一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法技术

本发明专利技术涉及一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：粉末原料准备，选取TiAl预合金粉末和Sn粉，并确定TiAl预合金粉末与Sn粉的配比；S2：混合，将S1步骤准备的粉末放入混料机中混合均匀；S3：制坯，将S2步骤混合后的粉末制备成生坯料；S4：烧结，将S3步骤的所述坯料放入烧结炉中，在真空条件下或者惰性气体保护条件下无压烧结；保温结束并随炉冷却后获得添加Sn强化烧结粉末冶金钛铝合金。该方法添加Sn强化烧结的钛铝合金材料致密度高，成分均匀，组织细小，其力学性能明显优于未添加合金，并且对基体高温力学性能及高温抗氧化性能无不良影响。

【技术实现步骤摘要】
一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法
本专利技术涉及粉末冶金
，具体涉及一种钛铝金属间化合物制备方法。
技术介绍
钛铝(TiAl)基金属间化合物具有比重低、高温强度好、抗氧化及抗蠕变性能优良等特点，同其他高温合金相比具有更加优异的高温综合性能，被认为是最有应用前景的新一代轻质高温结构材料。但是TiAl基合金室温延性低，塑性加工成形困难的问题阻碍其工业化应用。相对于传统铸造工艺，粉末冶金制备工艺具有独特优势，它不仅可以获得均匀细晶组织，而且可以直接制备出具有或接近最终形状的零件，因此成为解决TiAl基合金发展瓶颈的有效途径。随着粉体制备技术的不断发展，目前采用等离子旋转电极雾化法、无坩埚感应加热连续惰性气体雾化法、自蔓延高温合成法、流化床气流磨研磨法、射频等离子体球化法等技术均可有效制备TiAl基合金粉末。但以合金粉末为原料制备TiAl基合金过程中发现合金粉末烧结活性低、致密化困难，导致粉末冶金TiAl合金力学性能得不到充分发挥。通常为实现TiAl合金粉末成形坯致密化，需要在靠近液相线温度下高温烧结或者加压烧结，如放电等离子烧结，热压，热等静压等等。而采用这些工艺往往导致制品形状单一，复杂零件无法制备，且制备成本大大增加。因此，实现高性能TiAl基合金的无压烧结致密化是目前粉末冶金TiAl合金领域发展所面临的核心问题。采用添加烧结助剂进行强化烧结已经在W-Cu，8YSZ，Ti-Ni等材料体系中得到广泛应用，其机理为通过生成液相在粉末颗粒间提供快速扩散通道促进合金致密化，降低烧结温度及改善烧结性能。目前针对TiAl合金强化烧结的相关报道较为鲜见。曾有研究指出，添加Ni、Cu等元素可提高合金粉末的烧结致密化程度，改善TiAl基合金的室温力学性能。而添加元素的选择除了促进烧结外，还应作为合金化元素避免对合金综合性能产生不利影响。有研究表明Cu、Ni添加元素会对合金高温力学性能和高温抗氧化性能产生不利影响。因此除现有的研究报道外还有必要继续探索其他更为合适的烧结助剂。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法，以实现低成本制备高致密、高性能的TiAl基合金材料。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法，所述方法包括如下步骤：S1：粉末原料准备，选取TiAl基预合金粉末和Sn粉，并确定预合金粉末与Sn粉的配比；S2：混合，将S1步骤准备的粉末放入混料机中混合均匀；S3：制坯，将S2步骤混合后的粉末制备成生坯料；S4：烧结，将S3步骤的所述坯料放入烧结炉中，在真空条件下或者惰性气体保护条件下无压烧结；保温结束并随炉冷却后获得添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金。进一步，所述S1步骤中，所述TiAl基预合金粉末组成成分以原子百分比计：Al含量为43～49at.％，Nb含量为：0～9at.％，微合金化元素总含量为0～2at.％，余量为Ti；所述Sn粉添加量占Sn粉和TiAl基预合金粉末总质量的0.8～8wt.％。进一步，所述微合金化元素为Cr、B、W、Y、V中的任一种或多种。进一步，所述Nb含量为2-9at.％，微合金化元素总含量为0.5～2at.％。进一步，所述TiAl基预合金粉末的粒度为低于-200目标准筛；所述Sn粉的粒度为低于-500目标准筛。进一步，所述S2步骤中的制坯包括采用机械单向压制、机械双向压制、冷等静压或者注射成形中的任意一种，所述生坯料的相对密度为70-85％。进一步，所述S4步骤中所述烧结温度为1400～1520℃，保温时间为60-120min。进一步，所述S4步骤中所述烧结包括中间保温过程，所述保温温度为1100～1300℃，保温时间为30～60min。进一步，所述S4步骤中所述烧结工艺为分两个阶段，第一阶段以7～10℃/min快速升温至1100～1300℃，进行保温30～60min；随后以2～4℃/min缓慢升温至1400～1520℃，保温60～120min。进一步，所述S4步骤中的真空条件的真空度低于10-2Pa，或者所述惰性气体为氩气，流量为0.5L/min以上。TiAl基合金粉末烧结活性低、致密化困难，导致粉末冶金制品的性能得不到充分发挥，这是目前制约粉末冶金TiAl合金发展与应用的瓶颈问题。通常为实现TiAl合金粉末成形坯致密化，需要加压烧结或者在靠近液相线温度烧结，往往导致制品形状单一，复杂零件无法制备，同时晶粒粗大，制备成本大大增加。本专利技术是基于瞬时液相烧结理论，提出添加元素Sn作为TiAl基合金粉末的强化烧结助剂，其原理是通过在合金粉末颗粒界面瞬时形成液相来提供快速扩散通道，从而有效促进成形坯烧结致密化过程。添加Sn还能够相应降低合金粉末的烧结温度，抑制晶粒粗大，有利于改善烧结体性能。同时作为TiAl基体的合金化元素，Sn原子主要倾向于置换Al原子，可增加合金中d电子，削弱Ti3d-Al3p键合方向性，使合金塑性得到改善；Sn加入也可改善晶胞体积及晶格常数比，细化组织并使片层更为均匀；另外，Sn元素是TiAl高温抗氧化性能影响的中性元素，Sn添加不会对TiAl合金抗氧化性产生不利影响。Sn作为强化烧结助剂，在烧结致密化初期会与Ti、Al形成三元共晶液相，液相在毛细管力作用下填充孔隙并铺展在颗粒表面，从而增加颗粒接触面积，改善传质过程，加速粉末烧结致密化过程的进行；在烧结后期传质过程完成，析出相扩散完全，液相消失，Sn元素最终均匀固溶在合金基体中。这种瞬时液相烧结过程可通过改变Sn含量、加热速率以及粉末粒度等来控制，使形成液相总量和迁移行为能够满足相应孔隙率要求，以保证强化烧结的良好效果。因此，Sn元素添加量是最为关键的技术参数，如果含量过低，形成液相总量不足，无法充分填充孔隙促进烧结致密化过程；但Sn添加过量则会导致网状低熔点析出相保留至室温，导致材料力学性能恶化。为此经大量实验研究表明，Sn含量适宜为0.8～8wt.％范围内。此外，在相同的Sn含量条件下，烧结速率也会影响到瞬时液相的产生及铺展过程以及Sn和TiAl基体之间的互扩散及物质迁移行为。为此根据Sn-Ti-Al三元相图及热力学计算结果，设计两步烧结工艺路线，并通过大量实验优化工艺参数。即在烧结初期快速升温至三元共晶液相形成温度，可提高液相总量并促进液相在合金粉末表面的铺展过程，使生成液相充分填充孔隙，为物质迁移提供快速扩散通道。如所述温度过低，液相形成总量则较低，而温度过高则使析出液相过早被基体粉末吸收，均会削弱Sn对TiAl基合金粉末的强化烧结效果，为此适宜的温度范围为1100～1300℃，保温30～60min。随后为促进元素均匀扩散及收缩变形控制，低速升温至致密化烧结温度，完成物质传输及致密化过程，根据合金成分的熔点不同，其致密化烧结温度不同，其适宜的温度范围为1400～1520℃，保温60～120min。本专利技术有益效果在于：(1)创造性的选取Sn作为烧结助剂在烧结过程中产生三元瞬时液相促进合金粉末的烧结致密化，降低烧结温度，缩短烧结时间。(2)制备工艺简单、流程短，对设备要求较低，合金成分易于控制，并保持粉末冶金净近成形的优势。(3)添加Sn强化烧结的钛铝合金材料致密度高，成分均匀，组织细本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：粉末原料准备，选取TiAl预合金粉末和Sn粉，并确定TiAl预合金粉末与Sn粉的配比；S2：混合，将S1步骤准备的粉末放入混料机中混合均匀；S3：制坯，将S2步骤混合后的粉末制备成生坯料；S4：烧结，将S3步骤的所述生坯料放入烧结炉中，在真空条件下或者惰性气体保护条件下无压烧结；保温结束并随炉冷却后获得添加Sn强化烧结粉末冶金钛铝合金。

【技术特征摘要】
1.一种添加Sn强化烧结粉末冶金TiAl基合金的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1：粉末原料准备，选取TiAl预合金粉末和Sn粉，并确定TiAl预合金粉末与Sn粉的配比；S2：混合，将S1步骤准备的粉末放入混料机中混合均匀；S3：制坯，将S2步骤混合后的粉末制备成生坯料；S4：烧结，将S3步骤的所述生坯料放入烧结炉中，在真空条件下或者惰性气体保护条件下无压烧结；保温结束并随炉冷却后获得添加Sn强化烧结粉末冶金钛铝合金。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述TiAl基预合金粉末组成成分以原子百分比计：Al含量为43～49at.％，Nb含量为：0～9at.％，微合金化元素总含量为0～2at.％，余量为Ti；所述Sn粉添加量占Sn粉和TiAl基预合金粉末总质量的0.8～8wt.％。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述微合金化元素为Cr、B、W、Y、V中的任一种或多种。4.如权利要求2或3所述方法，其特征在于，所述Nb含量为2～9at.％，微合金化元素总含量为0.5～2at.％。5.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：路新，刘程程，潘宇，佟健博，曲选辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11