一种TiAl基复合材料及其热机械处理方法技术

本发明专利技术涉及一种以原位自生成的TiB2晶须增强的TiAl基复合材料及其热机械处理方法。根据B元素添加控制量计算公式，在TiAl合金中添加适量的B元素，使得在TiAl合金中形成以L→β+TiB2和L+β→α+TiB2共晶反应原位自生成细长的次生TiB2晶须，同时避免粗大的颗粒状初生TiB2相产生，从而可以通过铸锭冶金方法制备一种TiB2晶须增强的TiAl基复合材料。而后，TiB2/TiAl复合材料经过包套热挤压或者包套锻造可制备成细晶棒材或者细晶饼坯，细长TiB2晶须被破碎成短晶须，再经过特殊的热处理工艺的处理，可以获得细晶网篮状组织或者细晶全片层组织。这种TiB2/TiAl复合材料从室温一直到850℃高温均具有很高的强度，同时还具有优异的室温塑性，因此在航空航天领域具有良好的应用前景。

A TiAl based composite material and its thermo mechanical treatment method

【技术实现步骤摘要】
一种TiAl基复合材料及其热机械处理方法
本专利技术属于复合材料制备领域，涉及一种TiAl基复合材料及其热机械处理方法，具体涉及一种原位自生成TiB2晶须增强TiAl基复合材料及其热加工和热处理方法。
技术介绍
γ-TiAl基金属间化合物合金具有低密度、高比强度、高比模量、高蠕变抗力、抗氧化、抗燃烧等优异的性能，因此成为新一代高温结构材料而倍受关注，目前已经成为新一代高推重比航空发动机的关键材料。通过在TiAl合金中添加颗粒状、纤维状增强体制备成TiAl基复合材料，可提高TiAl合金的高温强度和高温持久性能。但是由于TiAl合金室温塑性只有1～2％，当在TiAl合金中添加增强体会导致室温塑性进一步降低，因此往往难以制备出大尺寸的TiAl基复合材料。TiAl基复合材料的增强体和基体在制备过程中经常会发生强烈的界面反应，导致复合材料的性能显著降低。例如，采用粉末冶金方法制备SiC纤维增强TiAl基复合材料，因为SiC纤维和TiAl合金线膨胀系数相差太大，因而冷却过程中产生的热应力导致沿SiC纤维的径向产生裂纹。采用粉末冶金方法制备Al2O3纤维增强TiAl复合材料，发现Al2O3纤维与TiAl基体的界面反应异常剧烈。粉末冶金的TiAl复合材料热加工性能非常差，在热变形过程中增强体附近会产生强烈的应力应变集中，从而形成裂纹。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种TiAl基复合材料及其热机械处理方法，以解决目前TiAl基复合材料基体与增强体发生界面反应或界面附近应力集中产生较大脆性，难以制备出高强塑性TiAl基复合材料的技术问题。为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：一方面，本专利技术提供一种TiAl基复合材料，所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：0.5％～1.5％B、42％～45.5％Al、1％～2％Cr、3％～6％Nb、0.1％～0.5％Ta、0～0.2％Si、0％～2％C，余量为Ti和不可避免的杂质，其中氧含量≤0.2wt％、氮含量≤0.03wt％、氢含量≤0.02wt％；所述的TiAl基复合材料的弹性模量E≥150GPa；所述的TiAl基复合材料的增强体为弥散分布的TiB2短晶须；晶须长度≤30μm。优选地，本专利技术提供一种TiAl基复合材料，所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：45.5％Al、0.5％B、1.5％Cr、4％Nb、0.2％Ta、0.2％Si，余量为Ti和不可避免的杂质。优选地，本专利技术提供另一种TiAl基复合材料，所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：44％Al、0.8％B、1％Cr、4％Nb、0.2％Ta，余量为Ti和不可避免的杂质。优选地，本专利技术提供第三种TiAl基复合材料，所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：42％Al、0.5％B、1.5％Cr、5％Nb、0.2％Ta，余量为Ti和不可避免的杂质。另一方面，本专利技术提供一种TiAl复合材料的制备方法，步骤如下：步骤一：铸锭熔炼：按照成分配比将原材料混合均匀后，在压力机上压制成电极块；进行三次真空自耗熔炼；获得直径为Φ180mm～Φ300mm的复合材料铸锭；步骤二：挤压变形：将所获得的复合材料铸锭进行包套挤压变形，包套与所述复合材料铸锭之间添加隔热材料，挤压变形后将复合材料棒材空冷或炉冷至室温；步骤三：均匀化退火：将上一步得到的材料加热到1050℃～1200℃，保温6～48小时，而后冷却到室温或者直接升温到固溶温度；步骤四：固溶热处理：将均匀化退火后的材料进行两相区或者单相区固溶热处理；步骤五：时效热处理：将经过固溶热处理后的材料加热到850℃～950℃，保温2～8小时，而后炉冷到室温。所述步骤一中参数：熔炼真空度低于5Pa，熔炼电流为3kA～6kA，熔炼电压为23～27V。所述步骤二参数：包套材料采用不锈钢，挤压变形温度范围1100℃～1250℃，挤压比大于6:1。所述的两相区固溶热处理为γ+α两相区固溶热处理，具体如下：热处理温度为1200℃～Tα-15℃，其中Tα为γ→α相变温度；保温0.5～6小时，而后空冷或炉冷到室温。所述的单相区固溶热处理为α单相区固溶热处理，具体如下：热处理温度为Tα+5℃～Tα+20℃，其中Tα为γ→α相变温度；保温5min～2小时，而后空冷、炉冷或者油淬到室温所述步骤三之前还包含等温锻造的步骤，具体为：将复合材料棒材加热到1050℃～1250℃，锻造模具加热到900℃～1150℃，锻造变形速率为0.001s-1～0.05s-1，锻造变形量≥40％，锻造变形后将锻件空冷或炉冷至室温。本专利技术的有益效果是：(1)TiAl基复合材料(TiB2/TiAl)的增强体TiB2晶须是由共晶反应从液相中直接原位生成的，TiB2晶须增强体与TiAl合金基体之间不存在界面反应问题。(2)原位自生成的TiB2晶须能显著细化铸造组织，有利于改善TiB2/TiAl复合材料的热加工工艺性能。(3)TiB2/TiAl复合材料经过热机械处理后，细长的TiB2晶须破碎成短晶须，弥散分布的TiB2短晶须能够抑制晶粒长大，改善塑性，并提高强度。以往研究者通常将B作为微量元素添加到TiAl合金中，添加量小于0.2at％，因为担心大量的TiB2颗粒会导致室温塑性降低。由于这些TiAl合金中B的添加量偏低，没有足够量的TiB2相，强化效果不明显，因此无法有效提高TiAl合金的强度。我们的研究表明，B含量在0.5at％以上，可以降低TiAl合金铸锭晶粒度一个数量级，而且控制好B含量的上限，可以使TiB2通过共晶反应生长成晶须状，而不会生长成粗大的颗粒状TiB2，这种细长的晶须状TiB2相经过后续的热加工，将破碎成短晶须，可显著提高TiB2/TiAl复合材料高温强度，同时还有良好的室温塑性，因此有良好的工程应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施的技术方案，下面将对本专利技术的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为TiB2/TiAl复合材料中的TiB2晶须TEM形貌；图2为B含量对TiAl合金晶粒尺寸的影响；图3为实施例1经热挤压变形后复合材料中的TiB2短晶须。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面将详细描述本专利技术实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本专利技术的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TiAl基复合材料，其特征在于：所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：0.5％～1.5％B、42％～45.5％Al、1％～2％Cr、3％～6％Nb、0.1％～0.5％Ta、0～0.2％Si、0％～2％C，余量为Ti和不可避免的杂质，其中氧含量≤0.2wt％、氮含量≤0.03wt％、氢含量≤0.02wt％；/n所述的TiAl基复合材料的弹性模量E≥150GPa；/n所述的TiAl基复合材料的增强体为弥散分布的TiB

【技术特征摘要】
1.一种TiAl基复合材料，其特征在于：所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：0.5％～1.5％B、42％～45.5％Al、1％～2％Cr、3％～6％Nb、0.1％～0.5％Ta、0～0.2％Si、0％～2％C，余量为Ti和不可避免的杂质，其中氧含量≤0.2wt％、氮含量≤0.03wt％、氢含量≤0.02wt％；
所述的TiAl基复合材料的弹性模量E≥150GPa；
所述的TiAl基复合材料的增强体为弥散分布的TiB2短晶须，所述晶须长度≤30μm。


2.根据权利要求1所述的TiAl基复合材料，其特征在于：所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：45.5％Al、0.5％B、1.5％Cr、4％Nb、0.2％Ta、0.2％Si，余量为Ti和不可避免的杂质。


3.根据权利要求1所述的TiAl基复合材料，其特征在于：所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：44％Al、0.8％B、1％Cr、4％Nb、0.2％Ta，余量为Ti和不可避免的杂质。


4.根据权利要求1所述的TiAl基复合材料，其特征在于：所述的TiAl基复合材料按原子百分含量含有：42％Al、0.5％B、1.5％Cr、5％Nb、0.2％Ta，余量为Ti和不可避免的杂质。


5.一种TiAl基复合材料的热机械处理方法，其特征在于：所述的热机械处理方法中采用如权利要求1所述的TiAl基复合材料，其步骤如下：
步骤一：铸锭熔炼：按照成分配比将原材料混合均匀后，在压力机上压制成电极块；进行三次真空自耗熔炼；获得直径为Φ180mm～Φ300mm的复合材料铸锭；
步骤二：挤压变形：将所获得的复合材料铸锭进行包套挤压变形，包套与所述复合材料铸锭之间添加隔热材料，挤压变形后将复合材料棒材空冷或炉冷至室温；

【专利技术属性】
技术研发人员：李臻熙，高帆，齐立春，刘宏武，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11