[发明专利]一种双态结构的高强韧钛基高温合金及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于金属高温合金制备技术领域，特别涉及一种双态结构的高强韧钛基高温合金及其制备方法与应用。

背景技术

钛合金具有低密度、高比强度和比断裂韧性、良好的低温韧性和抗蚀性等优异的综合性能。作为一种新型的结构材料和工程材料，钛合金在化工、船舶、医疗、能源等领域具有广泛的应用前景。同时，作为一种重要的高温材料，钛合金在航空、航天等领域也有着重要的应用。目前，常见的高温钛合金微观结构主要包括板条状近α钛合金和双态状α+β钛合金（C.莱茵斯,M.皮特尔斯编,陈振华译,《钛与钛合金》,化学工业出版社,2005年3月第1版,第19页.）。然而，该类结构的钛基高温合金主要通过铸造加后续热处理获得，制备工艺复杂，成本相对较高，且制备的合金晶粒尺寸相对较大。双态结构的钛基高温合金是由魏氏结构的基体和等轴状析出相组成（C.莱茵斯,M.皮特尔斯编,陈振华译,《钛与钛合金》,化学工业出版社,2005年3月第1版,第26-28页.），相比于板条状近α钛合金，双态结构钛基高温合金综合了等轴结构的塑性和板条结构的高温抗蠕变性能，具有更加良好的高温综合力学性能，是未来钛基高温合金发展的重要方向。随着航空航天事业的快速发展，高温钛合金的使用温度和强度要求不断提高，因此，设计制备出具有较高强度且工艺简单、生产成本较低的钛基高温合金成为了研究的重点方向。

因此，若能通过选择合适的合金成分、材料成形方法及其工艺参数，制备出具有双态结构的高强韧钛基高温合金，具有非常重要的科学和工程意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种双态结构的高强韧钛基高温合金。

本发明另一目的在于提供一种上述双态结构的高强韧钛基高温合金的制备方法。

本发明再一目的在于提供上述双态结构的高强韧钛基高温合金在航天航空领域中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种双态结构的高强韧钛基高温合金，包含以下按原子百分比计组分：Ti64～68at.%，Nb8～18at.%，Cu6～10at.%，Ni5～8at.%，Al3～8at.%。

所述的合金结构由魏氏结构基体和等轴状(Cu,Ni)-Ti₂相组成。

所述的魏氏结构基体由β-Ti相包围板条状(Cu,Ni)-Ti₂相组成，该板条(Cu,Ni)-Ti₂相宽度为20～200nm，长度为100～500nm。其中，β-Ti相主要为体心立方结构的固溶体，其包含以下按原子百分比计组分：Ti60～70at.%，Nb15～28at.%，Cu6～10at.%，Ni2～10at.%，Al1～10at.%。板条(Cu,Ni)-Ti₂相为面心立方的固溶体，其包含以下按原子百分比计组分：Ti62～68at.%，Nb2～8at.%，Cu10～25at.%，Ni10～25at.%，Al2～7at.%。该种魏氏结构基体的体积分数占合金总体积分数的百分比为40～90%，该种魏氏结构基体结构中β-Ti相的体积分数占总魏氏结构基体体积的百分比为50～90%，魏氏结构中板条(Cu,Ni)-Ti₂相的体积分数占总魏氏结构基体体积的百分比为10～50%。

等轴状(Cu,Ni)-Ti₂相主要是由多边形的等轴(Cu,Ni)-Ti₂相组成，其相区的尺寸范围为1～10μm，等轴(Cu,Ni)-Ti₂相为面心立方结构的固溶体，其包含以下按原子百分比计组分：Ti62～68at.%，Nb2～8at.%，Cu10～25at.%，Ni10～25at.%，Al2～7at.%。该种等轴(Cu,Ni)-Ti₂相的体积分数占合金总体积分数的百分比为10～60%。

上述双态结构的高强韧钛基高温合金的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）高能球磨制备合金粉末

将各组分混匀，置于球磨机中进行高能球磨，得到合金粉末。

（2）脉冲电流烧结合金粉末

采用脉冲电流快速烧结步骤（1）制备得到的合金粉末，工艺条件如下：

烧结设备：放电等离子烧结系统

烧结电流类型：脉冲电流

烧结温度Ts：800～1000℃

烧结时间：5～25min

烧结压力：30～400MPa

经烧结即获得双态结构的高强韧钛基高温合金。