[发明专利]一种具有纳米级晶粒的高铌TiAl合金及其制备方法

说明书

本发明一种具有纳米级晶粒的高铌TiAl合金及其制备方法，所述方法包括步骤1，将置于惰性气体中的待处理高铌TiAl合金加热至1360～1480℃，保温2～4min后淬火；步骤2，将淬火后的高铌TiAl合金在加热炉中加热至800～1000℃，保温10‑50h后随炉冷却至室温。所述高铌TiAl合金由该方法制备得到，纳米级晶粒为ω相和γ相的等轴晶粒；相对于机械热处理方法，因ω相的存在有望使得材料的高温性能进一步改善；相对于多步热处理方法，很大程度上细化晶粒最终得到的晶粒为等轴的纳米级，其尺寸不到片层团的1/100，与机械合金化方法相比，本发明的高铌TiAl合金力学性能更加优异。

技术领域

本发明涉及金属材料热加工技术领域，具体为一种具有纳米级晶粒的高铌TiAl合金及其制备方法。

背景技术

高铌TiAl合金具有密度轻、比强度高、比刚度高、高温性能好、良好抗氧化和耐蚀性等优点，应用于航空、航天及船舶等领域，可大幅度降低能源消耗，但高铌TiAl合金含有大量的B2相，使得高铌TiAl合金表现低塑性、脆性，严重影响合金的广泛应用。研究表明获得均匀细小的晶粒是改善高铌TiAl合金室温性能的重要途径，因此如何获得稳定状态下均匀细小的晶粒成为解决问题的关键，尤其纳米级的晶粒制备至关重要。而目前，获取高铌TiAl合金纳米级晶粒的方法主要包括：热机械处理法、多步热处理法和机械合金化法获取纳米级晶粒。

热机械处理法可获得高铌TiAl合金纳米级晶粒。试样在1250℃下挤压并在1030℃回火2h可获得纳米级晶粒，最终获得均匀细小的(α₂+γ)相片层组织和珠光体(β+α)相显微组织，与单一相比较，珠光体(β+α)相显微组织不同形态之间的协同作用使得材料具有高强度、延展性和抗蠕变性能。通过相图可对(α₂+γ)相片层组织的形成给与解释，但珠光体(β+α)相微观结构成分出现的理论研究尚不清楚。此方法研究的合金的复杂转变过程还没有得到充分的阐明，而且由于正交相的出现，相变过程更加复杂，因此通过β相的分解设计高铌TiAl合金纳米级晶粒方法中对于如何控制得到稳定的微观结构及相应理论需进一步研究。另外据研究表明B2为β相的低温相容易分解为结构相关的亚稳相，如ω相、ω′相、ω相，其晶体结构具有较低的对称性，脆性很强，对材料的性能有极大的危害。

通过多步热处理法可以获得高铌TiAl合金纳米级晶粒。首先，将铸态高铌TiAl合金加热至β单相区短暂保温并在(α+β)两相区退火用于消除高铌TiAl合金的β偏析，从而避免合金加工变形时因应力集中导致裂纹萌生与扩展。随后合金从高温空冷至室温，在快速冷却阶段高温相变α→α+γ→α₂+γ被抑制，有序相变α→α₂占主导，γ的析出被抑制，因此，获得(α₂+γ)相片层的间距不均匀，但在进一步低温回火时新生γ相和γ孪晶将在α/α₂中大量形核从而使片层间距得到均匀细化。多步热处理可以很大程度上细化片层间距，但是片层团的尺寸相对较大，片层团组织的尺寸在100μm左右。多步热处理法主要通过细化片层组织制备纳米晶粒，得到的纳米级片层仅仅是片层间距达到纳米级，而片层团的最小尺寸在十几微米左右，并未得到纳米级的等轴晶粒。另外，片层团的几何形状和界面结构都会导致材料性能的各向异性，这也将影响材料广泛应用。

机械合金化法可以制备纳米级晶粒，利用球磨机将粉末进行球磨混合、细化从而获得非晶态。通过对非晶态粉末进行热处理可以制备纳米级的γ相TiAl金属间化合物，经过球磨和热处理后制备得到γ相晶粒的尺寸将达到25nm左右。这在很大的程度上已经将晶粒细化。但是机械合金化法制备高铌TiAl合金纳米晶粒工艺复杂，耗时长，成本很高，会引入杂质，合金的缺陷较多使得合金的力学性能降低。机械合金化法主要通过非晶态粉末制备纳米晶粒，但制备纳米级晶粒的工程中工艺复杂、耗费大量的时间使得制备过程的成本大量增加。

因此，现有的方法无法在保证成本低、工艺简单、高效和不影响材料广泛应用的情况下，得到具有稳定状态和高纯度的均匀细小晶粒的高铌TiAl合金。

发明内容