Ti制造技术

本发明专利技术属于新材料设计与增材制造技术领域。提供了一种Ti

【技术实现步骤摘要】
Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备方法
本专利技术属于新材料设计与增材制造
涉及一种Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备工艺。
技术介绍
TiAl基合金是一种新型的轻质高温结构材料，不仅密度低，还具有优异的高温性能，在760℃～850℃高温下稳定、可靠的工作。因此，TiAl合金在新一代航空航天发动机上将取代部分镍基高温合金，用于燃烧室旋流器、机匣、高压压气机叶片和低压涡轮叶片等热端部件的制造。然而，TiAl基合金主要是由γ-TiAl相基体和第二相α2-Ti3Al相组成，这两种相均为金属间化合物，其Ti-Al之间的强键合力赋予TiAl基合金良好的高温强度和抗蠕变性能，同时也导致室温塑性极低，使得可成形性和可加工性非常差，这严重制约了TiAl基合金在航空航天领域走向广泛应用。研究表明，细化晶粒是改善TiAl基合金室温塑性的重要途径，实现晶粒细化方式主要有合金化、第二相(如Al2O3、TiB2、Ti5Si3陶瓷颗粒等)弥散和新的制备工艺。目前在TiAl基合金中加入Cr、V、Mo等合金能显著改善热加工性和超塑性以及高温抗氧化性，但仍然不能根本解决室温低塑性的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料及制备方法，通过激光直接沉积成形工艺，达到在保持原有高温性能的前提下，细化基体晶粒，实现TiAl基材料的室温增塑，提高可成形性和可加工性。为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：一方面，提供一种Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料，所述的复合材料是以TiAl合金为基体，以Ti2AlNb合金为増塑颗粒；按体积百分数由1.0％～10.0％的Ti2AlNb合金和90.0％～99.0％的TiAl合金组成。另一方面，提供一种制备所述复合材料的方法，所述的方法通过激光直接沉积方法制备，包含以下步骤：(1)原材料准备：按所述复合材料中体积百分比配制Ti2AlNb和TiAl合金粉末；对于双粉筒和多粉筒送粉器的激光直接沉积设备，将Ti2AlNb和TiAl合金粉末分别装入送粉器的不同粉筒；对于单粉筒送粉器的激光直接沉积设备，按设计TiAl基复合材料中Ti2AlNb与TiAl的体积百分比配制混合粉末，并通过球磨机等装置搅拌均匀后，装入送粉器的粉筒；(2)基板安装与预热：将成形基板安装和固定在电磁搅拌装置的工作台上，同时对基板进行预热，预热温度为500℃～550℃，并在成形过程持续加热，基板的温度持续保持在500℃以上；(3)激光直接沉积与电磁搅拌工艺参数：激光直接沉积参数：激光功率1050W～1500W，激光扫描速率15～20mm/s，扫描搭接率40％～60％，电磁搅拌参数：电流频率为20Hz，电流值为80A～130A，电磁搅拌装置工作区的磁场强度约为80～100GS；(4)成形制备：按设定轨迹进行激光直接沉积成形制备，制备过程中采用连续沉积成形方式，使得成形金属的温度一直保持在650℃以上，成形完毕后，立即在成形的TiAl基复合材料上覆盖保温材料，基板加热保持温度在500℃～550℃时间不少于30分钟后，停止加热，并在保温材料覆盖条件下缓冷至室温，即获得无裂纹缺陷的Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料。步骤(1)中TiAl合金粉末按原子百分数由45％～48.5％Ti、45％～48.5％Al和3％～5％其他合金元素组成，合金元素为Cr、Nb、V、Mn、Mo和C中的2～4种元素组合，其中C在TiAl合金中原子百分比≤0.15％。步骤(1)中Ti2AlNb合金粉末按原子百分数由50％～57％Ti、21％～25％Al和22％～27％Nb组成。步骤(1)中所述Ti2AlNb和TiAl合金粉末均为气雾化或旋转电极等方法制备的球形粉末，其中TiAl粉末的粒度为45～106微米，Ti2AlNb粉末的粒度为53～150微米。步骤(3)中送粉速率选择如下：采用双通道送粉时，Ti2AlNb和TiAl合金粉筒的送粉速率之比等同于设计的TiAl基复合材料中Ti2AlNb与TiAl的体积百分比，总的送粉速率为10.0～12.0g/min，当单通道送粉时，送粉速率为6.0～12.0g/min。优选地，步骤(2)中采用电阻加热对基板进行预热。优选地，步骤(4)中所述保温材料为石棉。本专利技术的有益效果是：1、TiAl和Ti2AlNb均为Ti-Al系金属间化合物，具有高温强度高、抗蠕变性能好、高温组织稳定性好等优点，因此是航空航天领域未来最具潜力的的轻质高温结构材料之一。但TiAl合金的服役温度可达750～850℃，而Ti2AlNb合金的服役温度略低，为600～650℃。目前TiAl基复合材料主要通过添加Al2O3、TiB2、Ti5Si3等陶瓷颗粒以提高高温性能。而本专利技术中利用Ti2AlNb相弥散的TiAl基复合材料不但能提高其高温强度，而且室温塑性得到大幅提高，室温延伸率提高了近一倍。2、本专利技术利用Ti2AlNb的高熔点(约1700℃)特性，通过激光直接沉积成形TiAl合金(熔点约为1420℃～1450℃)过程中，未能完全消融的Ti2AlNb颗粒起到了弥散作用，细化了基体晶粒，实现了TiAl基材料的室温增塑和高温增强，提高可成形性和可加工性。同时实验结果表明：当Ti2AlNb颗粒的添加量大于10.0％(体积百分数)时，复合材料的TiAl基体中开始出现B2相，导致在750℃～850℃的蠕变和持久性能发生显著下降，即降低了材料的服役温度，因此本专利技术中Ti2AlNb合金颗粒的添加量控制1.0％～10.0％(体积百分数)。3、本专利技术利用Ti2AlNb粉末和TiAl粉末经同步的高温加热和电磁搅拌辅助激光直接沉积工艺，通过成形过程中未完全消融的Ti2AlNb颗粒弥散效应，制备了Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料，实现了TiAl基材料的晶粒细化和微合金化。由于Nb元素的添加能够改善高温性能，激光直接沉积工艺和Ti2AlNb颗粒的晶粒细化和增塑作用，使得制备的TiAl基复合材料具有优良的室高温力学性能，测得其室温拉伸强度达到530MPa以上，延伸率达2.5％以上，显著优于铸造或增材制造的相近成分TiAl基合金(如Ti48Al2Cr2Nb合金)的室温拉伸强度(约为420MPa～500MPa)和延伸率(≤1.3％)。附图说明图1为激光直接沉积的Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料的显微组织图；左图为低倍数(100倍)显微组织图，右图为高倍数(500倍)显微组织图；其中，1为未消融的Ti2AlNb颗粒。具体实施方式下面将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。TiAl基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.Ti

【技术特征摘要】
1.Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料，其特征在于，所述的复合材料是以TiAl合金为基体，以Ti2AlNb合金为増塑颗粒；按体积百分数由1.0％～10.0％的Ti2AlNb合金和90.0％～99.0％的TiAl合金组成。


2.制备权利要求1所述复合材料的方法，其特征在于，所述的方法通过激光直接沉积方法制备，包含以下步骤：
(1)原材料准备：
按所述复合材料中体积百分比配制Ti2AlNb和TiAl合金粉末；
(2)基板安装与预热：
对基板进行预热，预热温度为500℃～550℃，并在成形过程持续加热，基板的温度持续保持在500℃以上；
(3)激光直接沉积与电磁搅拌工艺参数：
激光直接沉积参数：激光功率1050W～1500W，激光扫描速率15～20mm/s，扫描搭接率40％～60％，
电磁搅拌参数：电流频率为20Hz，电流值为80A～130A，电磁搅拌装置工作区的磁场强度约为80～100GS；
(4)成形制备：按设定轨迹进行激光直接沉积成形制备，制备过程中采用连续沉积成形方式，使得成形金属的温度一直保持在650℃以上，成形完毕后，立即在成形的TiAl基复合材料上覆盖保温材料，基板加热保持温度在500℃～550℃时间不少于30分钟后，停止加热，并在保温材料覆盖条件下缓冷至室温，即获得无裂纹缺陷的Ti2AlNb颗粒增塑的TiAl基复合材料。

【专利技术属性】
技术研发人员：秦仁耀，张国会，孙兵兵，梁家誉，熊华平，
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