[发明专利]一种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种TiAl合金的制备方法。

背景技术

TiAl金属间化合物具有很高的比强度、比刚度、优良的抗氧化性和抗蠕变性，以及高于 常规钛合金的阻燃性，因此被认为是极具应用前景的高温结构材料。添加Nb(5at.％～ 10at.％)等金属元素可以将TiAl合金的使用温度提高50～100℃，室温强度提高300～ 500Mpa，从而进一步拓宽TiAl合金的使用范畴至近1000℃。TiAl合金的高性能使其在航空航 天用材料中逐步展现出令人瞩目的发展前景，成为先进军用飞机发动机高压压气机及低压涡 轮叶片的首选材料。NASA报告指出，到2020年TiAl基合金及其复合材料的用量在航空航天发 动机中将占有20％左右的份额。TiAl合金的良好的发展前景，使其成为世界各国高温结构材 料研究的热点。但是由于TiAl基合金在铸造过程中普遍存在着缩松、热裂等缺陷，难以铸造 出具有优异力学性能的细晶全层片组织的TiAl合金。铸造TiAl基合金因室温塑性差、高温强 度低而不能满足高压压气机叶片恶劣工作条件的苛刻需求，如果通过热加工的手段获取细晶 全层片组织，该结构因其具有的良好综合力学性能，能够满足高压压气机叶片工作的使用要 求。

由于通常设计的工程TiAl基合金的铝含量一般在45～48at.％(原子百分比)，不可避免的 会发生凝固过程中的包晶反应，包晶凝固通常会产生显著的合金元素微观偏析，这种偏析通 常会使得随后的热挤压和锻造加工无法顺利的获得均匀的细晶组织，而是获得由细小和粗大 晶粒构成的带状组织或者层片晶团和等轴晶构成的带状组织，这种组织对材料的力学性能会 造成非常不利的影响，极大地限制了TiAl基合金的使用，为了消除带状组织，获得均匀细小 的组织，通常使用要对原始铸造材质实施长时间的高温均匀化热处理，随后进行多步锻造或 者多步挤压，并且在此期间要辅以多次的再结晶热处理，该方法制作工艺复杂，成本高，不 利于推广和应用。

发明内容

本发明是为了解决现有的铸造方法难以铸造出具有优异力学性能的细晶全层片组织的 TiAl合金以及现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法成本高的问题，而提供了一 种具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备方法。

at％本发明具有细晶全层片组织的TiAl合金的制备按照以下步骤进行：一、熔炼：采用 水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭，其中TiAl合金铸锭中Al为42at.％～43at.％；二、 热等静压：TiAl合金铸锭在温度为1250～1280℃、压力为130～140MPa条件下保温4～5小时 ，然后随炉冷却出炉；三、电火花线切割：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭切割成 圆柱体铸锭；四、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂， 再包裹厚度为2～7mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢 管的两端采用厚度为2～7mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；五、将坯料表面进行清洗， 然后涂覆厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，然后在温度低于α转变温度10～20℃的条件保 温3～4小时，随后在空气中放置10～30s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即得到了 具有细晶全层片组织的TiAl合金；步骤五中不锈钢管的壁厚为2～7mm。

本发明的方法中Al占TiAl合金铸锭中的原子百分比仅为42％～43％，不存在包晶反应造成 的严重元素偏析，从而省去了高温均匀化热处理工艺，本发明的制备方法又利用热挤压的方 法对TiAl合金铸锭进行处理，获得均匀细小的组织，本发明制作得到的TiAl合金的力学性能 好，本发明制作得到的TiAl合金经一次挤压后的室温强度高达1GPa以上；通过本发明的TiAl 合金的组织结构图可以看出，本发明方法制作得到的TiAl合金具有细晶全层片组织，且与现 有的方法相比较，本发明方法省去了中间热处理和多步热加工工序，制作得到了具有细晶全 层片组织的TiAl合金，极大的降低了制作成本，与现有的具有细晶全层片组织的TiAl合金的 制备方法相比较成本减低了50％～70％。

附图说明

图1为具体实施方式九步骤一中使用水冷铜坩埚感应熔炼法熔制TiAl合金铸锭，其电流 、电压及功率控制图；图2为具体实施方式九中TiAl合金的组织结构图；图3为具体实施方式 九制作得到的TiAl合金的力学性能检测结果。

具体实施方式