本發(fā)明涉及粉末冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦鋁金屬間化合物制備方法。

背景技術(shù)：

鈦鋁(tial)基金屬間化合物具有比重低、高溫強(qiáng)度好、抗氧化及抗蠕變性能優(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，被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的新一代輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。但是tial基合金室溫延性低，塑性加工成形困難的問題阻礙其工業(yè)化應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)鑄造工藝，粉末冶金制備工藝具有獨(dú)特優(yōu)勢，它不僅可以獲得均勻細(xì)晶組織，而且可以直接制備出具有或接近最終形狀的零件，因此成為解決tial基合金發(fā)展瓶頸的有效途徑。

隨著粉體制備技術(shù)的不斷發(fā)展，目前采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法、無坩堝感應(yīng)加熱連續(xù)惰性氣體霧化法、自蔓延高溫合成法、流化床氣流磨研磨法、射頻等離子體球化法等技術(shù)均可有效制備tial基合金粉末。但以合金粉末為原料制備tial基合金過程中發(fā)現(xiàn)合金粉末燒結(jié)活性低、致密化困難，導(dǎo)致粉末冶金tial合金力學(xué)性能得不到充分發(fā)揮。通常為實(shí)現(xiàn)tial合金粉末成形坯致密化，需要在靠近液相線溫度下高溫?zé)Y(jié)或者加壓燒結(jié)，如放電等離子燒結(jié)，熱壓，熱等靜壓等等。而采用這些工藝往往導(dǎo)致制品形狀單一，復(fù)雜零件無法制備，且制備成本大大增加。因此，實(shí)現(xiàn)高性能tial基合金的無壓燒結(jié)致密化是目前粉末冶金tial合金領(lǐng)域發(fā)展所面臨的核心問題。

采用添加燒結(jié)助劑進(jìn)行強(qiáng)化燒結(jié)已經(jīng)在w-cu，8ysz，ti-ni等材料體系中得到廣泛應(yīng)用，其機(jī)理為通過生成液相在粉末顆粒間提供快速擴(kuò)散通道促進(jìn)合金致密化，降低燒結(jié)溫度及改善燒結(jié)性能。目前針對tial合金強(qiáng)化燒結(jié)的相關(guān)報道較為鮮見。曾有研究指出，添加ni、cu等元素可提高合金粉末的燒結(jié)致密化程度，改善tial基合金的室溫力學(xué)性能。而添加元素的選擇除了促進(jìn)燒結(jié)外，還應(yīng)作為合金化元素避免對合金綜合性能產(chǎn)生不利影響。有研究表明cu、ni添加元素會對合金高溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性能產(chǎn)生不利影響。因此除現(xiàn)有的研究報道外還有必要繼續(xù)探索其他更為合適的燒結(jié)助劑。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種添加sn強(qiáng)化燒結(jié)粉末冶金tial基合金的方法，以實(shí)現(xiàn)低成本制備高致密、高性能的tial基合金材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種添加sn強(qiáng)化燒結(jié)粉末冶金tial基合金的方法，所述方法包括如下步驟：

s1：粉末原料準(zhǔn)備，選取tial基預(yù)合金粉末和sn粉，并確定預(yù)合金粉末與sn粉的配比；

s2：混合，將s1步驟準(zhǔn)備的粉末放入混料機(jī)中混合均勻；

s3：制坯，將s2步驟混合后的粉末制備成生坯料；

s4：燒結(jié)，將s3步驟的所述坯料放入燒結(jié)爐中，在真空條件下或者惰性氣體保護(hù)條件下無壓燒結(jié)；保溫結(jié)束并隨爐冷卻后獲得添加sn強(qiáng)化燒結(jié)粉末冶金tial基合金。

進(jìn)一步，所述s1步驟中，所述tial基預(yù)合金粉末組成成分以原子百分比計：al含量為43～49at.％，nb含量為：0～9at.％，微合金化元素總含量為0～2at.％，余量為ti；所述sn粉添加量占sn粉和tial基預(yù)合金粉末總質(zhì)量的0.8～8wt.％。

進(jìn)一步，所述微合金化元素為cr、b、w、y、v中的任一種或多種。

進(jìn)一步，所述nb含量為2-9at.％，微合金化元素總含量為0.5～2at.％。

進(jìn)一步，所述tial基預(yù)合金粉末的粒度為低于-200目標(biāo)準(zhǔn)篩；所述sn粉的粒度為低于-500目標(biāo)準(zhǔn)篩。

進(jìn)一步，所述s2步驟中的制坯包括采用機(jī)械單向壓制、機(jī)械雙向壓制、冷等靜壓或者注射成形中的任意一種，所述生坯料的相對密度為70-85％。

進(jìn)一步，所述s4步驟中所述燒結(jié)溫度為1400～1520℃，保溫時間為60-120min。

進(jìn)一步，所述s4步驟中所述燒結(jié)包括中間保溫過程，所述保溫溫度為1100～1300℃，保溫時間為30～60min。

進(jìn)一步，所述s4步驟中所述燒結(jié)工藝為分兩個階段，第一階段以7～10℃/min快速升溫至1100～1300℃，進(jìn)行保溫30～60min；隨后以2～4℃/min緩慢升溫至1400～1520℃，保溫60～120min。

進(jìn)一步，所述s4步驟中的真空條件的真空度低于10^-2pa，或者所述惰性氣體為氬氣，流量為0.5l/min以上。

tial基合金粉末燒結(jié)活性低、致密化困難，導(dǎo)致粉末冶金制品的性能得不到充分發(fā)揮，這是目前制約粉末冶金tial合金發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸問題。通常為實(shí)現(xiàn)tial合金粉末成形坯致密化，需要加壓燒結(jié)或者在靠近液相線溫度燒結(jié)，往往導(dǎo)致制品形狀單一，復(fù)雜零件無法制備，同時晶粒粗大，制備成本大大增加。本發(fā)明是基于瞬時液相燒結(jié)理論，提出添加元素sn作為tial基合金粉末的強(qiáng)化燒結(jié)助劑，其原理是通過在合金粉末顆粒界面瞬時形成液相來提供快速擴(kuò)散通道，從而有效促進(jìn)成形坯燒結(jié)致密化過程。添加sn還能夠相應(yīng)降低合金粉末的燒結(jié)溫度，抑制晶粒粗大，有利于改善燒結(jié)體性能。同時作為tial基體的合金化元素，sn原子主要傾向于置換al原子，可增加合金中d電子，削弱ti3d-al3p鍵合方向性，使合金塑性得到改善；sn加入也可改善晶胞體積及晶格常數(shù)比，細(xì)化組織并使片層更為均勻；另外，sn元素是tial高溫抗氧化性能影響的中性元素，sn添加不會對tial合金抗氧化性產(chǎn)生不利影響。

sn作為強(qiáng)化燒結(jié)助劑，在燒結(jié)致密化初期會與ti、al形成三元共晶液相，液相在毛細(xì)管力作用下填充孔隙并鋪展在顆粒表面，從而增加顆粒接觸面積，改善傳質(zhì)過程，加速粉末燒結(jié)致密化過程的進(jìn)行；在燒結(jié)后期傳質(zhì)過程完成，析出相擴(kuò)散完全，液相消失，sn元素最終均勻固溶在合金基體中。這種瞬時液相燒結(jié)過程可通過改變sn含量、加熱速率以及粉末粒度等來控制，使形成液相總量和遷移行為能夠滿足相應(yīng)孔隙率要求，以保證強(qiáng)化燒結(jié)的良好效果。因此，sn元素添加量是最為關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，如果含量過低，形成液相總量不足，無法充分填充孔隙促進(jìn)燒結(jié)致密化過程；但sn添加過量則會導(dǎo)致網(wǎng)狀低熔點(diǎn)析出相保留至室溫，導(dǎo)致材料力學(xué)性能惡化。為此經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究表明，sn含量適宜為0.8～8wt.％范圍內(nèi)。

此外，在相同的sn含量條件下，燒結(jié)速率也會影響到瞬時液相的產(chǎn)生及鋪展過程以及sn和tial基體之間的互擴(kuò)散及物質(zhì)遷移行為。為此根據(jù)sn-ti-al三元相圖及熱力學(xué)計算結(jié)果，設(shè)計兩步燒結(jié)工藝路線，并通過大量實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)。即在燒結(jié)初期快速升溫至三元共晶液相形成溫度，可提高液相總量并促進(jìn)液相在合金粉末表面的鋪展過程，使生成液相充分填充孔隙，為物質(zhì)遷移提供快速擴(kuò)散通道。如所述溫度過低，液相形成總量則較低，而溫度過高則使析出液相過早被基體粉末吸收，均會削弱sn對tial基合金粉末的強(qiáng)化燒結(jié)效果，為此適宜的溫度范圍為1100～1300℃，保溫30～60min。隨后為促進(jìn)元素均勻擴(kuò)散及收縮變形控制，低速升溫至致密化燒結(jié)溫度，完成物質(zhì)傳輸及致密化過程，根據(jù)合金成分的熔點(diǎn)不同，其致密化燒結(jié)溫度不同，其適宜的溫度范圍為1400～1520℃，保溫60～120min。

本發(fā)明有益效果在于：

(1)創(chuàng)造性的選取sn作為燒結(jié)助劑在燒結(jié)過程中產(chǎn)生三元瞬時液相促進(jìn)合金粉末的燒結(jié)致密化，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時間。

(2)制備工藝簡單、流程短，對設(shè)備要求較低，合金成分易于控制，并保持粉末冶金凈近成形的優(yōu)勢。

(3)添加sn強(qiáng)化燒結(jié)的鈦鋁合金材料致密度高，成分均勻，組織細(xì)小，其力學(xué)性能明顯優(yōu)于未添加合金。

(4)sn作為燒結(jié)助劑對基體高溫力學(xué)性能及高溫抗氧化性能無不良影響。

(5)該工藝可使獲得全致密的粉末冶金產(chǎn)品成為可能，此外相比持續(xù)液相燒結(jié)，可避免由于大量液相出現(xiàn)導(dǎo)致的燒結(jié)產(chǎn)品變形大、尺寸精度難以控制等問題，同時亦可節(jié)省能源和設(shè)備消耗。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1為實(shí)施例1添加2.8wt.％sn為燒結(jié)助劑和未添加燒結(jié)助劑制備的粉末冶金燒結(jié)tial基合金的微觀組織掃描電鏡對比圖。

圖2為實(shí)施例1添加2.8wt.％sn為燒結(jié)助劑和未添加燒結(jié)助劑制備粉末冶金燒結(jié)tial基合金力學(xué)性能曲線對比圖。

圖3為實(shí)施例1添加2.8wt.％sn為燒結(jié)助劑和未添加燒結(jié)助劑制備的粉末冶金燒結(jié)tial基合金分別在900℃，氧化0～100小時后的氧化增重對比圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施方式，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

實(shí)施例1

以-400目ti-45al-8.5nb-0.5(b,w,y)(含義為按原子百分比計al45％，nb8.5％，b、w和y的合計含量為0.5％，余量為ti，下同)預(yù)合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為2.8wt.％。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制成生坯，生坯相對密度為70％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以7℃/min快速升溫至1100℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為60min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1500℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

性能檢測：

1)微觀組織：與未添加燒結(jié)助劑的粉末冶金燒結(jié)tial合金分別取試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖1所示，從圖中可以看出添加燒結(jié)助劑的tial合金孔隙度明顯低于未添加燒結(jié)制備合金。

2)相對密度測試：添加sn合金相對密度為98.4％，而未添加sn合金相對密度為96.5％；

3)力學(xué)性能測試：如圖2所示，制備合金的室溫抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別為2950mpa、790mpa和35％，力學(xué)性能指標(biāo)均高于未添加sn燒結(jié)制備的tial基合金2700mpa、640mpa和32％。

4)氧化增重測試：如圖3所示，制備合金在900℃氧化100h后氧化增重為2.13mg/cm²，優(yōu)于未添加sn燒結(jié)制備合金的2.46mg/cm²。

實(shí)施例2

以-400目ti-45al-9nb預(yù)合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模雙向壓制成生坯，生坯相對密度為75％，隨后將得到的壓坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以10℃/min快速升溫至1300℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1480℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進(jìn)行相對密度和力學(xué)性能性能檢測，結(jié)果為：合金相對密度由未添加的95.8％提升至98.5％；制備合金的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別由未添加的2700mpa、640mpa和32％提升至2800mpa、680mpa和34％。

實(shí)施例3

以-200目ti-45al-5nb預(yù)合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為0.8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入軟模冷等靜壓成生坯，生坯相對密度為85％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以10℃/min快速升溫至1150℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1480℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進(jìn)行相對密度和力學(xué)性能性能檢測，結(jié)果為：合金相對密度由未添加的96.8％提升至97.8％；制備合金的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別由未添加的2266mpa、588mpa和28.6％提升至2700mpa、590mpa和30％。

實(shí)施例4

以-200目ti-45al-5nb預(yù)合金粉末為原料，添加粒徑-500目篩sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制成生坯，生坯相對密度為75％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以10℃/min快速升溫至1200℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為60min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1450℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進(jìn)行相對密度和力學(xué)性能性能檢測，結(jié)果為：合金相對密度由未添加的95.6％提升至97.9％；制備合金的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別由未添加的2266mpa、588mpa和28.6％提升至2600mpa、550mpa和32％。

實(shí)施例5

以-325目ti-47al-2nb-2cr預(yù)合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為1.4wt.％sn。將粉末與粘結(jié)劑均勻混合后，注射成形并脫脂后獲得生坯，生坯相對密度為80％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以10℃/min快速升溫至1250℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1460℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進(jìn)行相對密度和力學(xué)性能性能檢測，結(jié)果為：合金相對密度由未添加的95.9％提升至98.1％；制備合金的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別由未添加的1940mpa、518mpa和26.2％提升至2660mpa、540mpa和32％。

實(shí)施例6

以-325目ti-47al-2nb-2cr預(yù)合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為5.4wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制成生坯，生坯相對密度為72％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以10℃/min快速升溫至1300℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為30min；隨后以4℃/min緩慢升溫至1430℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進(jìn)行相對密度和力學(xué)性能性能檢測，結(jié)果為：合金相對密度由未添加的94.3％提升至98.6％；制備合金的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別由未添加的1940mpa、518mpa和26.2％提升至2620mpa、534mpa和28.5％。

實(shí)施例7

以-500目ti-43al預(yù)合金粉末為原料，添加-800目sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為2.8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模雙向壓制成生坯，生坯相對密度為76％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以10℃/min快速升溫至1180℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為30min；隨后以4℃/min緩慢升溫至1430℃，保溫60min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進(jìn)行相對密度和力學(xué)性能性能檢測，結(jié)果為：合金相對密度由未添加的95.5％提升至97.8％；制備合金的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別由未添加的1860mpa、472mpa和26.15％提升至2130mpa、490mpa和32％。

實(shí)施例8

以-500目ti-49al預(yù)合金粉末為原料，添加-800目sn粉作為燒結(jié)助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為5.4wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制生坯，生坯相對密度為74％；隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)工藝為：以10℃/min快速升溫至1260℃，進(jìn)行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1400℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進(jìn)行相對密度和力學(xué)性能性能檢測，結(jié)果為：合金相對密度由未添加的93.8％提升至98.6％；制備合金的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮率分別由未添加的1660mpa、410mpa和25％提升至2010mpa、460mpa和31％。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。