一种细晶TiAl合金及其制备方法、航空发动机、汽车技术

本发明专利技术属于合金技术领域，公开了一种细晶TiAl合金及其制备方法、航空发动机、汽车，由Ti50％‑54％、Al:25％‑35％、Nb:15％‑25％和微量合金化元素组成；微量合金化元素为W、B、Ta、Y、Mo、V中的一种或者几种。本发明专利技术的细晶TiAl合金晶粒尺寸在100nm‑1.5μm，组织为近γ组织或者双态组织，致密度为99％，密度为4.72g/cm

【技术实现步骤摘要】
一种细晶TiAl合金及其制备方法、航空发动机、汽车
本专利技术属于合金
，尤其涉及一种细晶TiAl合金及其制备方法、航空发动机、汽车。
技术介绍
追求轻质高强，一直也是航空、航天材料研究的主导方向。通常认为，发动机每减1kg，飞机就减重4kg；航天器减重1kg，可使运载火箭减轻500kg。提升航空发动机标志性指标—推重比的技术途径是提高涡轮前温度和减少结构的重量，则必然需求更高使用温度、更低比重的新材料。以超燃冲压发动机为动力的航天高马赫数飞行器对发动机结构及蒙皮材料提出了更轻、更耐温的迫切要求。我国大飞机项目已经列入国家重大计划，下一代航空发动机推重比将达到更高，正在发展新型高速飞行器等。因此发展轻质高温结构材料成为航空航天发动机设计的迫切需求。新一代航空发动机及高马赫数导弹要求的新型高温结构材料具有“更强、更硬、更轻、更耐热”的特点。近20年以来，高温结构材料因其优异的性能，引起了汽车行业和航空航天的密切关注。高温结构材料主要有超合金(Ni基)、陶瓷基复合材料、金属基复合材料以及金属间化合物。其中，金属间化合物因其原子排列长程有序，以及原子间金属键和共价键共存的特点，使其可能同时存在金属的塑性和陶瓷的高温强度。与传统的高温结构材料相比，低密度、高强度以及优异的耐热性能，其综合性能介于金属和陶瓷之间，已成为应用前景最大的一种新型高温结构材料。在我国，国家自然科学基金委员会先后在重大研究计划所资助的项目中专门提出了“轻质、强韧、抗撞击、防热结构及其材料一体化设计的理论和方法”，“超轻质多功能材料、新构型材料、结构一体化优化设计方法”等科学目标，体现了轻质高温结构材料的重要性。在诸多的金属间化合物中，TiAl金属间化合物具有优良的高温强度、抗蠕变性能、抗氧化性能，且弹性模量大、扩散系数低、热膨胀系数小，其性能与传统的航空高温合金Ni基合金相当，但其密度(3.9g/cm3～4.2g/cm3)却仅为Ni基合金的一半，应用于航空发动机及高马赫数飞行器部件会带来明显的减重效应。TiAl合金因其优异的性能使其在航空航天、汽车工业的耐高温部件发挥重要作用，还可以用于超高速飞行器的机翼和壳体，被认为是最有应用前景的高温轻质结构材料。美、日、德等国家在TiAl合金的研制上已经取得了非常大的进展，其波音787飞机以及超高速飞行器的应用就是很好的例子。我国对TiAl合金的研究也取得了很大的成果，其中北京科技大学研制的Nb-TiAl合金有着非常好的性能。即使TiAl合金在研究上取得了很大的进展，但其在目前TiAl合金的应用中，仍然存在着不少的问题。TiAl金属间化合物因其原子排列长程有序，以及原子间金属键和共价键共存的特点，使其可能同时存在金属的塑性和陶瓷的高温强度，但在室温条件下，该合金存在着明显的室温脆性，通常延伸率不足1％，大尺寸的TiAl合金铸锭也会在应力作用下发生脆断；TiAl基合金中较高的Al含量造成铸锭冶金工艺难以消除成分偏析缺陷，给获得大尺寸TiAl基合金板造成很大困难。在高温应用方面，TiAl合金无法同时兼顾有着较好的拉伸性能、抗断裂及蠕变性能，使其材料性能不平衡；由于该合金的高温屈服应力高，高温加工时很难发生屈服产生塑性变形，使得加工难度增大；材料在800℃时，抗高温性能下降，当使用1000℃时，材料高温强度急剧下降。这些问题都严重阻碍了TiAl金属间化合物的使用。目前，广大科研人员均认为大尺寸TiAl基合金板材的制备及优化是TiAl基合金走向实用化的一个突破口，是及其重要的研究方向之一。解决大尺寸薄板的制备及超塑性成型技术(SuperplasicForming,SPF)是其走向应用的关键技术。TiAl基合金薄板可用于高温结构材料，又可用作超塑性成型的预成型材料，可用于制备航空航天发动机的叶片和零部件，高马赫数飞行器的机翼、壳体和导弹尾翼等。目前TiAl基合金的主要制备工艺有粉末冶金(PM)和铸锭冶金(IM)及锻造等，TiAl基合金的粉末冶金(PM)制备可以克服铸锭冶金工艺的成分偏析、晶粒粗大及疏松缺陷，并具有近净成形的优点，从而减少加工步骤提高材料的利用率，降低生产成本，近年来受到学者们的极大关注。同时，大尺寸的TiAl基合金也可以通过粉末冶金制备，获得的粉末冶金坯料具有均匀的组织，相对的材料的力学性能也具有均匀性，在很大程度上提升了其室温塑性，因此可以说使用粉末冶金工艺制备TiAl基合金解决了TiAl基合金加工的很多技术难题。目前我国在TiAl基合金的工程应用、典型零部件的研制以及标准化考核实验的研究上与国外存在不小的差距。作为下一代抗冲击的高温结构材料，无论从工程应用的角度，还是从材料改性的角度，大尺寸TiAl基合金的研究及其重要。综上所述，现有技术存在的问题是：目前TiAl合金的应用中存在因原子排列长程有序以及原子间金属键和共价键共存的特点导致可能同时存在金属的塑性和陶瓷的高温强度，在室温条件下，存在明显的室温脆性，通常延伸率不足1％，大尺寸的TiAl合金铸锭也会在应力作用下发生脆断；TiAl基合金中较高的Al含量造成铸锭冶金工艺难以消除成分偏析缺陷，给获得大尺寸TiAl基合金板造成很大困难。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种细晶TiAl合金及其制备方法、超燃冲压发动机、航空发动机、汽车。本专利技术是这样实现的，一种细晶TiAl合金，所述细晶TiAl合金由Ti50％-54％、Al:25％-35％、Nb:15％-25％和微量合金化元素组成；所述微量合金化元素为W、B、Ta、Y、Mo、V中的一种或者几种。按照质量分数具体的合金化元素为：W、Ta为0.2％-0.8％，B为0.01％-0.03％,Y为0.05％-0.1％，Mo或者V微量小于0.1％。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述细晶TiAl合金制造的航空发动机叶片及部件。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述细晶TiAl合金制造的汽车发动机部件。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述细晶TiAl合金制造的高马赫数飞行器部件。本专利技术的另一目的在于提供一种利用所述细晶TiAl合金制造的导弹尾翼。本专利技术的另一目的在于提供一种由所述细晶TiAl合金的制备方法，所述细晶TiAl合金的制备方法包括：新型低温高能球磨将元素粉末合金化，球磨时间、控制温度；合金化后粉末粒径在1微米-15微米，粉末晶粒尺寸可细化在6nm-20nm；烧结：采用新型放电等离子体烧结系统烧结，烧结压力为50-80MPa，烧结温度为1100℃-1275℃，烧结块体的尺寸可自动选择。本专利技术的优点及积极效果为：在多年粉末冶金研究的基础上，利用独特的低温球磨及快速烧结技术，对高Nb-TiAl合金的制备进行了一系列的研究。首先是利用低温球磨和放电等离子体烧结技术联合，严格控制球磨时间和烧结工艺，烧结出的高Nb-TiAl合金致密度高，达到99％，同时具有超细晶结构，由于混合粉末均匀，烧结块体无偏析存在，烧结的晶粒尺寸均匀，解决了铸造中存在的偏析问题。其次，通过细晶强化，本专利技术制备的超细晶合金拥有良好的室温力学性能，其抗压强度、抗弯强度、维氏硬度都有着显著的提升。本专利技术通过粉末冶金对大尺寸高Nb-TiAl基合金板材进行了长期的研究，通过放电等离子烧结、真空自耗熔炼、热等静压以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种细晶TiAl合金，其特征在于，所述细晶TiAl合金由Ti50％‑54％、Al:25％‑35％、Nb:15％‑25％和微量合金化元素组成；所述微量合金化元素为W、B、Ta、Y、Mo、V中的一种或者几种；按照质量分数具体的合金化元素为：W、Ta为0.2％‑0.8％，B为0.01％‑0.03％,Y为0.05％‑0.1％，Mo或者V微量小于0.1％。

【技术特征摘要】
1.一种细晶TiAl合金，其特征在于，所述细晶TiAl合金由Ti50％-54％、Al:25％-35％、Nb:15％-25％和微量合金化元素组成；所述微量合金化元素为W、B、Ta、Y、Mo、V中的一种或者几种；按照质量分数具体的合金化元素为：W、Ta为0.2％-0.8％，B为0.01％-0.03％,Y为0.05％-0.1％，Mo或者V微量小于0.1％。2.一种利用权利要求1所述细晶TiAl合金制造的航空发动机叶片及部件。3.一种利用权利要求1所述细晶TiAl合金制造的汽车发动机部件...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐军，邓浩，陈龙庆，
申请(专利权)人：成都露思特新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51