專利名稱：一種氬氣霧化粉末TiAl合金板材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利是一種氬氣霧化粉末TiAl合金板材的制備方法，屬于粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域， 該方法是通過包套高溫軋制制備TiAl合金板材。
背景技術(shù)：
隨著航空、國防等工業(yè)的快速發(fā)展，尤其是先進(jìn)軍用飛機(jī)要求具有高的靈活性以及要求發(fā)動機(jī)具有大的推動比，促使關(guān)鍵材料向高性能、高可靠和輕質(zhì)化方向加快發(fā)展。同時在民用工業(yè)方面，現(xiàn)代汽車面臨的一個重要問題是汽車排放出的尾氣對環(huán)境所造成的污染，解決這一問題的根本途徑是提高燃料的燃燒率，而構(gòu)件的輕量化是燃料的燃燒率得以提高的有效手段之一。TiAl合金具有高熔點、低密度、高彈性模量、高的高溫強度(700 9000C )、良好的阻燃能力以及優(yōu)異的抗氧化性能和抗蠕變性能等特點，被視為是一種極具潛力的新型輕質(zhì)耐高溫結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天及汽車等領(lǐng)域，如發(fā)動機(jī)用高壓壓縮機(jī)葉片、高壓渦輪葉片、低壓渦輪、過渡導(dǎo)管梁、排氣閥、噴嘴等，通過結(jié)構(gòu)減重提高發(fā)動機(jī)的工作效率。因此發(fā)展新型TiAl輕質(zhì)高溫材料可以大幅度提升我國民用工業(yè)和航空航天等工業(yè)的水平，有效減少能源消耗、實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展。目前國內(nèi)外多家科研院所已經(jīng)開展了 TiAl合金的相關(guān)研究，尤其是在TiAl合金板材制備及加工技術(shù)領(lǐng)域，TiAl合金板材的制備被認(rèn)為是實現(xiàn)TiAl合金實用化的關(guān)鍵突破口之一，可應(yīng)用于超音速飛行器和未來渦輪發(fā)動機(jī)的熱結(jié)構(gòu)和及熱防護(hù)系統(tǒng)，以及汽車工業(yè)的耐高溫零部件中，減重可達(dá)40%以上。美國NASP(National Aerospace Plan)計劃和歐洲的“Hermes and Sanger”計劃把TiAl合金板材列為應(yīng)用于600 900°C的高溫航空結(jié)構(gòu)材料。然而，由于TiAl合金的本質(zhì)脆性，其室溫塑性和加工成形性較差，板材的制備難度較大。采用鑄態(tài)的TiAl合金通過等溫軋制、包套軋制等特殊軋制工藝制備板材，存在著難度大，對設(shè)備要求和成本高、材料利用率低、難以制備大尺寸薄板等不足。對于生產(chǎn)更大尺寸的TiAl合金板材而言，所選用的坯料是限制板材尺寸和顯微組織均勻性的關(guān)鍵因素。 尺寸足夠大且化學(xué)成分均勻的軋制坯料是生產(chǎn)大型板材所必需的，因此粉末冶金TiAl合金成為適合制作軋制TiAl合金板材的理想原始坯料，并且，粉末冶金方法具有近凈成形的優(yōu)點，彌補TiAl合金難成型的不足。粉末冶金TiAl合金中的孔隙，尤其是氧和夾雜會對其組織和性能產(chǎn)生不利影響， 進(jìn)而限制該合金的應(yīng)用。因此高質(zhì)量粉末的制備和成形工藝的不斷完善，對粉末冶金TiAl 合金板材的發(fā)展和應(yīng)用起著關(guān)鍵性的影響，這對于促進(jìn)TiAl合金板材在航空航天及民用工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有極其重要的作用。粉末冶金TiAl合金板材的制備分為預(yù)合金化法和元素粉末法。元素粉末法存在著合金化的問題，在利用元素粉末法制備TiAl金屬間化合物的燒結(jié)過程中，Ti粉和Al粉反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，燒結(jié)體中形成較多空隙，一般需要熱壓、熱等靜壓等加壓燒結(jié)手段或后續(xù)燒結(jié)進(jìn)一步提高其密度；同時由于元素粉末的雜質(zhì)含量，尤其是鈦粉中的氯和氧含量，對材料的致密化和延性造成嚴(yán)重影響，燒結(jié)性能較差。因此采用元素粉末法制備TiAl合金板材無法滿足航空航天、汽車等高級部件的要求。預(yù)合金粉末方法相對于元素粉末法，成分均勻性好，氧及雜質(zhì)含量低，力學(xué)性能好。但TiAl預(yù)合金粉末制備工藝如電極感應(yīng)熔煉氣霧化(Electrode Induction Melting Gas Atomization, EIGA)和等離子感應(yīng)熔煉氣霧化 (Plasma Melting Induction Guiding Gas Atomization, PIGA)造價高，生產(chǎn)成本大，很難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。氬氣霧化法(argon atomization,AA)制備的合金粉末具有冷卻速度快， 晶粒細(xì)，粉末收得率高，成本低的優(yōu)點，是一種能夠批量生產(chǎn)的廉價方法。同時由于采用保護(hù)氣氛則可以使氧化夾雜降低到最低程度，粉末有較好的球形度，粒度均勻，而且顆粒內(nèi)的微觀組織具有快冷特征，這些特點均符合TiAl合金粉末冶金制品的特殊要求。預(yù)合金粉末TiAl合金板材成形的典型方法為熱等靜壓后進(jìn)行熱軋。熱等靜壓后合金可以達(dá)到全致密，并具有細(xì)小均勻的微觀組織，這種細(xì)小的等軸近Y組織為后續(xù)軋制，提供良好的初始組織。TiAl合金的熱塑性變形只有在變形溫度足夠高、應(yīng)變速率足夠低的條件下才能實現(xiàn)安全變形。然而當(dāng)變形溫度T > 800°C時，TiAl合金的抗氧化能力顯著降低，在變形過程中容易發(fā)生氧化，將嚴(yán)重降低TiAl合金的熱可加工性。所以，傳統(tǒng)的軋制技術(shù)和包覆軋制技術(shù)不適用于制備TiAl合金板材。要制備無缺陷的TiAi合金扳材，軋制變形必須具備以下三個條件①在高溫α + γ相區(qū)保持近似等溫軋制；②為了防止TiAl合金在軋制過程中發(fā)生宏觀或微觀開裂現(xiàn)象，必須選擇合適的軋制速度和道次壓下量；③采取措施防止TiAl合金軋制變形過程氧化行為的發(fā)生。因此，軋制TiAl合金需要精確地選擇工藝參數(shù)，并且這些工藝參數(shù)必須與軋制材料的具體性能(合金種類和熱加工歷史)以及軋制設(shè)備相適應(yīng)。由于TiAl合金板材制備的難度很大，國內(nèi)對粉末冶金TiAl合金板材的研究一般集中在元素粉末法方面，對TiAl合金預(yù)合金粉末冶金技術(shù)的研究較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)狀況而設(shè)計提供了一種氬氣霧化粉末TiAl合金板材的制備方法，本發(fā)明技術(shù)方案綜合了惰性氣體霧化制粉技術(shù)、熱等靜壓技術(shù)和包套軋制板材成形技術(shù)的特點和優(yōu)勢，通過冷壁坩堝純潔熔煉、高純氬氣霧化，降低了 TiAl合金粉末中夾雜物的含量，將預(yù)合金粉末熱等靜壓達(dá)到全致密，通過軋制熱等靜壓后的粉末冶金毛坯可以獲得無缺陷的高性能TiAl合金板材。該方法不但有助于提高國內(nèi)粉末冶金TiAl 合金板材的研制水平，而且能夠為我國先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)及高超航空航天器熱端部件和汽車工業(yè)發(fā)動機(jī)的研制做出貢獻(xiàn)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的該種氬氣霧化粉末TiAl合金板材的制備方法的步驟是(1)原材料準(zhǔn)備采用冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氬氣霧化法制取TiAl合金粉末，霧化壓力為6 9MPa 之間，將霧化的粉末進(jìn)行篩分，獲得顆粒尺寸小于250 μ m的純凈TiAl合金粉末做為原料， 粉末中化學(xué)成分及原子百分比at. %為=Al :45-48%, Cr :1-10%, Nb 1-10%, W 0-1 %, B 0-0. 2%，余量為Ti，粉末的氧含量以重量百分比計< 0. 15% ；(2)粉末包套準(zhǔn)備包套材料是不銹鋼、純鈦或是鈦合金，加工、焊接好包套，將包套用酒精清洗后在烘箱中烘干；(3)真空脫氣將氬氣霧化TiAl合金粉末在振動條件下進(jìn)行加熱真空脫氣，除氣的工藝參數(shù)為 400 600°C，P ( 10_3Pa，保持1 1 后將粉末裝入不銹鋼、純鈦或是鈦合金包套中并且封焊；(4)熱等靜壓處理將封焊后的包套材料進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓在氬氣氣氛下進(jìn)行，熱等靜壓工藝為溫度1100 1300°C、壓力140 200MPa、時間2 4h ；(5)車削加工采用機(jī)加工的方法去除包套，將去除包套后的熱等靜壓坯進(jìn)行表面光潔處理，表面光潔度達(dá)到6，坯料倒圓角；(6)熱等靜壓坯包套使用304不銹鋼板經(jīng)過車加工制備成包套，包套厚度為5 10mm，將合金坯料放置于中央，坯料與包套之間放一層保溫材料，采用氬弧焊封焊好包套；(7)合金加熱在氬氣氣氛保護(hù)下將將封焊后的包套材料隨熱處理爐加熱到開軋溫度，保溫 30 40分鐘，出爐軋制；(8)高溫包套軋制將軋件迅速轉(zhuǎn)移到軋機(jī)上進(jìn)行軋制，開軋溫度為1250 1280°C，形變速率0. 1 0. 3m/min，合金道次變形量為5 10%，道次間回爐保溫5 15min，采用一火一道的軋制方法，軋制完成后將軋件放置爐內(nèi)，隨爐冷卻到1000°c，然后取出空冷；(9)剝離包套采用機(jī)加工切除包套，得到粉末冶金TiAl合金板材。與通常的氣霧化制粉技術(shù)不同，本發(fā)明技術(shù)方案采用的為冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉的氬氣霧化TiAl預(yù)合金粉末。由于TiAl合金屬高活性金屬，采用一般的陶瓷坩堝熔煉TiAl 合金，坩堝會與金屬之間發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)，使合金受到污染。雙層水冷銅坩堝是熔煉活性金屬的有效方法。起始的熔料可以是無污染的原材料或是潔凈的預(yù)合金錠或棒材，熔化原料無需特別準(zhǔn)備，不用再次熔煉并加工成一定形狀和尺寸的自耗電極，降低成本。當(dāng)感應(yīng)加熱時，在坩堝底部形成一個殼體，使感應(yīng)熔化總是在同成分的固態(tài)殼中進(jìn)行，熔融金屬不被坩堝材料污染，熔融態(tài)液體可以保持一定時間以保證熔體的均勻性，強的電磁攪拌可以迅速得到成分、溫度均一的熔池。本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點是該方法綜合了冷壁坩堝感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化制粉技術(shù)、預(yù)合金粉末熱等靜壓技術(shù)和包套軋制板材成形技術(shù)的特點與優(yōu)勢，利用高純度的氬氣霧化TiAl合金粉末，在普通軋機(jī)上通過高溫軋制特殊設(shè)計的熱等靜壓坯包套，獲得高性能的粉末冶金TiAl合金板材， 為粉末冶金TiAl合金在先進(jìn)航空航天發(fā)動機(jī)、高超音速航空航天器以及民用工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支持。對比其他采用元素粉末制備粉末冶金TiAl合金板材的方法，本發(fā)明所采用的氬氣霧化TiAl合金粉末純凈度好，熱等靜壓后可獲得全致密度，經(jīng)高溫軋制所制備的粉末冶金TiAl合金板材變形均勻，表面質(zhì)量好，組織細(xì)小均勻，氧及雜質(zhì)含量低，板材的厚度薄，綜合力學(xué)性能好，具有高的質(zhì)量和可靠性。本發(fā)明有助于提高我國TiAl合金等粉末冶金高溫結(jié)構(gòu)件的冶金質(zhì)量和性能，推動我國高質(zhì)量TiAl合金粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，解決制約國內(nèi)TiAl合金粉末冶金板材研制和應(yīng)用的關(guān)鍵問題，為我國民用工業(yè)和航空航天工業(yè)的創(chuàng)新與進(jìn)步提供技術(shù)支持。
具體實施例方式該種氬氣霧化粉末TiAl合金板材的制備方法，其特征在于該方法的步驟是(1)原材料準(zhǔn)備采用冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氬氣霧化法制取TiAl合金粉末，霧化壓力為6 9MPa 之間，將霧化的粉末進(jìn)行篩分，獲得顆粒尺寸小于250 μ m的純凈TiAl合金粉末做為原料， 粉末中化學(xué)成分及原子百分比at. %為=Al :45-48%, Cr :1-10%, Nb 1-10%, W 0-1 %, B 0-0. 2%，余量為Ti，粉末的氧含量以重量百分比計< 0. 15% ；(2)粉末包套準(zhǔn)備包套材料是不銹鋼、純鈦或是鈦合金，加工、焊接好包套，將包套用酒精清洗后在烘箱中烘干；(3)真空脫氣將氬氣霧化TiAl合金粉末在振動條件下進(jìn)行加熱真空脫氣，除氣的工藝參數(shù)為 400 600°C，P ( 10_3Pa，保持1 1 后將粉末裝入不銹鋼、純鈦或是鈦合金包套中并且封焊；(4)熱等靜壓處理將封焊后的包套材料進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓在氬氣氣氛下進(jìn)行，熱等靜壓工藝為溫度1100 1300°C、壓力140 200MPa、時間2 4h ；(5)車削加工采用機(jī)加工的方法去除包套，將去除包套后的熱等靜壓坯進(jìn)行表面光潔處理，表面光潔度達(dá)到6，坯料倒圓角；(6)熱等靜壓坯包套使用304不銹鋼板經(jīng)過車加工制備成包套，包套厚度為5 10mm，將合金坯料放置于中央，坯料與包套之間放一層保溫材料，采用氬弧焊封焊好包套；(7)合金加熱在氬氣氣氛保護(hù)下將將封焊后的包套材料隨熱處理爐加熱到開軋溫度，保溫 30 40分鐘，出爐軋制;(8)高溫包套軋制將軋件迅速轉(zhuǎn)移到軋機(jī)上進(jìn)行軋制，開軋溫度為1250 1280°C，形變速率0. 1 0. 3m/min，合金道次變形量為5 10%，道次間回爐保溫5 15min，采用一火一道的軋制方法，軋制完成后將軋件放置爐內(nèi)，隨爐冷卻到1000°c，然后取出空冷；(9)剝離包套采用機(jī)加工切除包套，得到粉末冶金TiAl合金板材。本發(fā)明技術(shù)方案與現(xiàn)有工藝相區(qū)別的是，原料粉末采用的氬氣霧化TiAl合金粉末而不是元素粉末，主要優(yōu)勢是氬氣霧化TiAl合金粉末的純潔度高，制坯后組織均勻性好，夾雜物尺寸小，提高了粉末冶金TiAl合金的力學(xué)性能，霧化預(yù)合金粉末直接進(jìn)行熱等靜壓全致密化，減少了工序，通過包套高溫軋制可獲得高性能的TiAl合金板材。
權(quán)利要求
1. 一種氬氣霧化粉末TiAl合金板材的制備方法，其特征在于該方法的步驟是(1)原材料準(zhǔn)備采用冷壁坩堝真空感應(yīng)熔煉氬氣霧化法制取TiAl合金粉末，霧化壓力為6 9MPa之間，將霧化的粉末進(jìn)行篩分，獲得顆粒尺寸小于250 μ m的純凈TiAl合金粉末做為原料，粉末中化學(xué)成分及原子百分比 at. % 為=Al :45-48%, Cr :1-10%, Nb :1-10%, W 0~1%, B 0-0. 2%，余量為Ti，粉末的氧含量以重量百分比計< 0. 15% ；(2)粉末包套準(zhǔn)備包套材料是不銹鋼、純鈦或是鈦合金，加工、焊接好包套，將包套用酒精清洗后在烘箱中烘干；(3)真空脫氣將氬氣霧化TiAl合金粉末在振動條件下進(jìn)行加熱真空脫氣，除氣的工藝參數(shù)為400 600°C，P ( 10_3Pa，保持1 1 后將粉末裝入不銹鋼、純鈦或是鈦合金包套中并且封焊；(4)熱等靜壓處理將封焊后的包套材料進(jìn)行熱等靜壓處理，熱等靜壓在氬氣氣氛下進(jìn)行，熱等靜壓工藝為溫度1100 1300°C、壓力140 200MPa、時間2 4h (5)車削加工采用機(jī)加工的方法去除包套，將去除包套后的熱等靜壓坯進(jìn)行表面光潔處理，表面光潔度達(dá)到6，坯料倒圓角；(6)熱等靜壓坯包套使用304不銹鋼板經(jīng)過車加工制備成包套，包套厚度為5 10mm，將合金坯料放置于中央，坯料與包套之間放一層保溫材料，采用氬弧焊封焊好包套；(7)合金加熱在氬氣氣氛保護(hù)下將將封焊后的包套材料隨熱處理爐加熱到開軋溫度，保溫30 40 分鐘，出爐軋制；(8)高溫包套軋制將軋件迅速轉(zhuǎn)移到軋機(jī)上進(jìn)行軋制，開軋溫度為1250 1280°C，形變速率0. 1 0. 3m/min，合金道次變形量為5 10%，道次間回爐保溫5 15min，采用一火一道的軋制方法，軋制完成后將軋件放置爐內(nèi)，隨爐冷卻到1000°c，然后取出空冷；(9)剝離包套采用機(jī)加工切除包套，得到粉末冶金TiAl合金板材。
全文摘要
本發(fā)明是一種氬氣霧化粉末TiAl合金板材的制備方法，該方法通過冷壁坩堝純潔熔煉、高純氬氣霧化，降低了TiAl合金粉末中夾雜物的含量，粉末純凈度好，純凈的氬氣霧化預(yù)合金粉末在溫度1100～1300℃、壓力140～200MPa、時間2～4小時的條件下熱等靜壓致密化，將熱等靜壓后的合金坯料去除包套后進(jìn)行表面處理、包套，合金加熱后高溫包套軋制，然后剝離包套，得到粉末冶金TiAl合金板材。該種板材變形均勻，表面質(zhì)量好，組織細(xì)小均勻，氧及雜質(zhì)含量低，板材的厚度薄，綜合力學(xué)性能好，具有高的質(zhì)量和可靠性。該方法解決制約國內(nèi)TiAl合金粉末冶金板材研制和應(yīng)用的關(guān)鍵問題，為民用工業(yè)和航空航天工業(yè)的創(chuàng)新與進(jìn)步提供技術(shù)支持。
文檔編號B23P15/00GK102513537SQ201110402908
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者劉娜, 張勇, 李周, 袁華, 許文勇 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院