[發(fā)明專(zhuān)利]一種采用兩步壓力熔滲制備高鈮鈦鋁合金材料的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510050641.2
• 申請(qǐng)日: 2015-01-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104625066B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 路新;劉程程;曲選輝;王濤;溫宏遠(yuǎn);佟健博;章林
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B22F3/16
• 分類(lèi)號(hào): B22F3/16;B22F3/10;C22C14/00;C22C30/00;C22C1/04
• 代理公司: 北京金智普華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11401
• 代理人: 皋吉甫

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提供了一種采用壓力熔滲制備高鈮鈦鋁合金材料的方法，屬于金屬間化合物材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

TiAl 基金屬間化合物，基于原子長(zhǎng)程有序排列和原子間獨(dú)特的鍵合，具有比重低、高溫強(qiáng)度好、抗氧化、抗蠕變性能優(yōu)良等特點(diǎn)，同其他高溫合金相比具有更加優(yōu)異的高溫綜合性能，被公為是最有應(yīng)用潛力的新一代輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料。由我國(guó)陳國(guó)良院士研發(fā)的高Nb-TiAl合金，在保持常規(guī)TiAl合金優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上將合金的極限使用溫度提高60～100℃，并且具有優(yōu)異的強(qiáng)度及抗氧化性能，目前已經(jīng)成為國(guó)際公認(rèn)的高溫TiAl合金的主要發(fā)展方向。

高熔點(diǎn)組元Nb的添加在提高TiAl合金高溫性能的同時(shí)，也使合金的熔煉溫度和熱加工溫度顯著提高，使得合金的制備加工難度明顯增大。但只有優(yōu)良的制備工藝，才能得到性能優(yōu)異的高鈮 TiAl 合金，從而確保其他研究工作的順利開(kāi)展，為將來(lái)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)提供可能。因此，發(fā)展新型的高鈮 TiAl 合金制備加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn) Nb元素添加的均勻化，制備出成分均勻、組織細(xì)小和性能優(yōu)異的高鈮 TiAl 合金具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，針對(duì)高鈮 TiAl 合金的制備方法研究報(bào)道相對(duì)較少。使用傳統(tǒng)鑄造法過(guò)程較為復(fù)雜，并容易出現(xiàn)鑄造缺陷、成分偏析和晶粒大小不均勻現(xiàn)象。而采用粉末冶金制備工藝可使以上問(wèn)題得到根本性的改善。粉末冶金制備TiAl基合金工藝按照原料粉末可分為元素粉末法和預(yù)合金粉末法。其中預(yù)合金粉末法所制備合金成分均勻性好，氧及雜質(zhì)含量低，力學(xué)性能好，但是合金粉末制備難度大、對(duì)技術(shù)要高、造價(jià)昂貴，而且目前仍難以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化批量生產(chǎn)。而元素粉末法主要特點(diǎn)是成本低、易成形，但是由原料引入的氧及雜質(zhì)含量較高，同時(shí)因kirkendall效應(yīng)導(dǎo)致其燒結(jié)性能較差，制備合金力學(xué)性能尤其室溫塑性指標(biāo)較低。

基于以上各制備工藝的不足，我們提出采用兩步壓力熔滲工藝制備高鈮鈦鋁合金材料，該方法可綜合預(yù)合金粉末法以及元素粉末法的優(yōu)勢(shì)，采用低成本原材料，可直接制備出低氧含量、高致密度、高性能的合金材料。液態(tài)金屬熔滲技術(shù)是制備金屬基復(fù)合材料、金屬陶瓷復(fù)合材料及金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料的常用方法。是以高熔點(diǎn)金屬、陶瓷或金屬間化合物粉末制成多孔體骨架，再將低熔點(diǎn)金屬貼置于骨架之上，在高于該金屬熔點(diǎn)溫度下，使其熔融滲入多空骨架中填充孔隙，從而得到高致密性產(chǎn)品。該制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低，可實(shí)現(xiàn)制品大型化生產(chǎn)，并同時(shí)具有凈近成形的優(yōu)勢(shì)。但目前將熔滲法用于制備金屬間化合物材料的研究報(bào)道極少。東北大學(xué)王繼杰等采用無(wú)壓熔滲工藝制備了Ti-（46-68）Al（at%）系金屬間化合物（陳林，熔滲-擴(kuò)散法制備Ti-Al系金屬間化合物，碩士學(xué)位論文，大連：東北大學(xué)，2006），中南大學(xué)劉詠等采用真空熔滲法制備了一種TiAl金屬間化合物多孔隔熱材料（CN102249298B）。但將熔滲技術(shù)用于制備高鈮鈦鋁合金材料的研究，目前還未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種利用壓力熔滲法制備高鈮TiAl合金材料的工藝方法，以實(shí)現(xiàn)低成本、快速燒結(jié)制備高致密性高鈮TiAl合金材料。其制備原理是以Ti、Nb等元素粉末及高純Al板作為原料，在高于Al熔點(diǎn)的溫度條件下，Al板熔化并滲進(jìn)混合粉末骨架中，并與Ti粉發(fā)生燃燒合成反應(yīng)后，在壓力作用下得到高鈮鈦鋁坯體材料；隨經(jīng)后續(xù)熱處理各合金化元素均勻擴(kuò)散后，得到組織成分均勻的高鈮TiAl合金材料。具體工藝流程和參數(shù)如下：

步驟1，以Ti、Nb等元素粉末和高純Al板作為主要原料，其成分配比為：Al含量為43~49%，Nb含量為5~10%，余量為T(mén)i和其他微量合金元素，以上均為原子百分比，備用；

步驟2，將步驟1稱(chēng)取好的原料粉末均勻混合后，裝入石墨模具中并經(jīng)振實(shí)或壓制成坯，使坯體的致密度低于70%，備用；

步驟3，將步驟1選取好的Al板置于經(jīng)步驟2處理后的模具內(nèi)坯體之上，再將所述模具整體置入高壓熔滲爐中進(jìn)行反應(yīng)熔滲燒結(jié)處理；熔滲過(guò)程在真空度≤10^-1Pa的真空條件或惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，熔滲過(guò)程采用兩步升溫反應(yīng)熔滲工藝，第一階段以5~10℃/min快速升溫至700~800℃，進(jìn)行保溫40~120min，保溫10~30min后開(kāi)始施加軸向壓力10~30MPa；

第二階段：提高軸向壓力至30~50MPa，以3~6℃/min緩慢升溫至800~1000℃，同時(shí)，保溫60~120min，之后持續(xù)加壓隨爐冷卻至室溫，即得到相對(duì)密度大于97.0%的高鈮鈦鋁合金熔滲坯體；