一种TIAL合金型材的制备方法.pdf

一种TiAl合金型材的制备方法，它涉及一种合金型材的制备方法。本发明的目的是要解决现有方法制备的TiAl合金型材存在TiAl合金组织粗大，成分偏析，杂质含量和缺陷密度均高，易开裂和对设备和模具要求高的问题。制备方法：一、原材料准备；二、致密化处理；三、车削加工；四、制备预挤压坯包套；五、高温热挤压，得到TiAl合金型材。本发明对TiAl预合金粉先进行致密化处理、然后进行高温包套挤压制备TiAl合金型材，该发明制备的TiAl合金型材晶粒尺寸小，致密度高、成分均匀、性能优异。本发明可获得一种TiAl合金型材的制备方法。

权利要求书
1.  一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于一种TiAl合金型材的制备方法具体是 按以下步骤完成的：
一、原材料准备：称取粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X (at％)的TiAl预合金粉末；
步骤一中所述的Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)中X为Mo、Cr、Nb、V、Si、Fe、Zr、 Mn、B、C、W和Y中的一种或其中几种元素；
步骤一中所述的名义化学式为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末是通过 惰性气体雾化技术或等离子旋转电极雾化技术制备的；
二、致密化处理：将步骤一称取的粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为 Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末进行处理，得到TiAl坯料；
步骤二中所述的将步骤一称取的粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为 Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末进行处理是经热压烧结、放电等离子烧结 和热等静压中的一种或几种进行处理的；
三、车削加工：采用机械加工的方法将步骤二中得到的TiAl坯料进行机械加工，得到 TiAl预挤压坯料；
四、制备预挤压坯包套：将步骤四中车削加工的TiAl预挤压坯料放入到包套中，再进 行封焊，得到预挤压坯包套；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢、纯钛或钛合金；
步骤四中所述的包套的厚度为2mm～20mm；
五、高温热挤压：将步骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升 温至1000℃～1350℃，再在温度为1000℃～1350℃下保温0.5h～4h，再将温度为1000℃ ～1350℃的预挤压坯包套放入预热温度为600℃～1000℃的高温合金模具中进行热挤压1 次～10次，得到挤压件，再将挤压件放置在温度为1000℃～1350℃的加热炉内，再关掉加 热炉的电源，挤压件自然冷却至100℃～900℃，再将温度为100℃～900℃挤压件从加热 炉中取出，自然冷却至室温，去包套，得到TiAl型材；
步骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.01m/s～1.5m/s，总挤压比为(2～16):1。

2.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤一中称取 粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-(41～44)Al-(4～9)X(at％)的TiAl预合金粉末。

3.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤一中称取 粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-(45～48)Al-(4～8.5)X(at％)的TiAl预合金粉末。

4.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤一中称取 粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)的TiAl预合金粉末。

5.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤二中所述 的热压烧结的压力为20MPa～150MPa，温度为850℃～1350℃，烧结时间为0.5h～4h； 步骤二中所述的放电等离子烧结的压力为40MPa～100MPa，烧结温度为900℃～1300℃， 真空度为10-4Pa～10Pa，烧结时间为2min～60min；步骤二中所述的热等静压的温度为1100 ℃～1280℃，压力为140MPa～200MPa，时间为1h～4h。

6.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤二中所述 的热压烧结的压力为40MPa～80MPa，温度为1000℃～1300℃，烧结时间为1h～4h；步 骤二中所述的放电等离子烧结的压力为50MPa～80MPa，烧结温度为950℃～1200℃，真 空度为10-4～10Pa，烧结时间为5min～20min；步骤二中所述的热等静压的温度为1100℃ ～1250℃，压力为160MPa～200MPa，时间为1.5h～2.5h。

7.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤五中将步 骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升温至1180℃～1280℃，再 在温度为1180℃～1280℃下保温0.5h～4h，再将温度为1180℃～1280℃的预挤压坯包套 放入预热温度为700℃～900℃的高温合金模具中进行热挤压2次～5次，得到挤压件。

8.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤五中所述 的热挤压的挤压速度为0.01m/s～0.5m/s，总挤压比(2～10):1。

9.  根据权利要求1所述的一种TiAl合金型材的制备方法，其特征在于步骤五中将步 骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升温至1150℃～1300℃，再 在温度为1150℃～1300℃下保温1h～4h，再将温度为1150℃～1300℃的预挤压坯包套 放入预热温度为750℃～950℃的高温合金模具中进行热挤压2次～6次，得到挤压件；步 骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.15m/s～0.3m/s，总挤压比(2～12):1。

说明书一种TiAl合金型材的制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金型材的制备方法。
背景技术
TiAl合金具有密度低、比强度高、比刚度高，以及良好的高温抗氧化、抗蠕变性能， 是一种非常有潜力的轻质高温结构材料，在航空航天、汽车制造等工业领域有着广阔的应 用前景。TiAl合金具有原子长程有序排列的结构特性以及原子间金属与共价键共存的特 性，使其同时兼顾金属的塑性和陶瓷的高温强度，与传统钛合金和镍基高温合金相比， TiAl合金具有低比重、高蠕变抗力等性能优势。然而TiAl合金室温塑性低，高温变形能 力差，这些因素制约了该合金的工程化应用。
通常，制备TiAl合金型材可以选用铸造冶金或粉末冶金制备TiAl合金，然后热挤压 TiAl合金成型材。铸锭冶金法制备的TiAl合金铸锭组织粗大，且存在缩孔、缩松以及成 分偏析等缺陷，需要后续的热等静压处理及热机械处理来减少或消除缺陷，细化粗大的铸 态组织；而元素粉末法制备Ti和Al复合体再热挤压成型材，还需后续高温烧结合成，此 工艺容易引入高的杂质含量和缺陷密度，难以实现全致密化，还需后续的热等静压。TiAl 合金型材的制备需要在较高的温度下进行，对设备要求较高，而且要求有在长时间高温下 有相当强度的模具。在型材制备前制备出组织细小，成分均匀的TiAl合金坯料，再采用 高温包套挤压工艺，则能有效降低挤压温度，增大挤压速率，降低型材制备对设备和模具 的要求，制备出成分形状完整，性能优良的TiAl合金型材。
发明内容
本发明的目的是要解决现有方法制备的TiAl合金型材存在TiAl合金组织粗大，成分 偏析，杂质含量和缺陷密度均高，易开裂和对设备和模具要求高的问题，而提供一种TiAl 合金型材的制备方法。
一种TiAl合金型材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、原材料准备：称取粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X (at％)的TiAl预合金粉末；
步骤一中所述的Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)中X为Mo、Cr、Nb、V、Si、Fe、Zr、 Mn、B、C、W和Y中的一种或其中几种元素；
步骤一中所述的名义化学式为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末是通 过惰性气体雾化技术或等离子旋转电极雾化技术制备的；
二、致密化处理：将步骤一称取的粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为 Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末进行处理，得到TiAl坯料；
步骤二中所述的将步骤一称取的粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为 Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末进行处理是经热压烧结、放电等离子烧 结和热等静压中的一种或几种进行处理的；
三、车削加工：采用机械加工的方法将步骤二中得到的TiAl坯料进行机械加工，得 到TiAl预挤压坯料；
四、制备预挤压坯包套：将步骤四中车削加工的TiAl预挤压坯料放入到包套中，再 进行封焊，得到预挤压坯包套；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢、纯钛或钛合金；
步骤四中所述的包套的厚度为2mm～20mm；
五、高温热挤压：将步骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升 温至1000℃～1350℃，再在温度为1000℃～1350℃下保温0.5h～4h，再将温度为1000 ℃～1350℃的预挤压坯包套放入预热温度为600℃～1000℃的高温合金模具中进行热挤 压1次～10次，得到挤压件，再将挤压件放置在温度为1000℃～1350℃的加热炉内，再 关掉加热炉的电源，挤压件自然冷却至100℃～900℃，再将温度为100℃～900℃挤压 件从加热炉中取出，自然冷却至室温，去包套，得到TiAl型材；
步骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.01m/s～1.5m/s，总挤压比为(2～16):1。
本发明的优点：
一、本发明对TiAl预合金粉先进行致密化处理、然后进行包套热挤压制备TiAl合金 型材；TiAl预合金粉致密化处理后，晶粒尺寸小，致密度高、成分均匀，在后续的包套 挤压制备型材过程中，有效地降低挤压温度，增大挤压速率，降低了对设备和模具的要求；
二、本发明得到的TiAl合金型材晶粒细小，致密度高、成分均匀、室温下拉伸屈服 强度为550MPa～800MPa，室温延伸率为0.8％～1.8％。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种TiAl合金型材的制备方法，具体是按以下步骤 完成的：
一、原材料准备：称取粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X (at％)的TiAl预合金粉末；
步骤一中所述的Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)中X为Mo、Cr、Nb、V、Si、Fe、Zr、 Mn、B、C、W和Y中的一种或其中几种元素；
步骤一中所述的名义化学式为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末是通 过惰性气体雾化技术或等离子旋转电极雾化技术制备的；
二、致密化处理：将步骤一称取的粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为 Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末进行处理，得到TiAl坯料；
步骤二中所述的将步骤一称取的粒径为0.5μm～325μm的名义化学式为 Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl预合金粉末进行处理是经热压烧结、放电等离子烧 结和热等静压中的一种或几种进行处理的；
三、车削加工：采用机械加工的方法将步骤二中得到的TiAl坯料进行机械加工，得 到TiAl预挤压坯料；
四、制备预挤压坯包套：将步骤四中车削加工的TiAl预挤压坯料放入到包套中，再 进行封焊，得到预挤压坯包套；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢、纯钛或钛合金；
步骤四中所述的包套的厚度为2mm～20mm；
五、高温热挤压：将步骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升 温至1000℃～1350℃，再在温度为1000℃～1350℃下保温0.5h～4h，再将温度为1000 ℃～1350℃的预挤压坯包套放入预热温度为600℃～1000℃的高温合金模具中进行热挤 压1次～10次，得到挤压件，再将挤压件放置在温度为1000℃～1350℃的加热炉内，再 关掉加热炉的电源，挤压件自然冷却至100℃～900℃，再将温度为100℃～900℃挤压 件从加热炉中取出，自然冷却至室温，去包套，得到TiAl型材；
步骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.01m/s～1.5m/s，总挤压比为(2～16):1。
本实施方式的优点：
一、本实施方式对TiAl预合金粉先进行致密化处理、然后进行包套热挤压制备TiAl 合金型材；TiAl预合金粉致密化处理后，晶粒尺寸小，致密度高、成分均匀，在后续的 包套挤压制备型材过程中，有效地降低挤压温度，增大挤压速率，降低了对设备和模具的 要求；
二、本实施方式得到的TiAl合金型材晶粒细小，致密度高、成分均匀、室温下拉伸 屈服强度为550MPa～800MPa，室温延伸率为0.8％～1.8％。
本实施方式可获得一种TiAl合金型材的制备方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中称取粒径为0.5 μm～325μm的名义化学式为Ti-(41～44)Al-(4～9)X(at％)的TiAl预合金粉末。其他步骤与 具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中称取粒 径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-(45～48)Al-(4～8.5)X(at％)的TiAl预合金粉末。其 他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中称取粒 径为0.5μm～325μm的名义化学式为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)的TiAl预合金粉末。其他步 骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中所述的 热压烧结的压力为20MPa～150MPa，温度为850℃～1350℃，烧结时间为0.5h～4h；步 骤二中所述的放电等离子烧结的压力为40MPa～100MPa，烧结温度为900℃～1300℃， 真空度为10-4Pa～10Pa，烧结时间为2min～60min；步骤二中所述的热等静压的温度为 1100℃～1280℃，压力为140MPa～200MPa，时间为1h～4h。其他步骤与具体实施方式 一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述的 热压烧结的压力为40MPa～80MPa，温度为1000℃～1300℃，烧结时间为1h～4h；步 骤二中所述的放电等离子烧结的压力为50MPa～80MPa，烧结温度为950℃～1200℃， 真空度为10-4～10Pa，烧结时间为5min～20min；步骤二中所述的热等静压的温度为1100 ℃～1250℃，压力为160MPa～200MPa，时间为1.5h～2.5h。其他步骤与具体实施方式一 至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤五中将步骤 四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升温至1180℃～1280℃，再在 温度为1180℃～1280℃下保温0.5h～4h，再将温度为1180℃～1280℃的预挤压坯包套 放入预热温度为700℃～900℃的高温合金模具中进行热挤压2次～5次，得到挤压件。 其他步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤五中所述的 热挤压的挤压速度为0.01m/s～0.5m/s，总挤压比(2～10):1。其他步骤与具体实施方式一至 七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤五中将步骤 四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升温至1150℃～1300℃，再在 温度为1150℃～1300℃下保温1h～4h，再将温度为1150℃～1300℃的预挤压坯包套放 入预热温度为750℃～950℃的高温合金模具中进行热挤压2次～6次，得到挤压件；步 骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.15m/s～0.3m/s，总挤压比(2～12):1。其他步骤与具体 实施方式一至八相同。
采用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：一种TiAl合金型材的制备方法具体是按以下步骤完成的：
一、原材料准备：称取粒径为5μm～200μm的名义化学式为Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％) 的TiAl预合金粉末；
步骤一中所述的名义化学式为Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％)的TiAl预合金粉末是通过等离 子旋转电极雾化技术制备的；
二、致密化处理：将步骤一称取的粒径为5μm～200μm的名义化学式为 Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％)的TiAl预合金粉末进行处理，得到TiAl坯料；
步骤二中所述的将步骤一称取的粒径为5μm～200μm的名义化学式为 Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％)的TiAl预合金粉末进行处理是经热压烧结进行处理的；所述的热 压烧结的压力为50MPa，温度为1280℃，烧结时间为3h；
三、车削加工：采用机械加工的方法将步骤二中得到的TiAl坯料进行机械加工，得 到TiAl预挤压坯料；
四、制备预挤压坯包套：将步骤四中车削加工的TiAl预挤压坯料放入到包套中，再 进行封焊，得到预挤压坯包套；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢；
步骤四中所述的包套的厚度为4mm；
五、高温热挤压：将步骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升 温至1310℃，再在温度为1310℃下保温3h，再将温度为1310℃的预挤压坯包套放入 预热温度为850℃的高温合金模具中进行热挤压4次，得到挤压件，再将挤压件放置在 温度为1310℃的加热炉内，再关掉加热炉的电源，挤压件自然冷却到350℃，再将温度 为350℃挤压件从加热炉中取出，自然冷却至室温，得到TiAl挤压型材；
步骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.2m/s，总挤压比3:1；
试验一得到的TiAl合金型材为方材；TiAl合金方材室温下拉伸屈服强度为550MPa， 室温延伸率为0.95％。
试验二：一种TiAl合金型材的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、原材料准备：称取粒径为0.5μm～150μm的名义化学式为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％) 的TiAl预合金粉末；
步骤一中所述的名义化学式为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)的TiAl预合金粉末是通过惰性 气体雾化技术；
二、致密化处理：将步骤一称取的粒径为0.5μm～150μm的名义化学式为 Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)的TiAl预合金粉末进行处理，得到TiAl坯料；
步骤二中所述的将步骤一称取的粒径为0.5μm～150μm的名义化学式为 Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)的TiAl预合金粉末进行处理是经放电等离子烧结进行处理的；所 述的放电等离子烧结的压力为80MPa，烧结温度为1180℃，真空度为10-2，烧结时间为 8min；
三、车削加工：采用机械加工的方法将步骤二中得到的TiAl坯料进行机械加工，得 到TiAl预挤压坯料；
四、制备预挤压坯包套：将步骤四中车削加工的TiAl预挤压坯料放入到包套中，再 进行封焊，得到预挤压坯包套；
步骤四中所述的包套的材质为纯钛；
步骤四中所述的包套的厚度为4mm；
五、高温热挤压：将步骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升 温至1280℃，再在温度为1280℃下保温2h，再将温度为1280℃的预挤压坯包套放入 预热温度为900℃的高温合金模具中进行热挤压4次，得到挤压件，再将挤压件放置在 温度为1280℃的加热炉内，再关掉加热炉的电源，挤压件自然冷却到400℃，再将温度 为400℃挤压件从加热炉中取出，自然冷却至室温，得到TiAl挤压管材；
步骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.3m/s，总挤压比4:1；
试验二得到的TiAl合金型材为管材；TiAl合金方材室温下拉伸屈服强度为700MPa， 室温延伸率为1.8％。
试验三：一种TiAl合金型材的制备方法具体是按以下步骤完成的：
一、原材料准备：称取粒径为5μm～200μm的名义化学式为Ti-45Al-6Nb-0.2B-0.25Y (at％)的TiAl预合金粉末；
步骤一中所述的名义化学式为Ti-45Al-6Nb-0.2B-0.25Y(at％)的TiAl预合金粉末是通 过惰性气体雾化技术；
二、致密化处理：将步骤一称取的粒径为5μm～200μm的名义化学式为 Ti-45Al-6Nb-0.2B-0.25Y(at％)的TiAl预合金粉末进行处理，得到TiAl坯料；
步骤二中所述的将步骤一称取的粒径为5μm～200μm的名义化学式为 Ti-45Al-6Nb-0.2B-0.25Y(at％)的TiAl预合金粉末进行处理是经热等静压进行处理的；所 述的热等静压的温度为1250℃，压力为160MPa，时间为2h；
三、车削加工：采用机械加工的方法将步骤二中得到的TiAl坯料进行机械加工，得 到TiAl预挤压坯料；
四、制备预挤压坯包套：将步骤四中车削加工的TiAl预挤压坯料放入到包套中，再 进行封焊，得到预挤压坯包套；
步骤四中所述的包套的材质为钛合金；
步骤四中所述的包套的厚度为5mm；
五、高温热挤压：将步骤四得到的预挤压坯包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升 温至1320℃，再在温度为1320℃下保温3h，再将温度为1320℃的预挤压坯包套放入 预热温度为950℃的高温合金模具中进行热挤压9次，得到挤压件，再将挤压件放置在 温度为1320℃的加热炉内，再关掉加热炉的电源，挤压件自然冷到500℃，再将温度为 500℃挤压件从加热炉中取出，自然冷却至室温，得到TiAl挤压棒材；
步骤五中所述的热挤压的挤压速度为0.2m/s，总挤压比9:1；
试验三得到的TiAl合金型材为棒材；TiAl合金方材室温下拉伸屈服强度为750MPa， 室温延伸率为1.2％。