利要求1所述的钛铝合金材料，其特征在于，Ti的质量份数优选为72。

3.根据权利要求1或2所述的钛铝合金材料，其特征在于，HfC质量份数优选为1；

VN质量份数优选为0.5。

4.根据权利要求1或2所述的钛铝合金材料，其特征在于，石墨烯的质量份数为0.25~0.90。

5.一种制备如权利要求1~4任一所述的钛铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）备料：称取给定量的基体材料、增韧相和增强相粉料，得到物料；

2）球磨混合：将步骤1）称量的物料投入球磨机进行球磨，将球磨后的物料使用200目筛网过筛，得到混合料；

3）成型：将所述混合料填入给定模具进行成型；

其中步骤3）成型具有：

第一成型方法：该第一成型方法为冷压成型，冷压成型的压强是35MPa，保压时间为20s；或

第二成型方法：该第二成型方法为热压成型，热压成型压强为30MPa；

成型后的坯件进行烧结，烧结温度为1250℃，保温时间为30min，烧结时需在真空室中完成，真空室的真空度为1×10^-2Pa。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤2）中，将物料投入到球磨机前，先对除增强相之外的其余物料进行混合后的预混，得到预混料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在球磨机中进行球磨时，先对预混料进行球磨，球磨时间为150min，然后再投入增强相，再进一步球磨，进一步球磨的时间为120min。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，球磨机转速为200rpm/min。

9.根据权利要求5~8任一所述的制备方法，其特征在于，所述模具为石墨模具，所配置石墨模具套筒内径为40mm。