[发明专利]一种原位亚微米颗粒增强细晶高强TiAl合金的制备方法

说明书

一种原位亚微米颗粒增强细晶高强TiAl合金的制备方法，本发明涉及一种原位亚微米颗粒增强细晶高强TiAl合金的制备方法。本发明的目的是为了解决TiAl合金室温和高温力学性能低以及塑性差的问题，本发明方法为：使用Ti43Al9V0.3Y的多炉预合金铸锭，用惰性气体雾化法制备出球形度高的微米级粉末，再装入不锈钢圆筒中，真空下抽出残余空气，并充入氩气洗气，封焊。放入热等静压炉中，在高温、高压和惰性气体气氛下烧结并致密化预合金粉末，即完成。本发明TiAl合金室温强度和塑性分别增加约50％和52％；700℃高温拉伸强度和塑性分别增加32.8％和31.4％。本发明应用于金属材料力学性能领域。

技术领域

本发明涉及一种原位亚微米颗粒增强细晶高强TiAl合金的制备方法。

背景技术

随着航空航天飞行器的速度越来越快，飞行器表面与空气摩擦导致的温升越来越高，部分热区温度已经超越了超过了传统的铝合金和钛合金使用温度，高温合金的耐高温能力达1100℃，但是其密度大，用于航空航天器不符合轻量化的趋势，迫切需要一种新型的轻质薄板结构材料作为飞行器表面热区蒙皮。同时随着对推力和节油降耗的不断追求，发动机推重比的提高对飞机的性能提升有重要意义，而结构减重是提升发动机推重比的重要手段。TiAl合金具有比强度高、比刚度高、抗氧化性好、密度不到高温合金一半，高温强度和塑性均衡等优点，是极具潜力应用于飞行器热区蒙皮、航空发动机热端部件的新一代轻质高温结构材料。

但是TiAl合金具有本征脆性，室温下的塑性仅有0.5％～4％，塑性加工的能力差。通过直接铸造的方法制备出的TiAl合金组织粗大、偏析严重、缩孔、缩松等铸造缺陷进一步恶化了TiAl的力学性能。采用塑性加工的方法能够破碎TiAl的粗大组织、细化晶粒、致密组织，提升性能。但是一般需要在1000℃以上的高温环境进行，TiAl坯料必须包套以防氧化并施加外加压应力。在塑性加工过程中难以做到均匀变形，造成TiAl合金的组织性能不均匀。粉末冶金法是将TiAl合金粉末通过烧结致密化后形成特定形状的致密TiAl合金，其中通过热等静压(HIP)方法可以将烧结与致密化合在一起进行，减少了工艺步骤。粉末冶金的方法具有节省材料、组织细小均匀的特点。但是粉末冶金法制备粉末的过程中由于粉末比表面积大，造成氧含量偏高，从而恶化TiAl合金塑性。

稀土Y元素具有高的化学活性，低氧势，易于和氧元素发生反应生成氧化物。已有相关研究在铸造TiAl合金中加入Y元素。但是在熔炼过程中由于炉料中的氧含量有限，不能够与Y元素结合生成颗粒状的氧化物，而是形成微米级的网状脆性相Al₂Y，这种网状脆性相会分割基体，在受到应力状态下易断裂从而恶化材料的力学性能。现有Ti43Al9V0.3Y合金的室温强度和塑性分别为500MPa～530MPa和0.5％～1％，700℃下强度和塑性分别达到450MPa～500MPa和5％～7％；Ti43Al2Cr2Mn0.2Y铸态合金室温强度和塑性仅有450MPa和0.57％，700℃下强度和塑性分别为496MPa和10％。

发明内容

本发明的目的是为了解决TiAl合金室温和高温力学性能低以及塑性差的问题，提供了一种原位亚微米颗粒增强细晶高强TiAl合金的制备方法。

本发明一种原位亚微米颗粒增强细晶高强TiAl合金的制备方法是按以下步骤进行的：

一、采用惰性气体雾化法将Ti43Al9V0.3Y的预合金锭制成微米级TiAl合金粉末，过筛；

二、将不锈钢薄板焊接为圆柱筒，把过筛后的TiAl合金粉末填充进圆柱筒，压实，抽真空，然后充入氩气，反复洗气，在5×10^-1Pa/450℃高真空条件下除气15～20h，然后进行封焊；

三、将封焊后的圆柱筒放入热等静压炉中，在高温、高压和惰性气氛下进行烧结和致密化过程，得到致密的TiAl合金。

本发明的有益效果：