專利名稱：一種TiAl基合金板材的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種合金板材的制備方法。
背景技術：
TiAl基合金因其輕質、高強、抗蠕變和抗氧化性能突出等優點，使其成為航天、航 空及汽車用耐熱結構件極具競爭力的材料。隨著TiAl基合金實用化進程的發展，對制備 TiAl基合金板材的要求越來越迫切，但TiAl基合金塑性很低、加工性能很差，因此TiAl基 合金板材制備的難度很大。 目前，TiAl基合金板材大部分采用鑄錠冶金技術(如擠壓、鍛造、軋制、板材成 型)、粉末冶金技術(包括模壓和擠壓燒結)和精密鑄造技術等成形方法。粉末冶金技術一 般需要對粉末進行包套熱壓、熱擠、熱等靜壓及燒結而成形，雖然可以顯著降低晶粒尺寸， 獲得組織細小均勻的毛坯，但合金板材在制備過程中極易受間隙元素的污染而且含氧等雜 質較多，許多工藝尚需要完善；采用鑄錠冶金技術和精密鑄造工藝制備TiAl基合金板材主 要缺點是鑄件仍存在晶粒組織粗大，強度較低，合金凝固收縮較大以及凝固組織疏松等缺 點；而且TiAl基合金，在室溫條件下難以加工成型；以上存在的問題阻礙了 TiAl基合金板 材的實用化。
發明內容
本發明為了解決現有TiAl基合金在室溫條件下難以加工成型；采用粉末冶金技 術制備的TiAl基合金板材存在極易受間隙元素的污染而且含氧等雜質較多；采用鑄錠冶 金技術和精密鑄造工藝制備TiAl基合金板材存在晶粒組織粗大，強度較低及組織疏松的 問題，而提供一種TiAl基合金板材的制備方法。 TiAl基合金板材的制備方法按以下步驟實現一、采用直徑為50 150 m純鈦 顆粒直接堆積到鋼模具中，得多孔鈦預制體；二、將Al-Si合金鑄錠線切割成與鋼模具形狀 尺寸相當的塊體，然后置于多孔鈦預制體上，再置于真空熱壓燒結爐中，抽真空至0. 001 0. OlPa，然后以10 20°C /min的速度升溫至590 640。C并保溫30 120min，再加壓到 5 30MPa，保壓10 30min，然后保壓冷卻至室溫，得Ti-Al雙金屬復合體；三、Ti-Al雙金 屬復合體進行冷軋，得厚度為1 3mm的Ti-Al雙金屬復合板；四、Ti-Al雙金屬復合板置 于真空熱壓燒結爐中，在溫度為640 70(TC、壓力為10 30MPa的條件下燒結0. 5 3h， 然后升溫至1100 140(TC，在壓力為10 30MPa的條件下燒結1 4h，保壓冷卻至室溫 后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步驟三中冷軋的條件是軋制壓力為200 600T，軋 制速度為0. 1 2m/s，道次變形量為5% 15%，軋制總變形量為70% 95%。
本發明將Al-Si合金滲入到多孔鈦預制體中，并且控制溫度使Ti、 Al盡量不發生 反應，形成塑性良好的Ti-Al雙金屬復合體，然后冷軋成Ti-Al雙金屬復合板，實現室溫條 件下加工成型，便于塑性加工，克服了 TiAl基合金冷熱加工變形性差的缺陷，可充分滿足 各種成型要求；本發明采用AlSi合金代替純A1，可有效降低Al的熔點，使得在浸滲過程中減少Ti與Al的反應，且Si元素在熱處理過程中作為有益元素參與反應；本發明可有效提 高TiAl基合金板材的致密度(致密度達97% 99% )和結構均勻性，晶粒組織細小，避免 了鑄態組織缺陷的產生，板材強度達730MPa 780MPa。本發明壓力浸滲過程在真空中進 行，且省去了粉末冶金工藝中球磨混粉的過程，減少Ti、 Al發生氧化及融入新雜質的機會， 降低氧化與雜質對TiAl基合金板材的負面影響。
圖1是具體實施方式
i^一步驟二中所得Ti-Al雙金屬復合體的顯微照片，圖2是具體實施方式
十一中所得TiAl基合金板材的顯微照片。
具體實施例方式
本發明技術方案不局限于以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的 任意組合。
具體實施方式
一 本實施方式TiAl基合金板材的制備方法按以下步驟實現一、 采用直徑為50 150ym純鈦顆粒直接堆積到鋼模具中，得多孔鈦預制體；二、將A1-Si合 金鑄錠線切割成與鋼模具形狀尺寸相當的塊體，然后置于多孔鈦預制體上，再置于真空熱 壓燒結爐中，抽真空至0. 001 0. OlPa，然后以10 20°C /min的速度升溫至590 640°C 并保溫30 120min，再加壓到5 30MPa，保壓10 30min，然后保壓冷卻至室溫，得Ti-Al 雙金屬復合體；三、Ti-Al雙金屬復合體進行冷軋，得厚度為1 3mm的Ti-Al雙金屬復合 板；四、Ti-Al雙金屬復合板置于真空熱壓燒結爐中，在溫度為640 70(TC、壓力為10 30MPa的條件下燒結O. 5 3h，然后升溫至1100 1400。C，在壓力為10 30MPa的條件下 燒結1 4h，保壓冷卻至室溫后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步驟三中冷軋的條件 是軋制壓力為200 600T，軋制速度為0. 1 2m/s，道次變形量為5% 15%，軋制總變形 量為70% 95%。本實施方式步驟一中多孔鈦預制體為松裝結構，孔隙率為47. 6% 52%。
本實施方式步驟二中保壓目的是使熔融Al-Si合金充分滲入到多孔鈦預制體中。
本實施方式步驟四中燒結是為了防止空洞的形成；首先是低溫熱壓真空反應燒 結，這是為了使A1-Si合金充分和純鈦發生反應，其化學反應式為Ti+3Al — TiAl3 ;然后 是高溫熱壓真空反應燒結，這是為了使TiAl3完全轉變成TiAl基合金，其化學反應式為 2Ti+TiAl3 — 3TiAl。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中采用直徑為 60 140 ii m純鈦顆粒。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中采用直徑為 80 ii m純鈦顆粒。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中采用直徑為 120 ii m純鈦顆粒。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
二、三或四不同的是步驟二中抽真 空至0. 005Pa，然后以15°C /min的速度升溫至60(TC并保溫60min，再加壓到lOMPa，保壓 15min。其它步驟及參數與具體實施方式
二、三或四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
二、三或四不同的是步驟二中抽真 空至0. 008Pa，然后以18°C /min的速度升溫至620。C并保溫100min，再加壓到30MPa，保壓 12min。其它步驟及參數與具體實施方式
二、三或四相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
六不同的是步驟三中冷軋的條件是 軋制壓力為300T，軋制速度為0. 5m/s，道次變形量為8%，軋制總變形量為80%。其它步驟 及參數與具體實施方式
六相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
六不同的是步驟三中冷軋的條件是 軋制壓力為500T，軋制速度為1. 5m/s，道次變形量為10%，軋制總變形量為90%。其它步 驟及參數與具體實施方式
六相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
七或八不同的是步驟四中在溫度為 65(TC、壓力為15MPa的條件下燒結lh，然后升溫至120(TC，在壓力為20MPa的條件下燒結 2h。其它步驟及參數與具體實施方式
七或八相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
七或八不同的是步驟四中在溫度為 68(TC、壓力為25MPa的條件下燒結2h，然后升溫至130(TC，在壓力為28MPa的條件下燒結 3h。其它步驟及參數與具體實施方式
七或八相同。
具體實施方式
i^一 本實施方式TiAl基合金板材的制備方法按以下步驟實現 一、采用直徑為100 120ym純鈦顆粒直接堆積到鋼模具中，得多孔鈦預制體；二、將 Al-Si合金鑄錠線切割成與鋼模具形狀尺寸相當的塊體，然后置于多孔鈦預制體上，再置于 真空熱壓燒結爐中，抽真空至0.01Pa，然后以l(TC /min的速度升溫至62(TC并保溫60min， 再加壓到20MPa，保壓15min，然后保壓冷卻至室溫，得Ti-Al雙金屬復合體；三、Ti-Al雙金 屬復合體進行冷軋，得厚度為2mm的Ti-Al雙金屬復合板；四、Ti-Al雙金屬復合板置于真 空熱壓燒結爐中，在溫度為660°C 、壓力為20MPa的條件下燒結1. 5h，然后升溫至1200°C ，在 壓力為30MPa的條件下燒結3h，保壓冷卻至室溫后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步 驟三中冷軋的條件是軋制壓力為600T，軋制速度為2m/s，道次變形量為10%，軋制總變形 量為90%。 本實施方式步驟一中多孔鈦預制體的孔隙率為48. 3% 。 本實施方式步驟二中所得Ti-Al雙金屬復合體，由圖1中可以看出，本實施方式中 可得到雙金屬復合體，且組織均勻。 本實施方式所得TiAl基合金板材，經測試致密度為99%，強度為780MPa ;從圖2 中可知，Ti和Al反應完全，TiAl基合金板材的結構均勻，晶粒組織細小，無鑄態組織缺陷。
具體實施方式
十二 本實施方式TiAl基合金板材的制備方法按以下步驟實現 一、采用直徑為50 150ym純鈦顆粒直接堆積到鋼模具中，得多孔鈦預制體；二、將A1-Si 合金鑄錠線切割成與鋼模具形狀尺寸相當的塊體，然后置于多孔鈦預制體上，再置于真空 熱壓燒結爐中，抽真空至0. 001 0. OlPa，然后以10 20°C /min的速度升溫至590 640°C并保溫30 120min，再加壓到5 30MPa，保壓10 30min，然后保壓冷卻至室溫，得 Ti-Al雙金屬復合體；三、Ti-Al雙金屬復合體進行冷軋，得厚度為1 3mm的Ti-Al雙金 屬復合板；四、Ti-Al雙金屬復合板置于真空熱壓燒結爐中，在溫度為640 70(TC、壓力為 10 30MPa的條件下燒結0. 5 3h，然后升溫至1100 1400。C燒結1 4h，保壓冷卻至室 溫后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步驟三中冷軋的條件是軋制壓力為200 600T，軋制速度為0. 1 2m/s，道次變形量為5% 15%，軋制總變形量為70% 95%。
本實施方式步驟一中多孔鈦預制體的孔隙率為48. 9% 。 本實施方式所得TiAl基合金板材，經測試致密度為98%，強度為770MPa ;所得 TiAl基合金板材的結構均勻，晶粒組織細小，無鑄態組織缺陷。
權利要求
一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于TiAl基合金板材的制備方法按以下步驟實現一、采用直徑為50～150μm純鈦顆粒直接堆積到鋼模具中，得多孔鈦預制體；二、將Al-Si合金鑄錠線切割成與鋼模具形狀尺寸相當的塊體，然后置于多孔鈦預制體上，再置于真空熱壓燒結爐中，抽真空至0.001～0.01Pa，然后以10～20℃/min的速度升溫至590～640℃并保溫30～120min，再加壓到5～30MPa，保壓10～30min，然后保壓冷卻至室溫，得Ti-Al雙金屬復合體；三、Ti-Al雙金屬復合體進行冷軋，得厚度為1～3mm的Ti-Al雙金屬復合板；四、Ti-Al雙金屬復合板置于真空熱壓燒結爐中，在溫度為640～700℃、壓力為10～30MPa的條件下燒結0.5～3h，然后升溫至1100～1400℃，在壓力為10～30MPa的條件下燒結1～4h，保壓冷卻至室溫后退模，即得到TiAl基合金板材；其中步驟三中冷軋的條件是軋制壓力為200～600T，軋制速度為0.1～2m/s，道次變形量為5％～15％，軋制總變形量為70％～95％。
2. 根據權利要求1所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟一中采用 直徑為60 140 ii m純鈦顆粒。
3. 根據權利要求1所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟一中采用 直徑為80iim純鈦顆粒。
4. 根據權利要求l所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟一中采用 直徑為120iim純鈦顆粒。
5. 根據權利要求2、3或4所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟二 中抽真空至O. 005Pa，然后以15°C /min的速度升溫至60(TC并保溫60min，再加壓到10MPa， 保壓15min。
6. 根據權利要求2、3或4所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟 二中抽真空至O. 008Pa，然后以18°C /min的速度升溫至620°C并保溫100min，再加壓到 30MPa，保壓12min。
7. 根據權利要求6所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟三中冷軋 的條件是軋制壓力為300T，軋制速度為0. 5m/s，道次變形量為8%，軋制總變形量為80%。
8. 根據權利要求6所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟三中冷軋 的條件是軋制壓力為500T，軋制速度為1. 5m/s，道次變形量為10%，軋制總變形量為90%。
9. 根據權利要求7或8所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟四中 在溫度為65(TC、壓力為15MPa的條件下燒結lh，然后升溫至120(TC，在壓力為20MPa的條 件下燒結2h。
10. 根據權利要求7或8所述的一種TiAl基合金板材的制備方法，其特征在于步驟四 中在溫度為68(TC、壓力為25MPa的條件下燒結2h，然后升溫至130(TC，在壓力為28MPa的 條件下燒結3h。
全文摘要
一種TiAl基合金板材的制備方法，它涉及一種合金板材的制備方法。本發明解決現有TiAl基合金在室溫條件下難以加工成型；粉末冶金技術制備的TiAl基合金板材存在極易受間隙元素的污染而且含氧等雜質較多；鑄錠冶金技術和精密鑄造工藝制備TiAl基合金板材存在晶粒組織粗大，強度較低及組織疏松的問題。方法純鈦顆粒堆積到鋼模具中得多孔鈦預制體，將Al-Si合金鑄錠線切割成塊體，置于多孔鈦預制體上，燒結后得Ti-Al雙金屬復合體，經冷軋后得Ti-Al雙金屬復合板，再燒結，冷卻至室溫后退模，即得。本發明實現了TiAl基合金在室溫條件下加工成型，致密，結構均勻，晶粒組織細小，強度高，降低氧化與雜質的負面影響。
文檔編號B21B1/38GK101758236SQ201010300480
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者李峰, 李愛濱, 梁策, 耿林 申請人:哈爾濱工業大學