[发明专利]一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法，涉及合金材料技术领域。所述钛铝合金的化学式为：Ti_xAl_yNb_z其中，x、y、z为对应原子百分含量，x＝40～46，y＝46～50，x+y＜100，z＝100‑x‑y。本发明提供的一种具有多级孪晶交错结构的钛铝(Ti‑Al)合金仅含有Ti、Al、Nb三种元素，元素配比简单，容易获得；由电磁悬浮无容器处理技术制备而成，可以有效实现合金微观组织的主动调控，操作方法简单，获得的合金具有高强度，高塑性，可用于下一代航空、航天发动机。

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法。

背景技术

近年来，随着航空、航天事业的飞速发展，我国已从航空、航天大国向强国道路迈进。Ti-Al合金作为重要的航空结构材料，拥有密度低，比强度高，抗腐蚀性能优越等特点，拥有广泛的应用价值。特别是在新一代航空发动机上，Ti-Al合金有望取代镍基高温合金，成为下一代航空发动机的主要备选材料。为了提高Ti-Al合金的综合性能，常加入β稳定元素Nb来改善其高温抗氧化性能，同时获得强度的提升，然而大量加入Nb元素会引起凝固过程中的显微偏析，从而影响Ti-Al合金的塑性。众所周知，材料的性能与其微观组织密不可分，传统研究观点认为，强度和塑性是相互制约的关系，由晶粒细化所引起的强度提升，必然导致材料塑性的下降。因此，如何在材料强度提升的同时，塑性也随之提高，实现“鱼与熊掌”兼得的突破，是新材料研发的一个重要方向，也是高性能Ti-Al合金研发过程中的难点。现有的提高Ti-Al合金性能的方法包括多元合金化、定向凝固、增材制造、多步热处理、材料加工成型等，然而，大幅度提升Ti-Al合金的强度与塑性仍然存在较大的障碍。同时，现有的材料变形与多步热处理制备技术较为复杂，成本相对较高，亟待探索和开发高性能Ti-Al合金制备的新工艺。

快速凝固技术拥有比常规冶金工艺大得多的冷却速度与过冷度，极大缩短了合金的凝固过程。该技术能够有效抑制元素偏析、细化晶粒的同时扩大合金元素的固溶度，形成微晶或纳米晶组织、析出高度弥散强化相，被认为是一种有效提高合金综合性能的方法。同时，快速凝固过程中产生的亚稳相及缺陷，如：位错，孪晶等，对材料性能产生重要影响。作为深过冷快速凝固技术的代表，电磁悬浮技术能够有效消除材料凝固过程中由于器壁接触所引起的异质形核，实现常规手段所无法达到的过冷度。

孪晶作为一种特殊的共格界面，处于孪晶界面两侧的原子呈现镜面对称，研究发现，在材料塑性变形过程中，一方面，孪晶能够起到晶界的作用，阻碍位错运动，从而提升材料强度。另一方面，孪晶界能够吸收位错，使位错能够在孪晶界面滑移，从而获得优异的塑性。现阶段，具有多级孪晶结构的钛合金是通过冷轧变形与多级热处理结合的制备工艺，其操作过程复杂，常常需要较大的变形量才能实现。目前，采用电磁悬浮快速凝固技术直接获得多级孪晶结构的Ti-Al合金尚无报道。能否仅通过控制合金的凝固过程而获得多级孪晶结构的Ti-Al合金，实现材料制备工艺的简化及显微组织与性能的优化，拥有重要研究意义。同时，合理的合金成分设计与材料制备过程控制，开发新型航空、航天发动机用Ti-Al合金对国家航天事业的发展拥有重大意义。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的不足，本发明提供了一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法，该钛铝合金合金具有高强度、高塑性、耐腐蚀性能好，有望应用于未来航空、航天发动机。本发明主要利用电磁悬浮无容器处理技术提供的深过冷条件，主动调控合金的凝固组织，获得亚稳定的块状γ-TiAl相，同时在块状γ相中产生多级纳米孪晶，获得独特的多级孪晶交错的显微结构，可大幅度提高了材料性能。

本发明第一个目的是提供一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金，所述钛铝合金的化学式为：Ti_xAl_yNb_z

其中，x、y、z为对应原子百分含量，x＝40～46，y＝46～50，x+y＜100，z＝100-x-y。