一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法，涉及合金材料技术领域。所述钛铝合金的化学式为：Ti

A Ti Al alloy with multistage twin interlaced structure and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及合金材料
，具体涉及一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着航空、航天事业的飞速发展，我国已从航空、航天大国向强国道路迈进。Ti
‑
Al合金作为重要的航空结构材料，拥有密度低，比强度高，抗腐蚀性能优越等特点，拥有广泛的应用价值。特别是在新一代航空发动机上，Ti
‑
Al合金有望取代镍基高温合金，成为下一代航空发动机的主要备选材料。为了提高Ti
‑
Al合金的综合性能，常加入β稳定元素Nb来改善其高温抗氧化性能，同时获得强度的提升，然而大量加入Nb元素会引起凝固过程中的显微偏析，从而影响Ti
‑
Al合金的塑性。众所周知，材料的性能与其微观组织密不可分，传统研究观点认为，强度和塑性是相互制约的关系，由晶粒细化所引起的强度提升，必然导致材料塑性的下降。因此，如何在材料强度提升的同时，塑性也随之提高，实现“鱼与熊掌”兼得的突破，是新材料研发的一个重要方向，也是高性能Ti
‑
Al合金研发过程中的难点。现有的提高Ti
‑
Al合金性能的方法包括多元合金化、定向凝固、增材制造、多步热处理、材料加工成型等，然而，大幅度提升Ti
‑
Al合金的强度与塑性仍然存在较大的障碍。同时，现有的材料变形与多步热处理制备技术较为复杂，成本相对较高，亟待探索和开发高性能Ti
‑
Al合金制备的新工艺。
[0003]快速凝固技术拥有比常规冶金工艺大得多的冷却速度与过冷度，极大缩短了合金的凝固过程。该技术能够有效抑制元素偏析、细化晶粒的同时扩大合金元素的固溶度，形成微晶或纳米晶组织、析出高度弥散强化相，被认为是一种有效提高合金综合性能的方法。同时，快速凝固过程中产生的亚稳相及缺陷，如：位错，孪晶等，对材料性能产生重要影响。作为深过冷快速凝固技术的代表，电磁悬浮技术能够有效消除材料凝固过程中由于器壁接触所引起的异质形核，实现常规手段所无法达到的过冷度。
[0004]孪晶作为一种特殊的共格界面，处于孪晶界面两侧的原子呈现镜面对称，研究发现，在材料塑性变形过程中，一方面，孪晶能够起到晶界的作用，阻碍位错运动，从而提升材料强度。另一方面，孪晶界能够吸收位错，使位错能够在孪晶界面滑移，从而获得优异的塑性。现阶段，具有多级孪晶结构的钛合金是通过冷轧变形与多级热处理结合的制备工艺，其操作过程复杂，常常需要较大的变形量才能实现。目前，采用电磁悬浮快速凝固技术直接获得多级孪晶结构的Ti
‑
Al合金尚无报道。能否仅通过控制合金的凝固过程而获得多级孪晶结构的Ti
‑
Al合金，实现材料制备工艺的简化及显微组织与性能的优化，拥有重要研究意义。同时，合理的合金成分设计与材料制备过程控制，开发新型航空、航天发动机用Ti
‑
Al合金对国家航天事业的发展拥有重大意义。

技术实现思路

[0005]为了解决上述
技术介绍
中存在的不足，本专利技术提供了一种具有多级孪晶交错结构
的钛铝合金及其制备方法，该钛铝合金合金具有高强度、高塑性、耐腐蚀性能好，有望应用于未来航空、航天发动机。本专利技术主要利用电磁悬浮无容器处理技术提供的深过冷条件，主动调控合金的凝固组织，获得亚稳定的块状γ
‑
TiAl相，同时在块状γ相中产生多级纳米孪晶，获得独特的多级孪晶交错的显微结构，可大幅度提高了材料性能。
[0006]本专利技术第一个目的是提供一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金，所述钛铝合金的化学式为：Ti
x
Al
y
Nb
z
[0007]其中，x、y、z为对应原子百分含量，x＝40～46，y＝46～50，x+y＜100，z＝100
‑
x
‑
y。
[0008]优选的，所述钛铝合金由γ
‑
TiAl相及γ+α2‑
Ti3Al双相组成。
[0009]更优选的，所述γ
‑
TiAl相为块状，其内部为2～4级的纵横交错的纳米孪晶，所述孪晶厚度3～6nm。
[0010]更优选的，所述γ+α2‑
Ti3Al双相为层片状，其厚度为40～70nm。
[0011]优选的，所述钛铝合金的压缩强度为1884～2134MPa，压缩塑性25～32％。
[0012]本专利技术第二个目的是提供一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金的制备方法，包括以下步骤：
[0013]按照合金的原子百分比分别称取Ti、Al、Nb原料；
[0014]将原料置于真空电弧炉内，抽真空至1
×
10
‑3～5
×
10
‑5Pa后，充入惰性气体至大气压，随后加热于2000～2500℃，熔炼20～40s使物料混合均匀，获得母合金；
[0015]将母合金投入电磁悬浮熔炼炉内，抽真空至1
×
10
‑3～8
×
10
‑5Pa后，充入惰性气体至大气压，随后向感应线圈通入20～25A的高频电流，直至母合金实现稳定悬浮，待合金熔化后，维持合金熔体的悬浮状态30～40s，随后对合金熔体进行快速冷却，即得所述具有多级孪晶交错结构的钛铝合金；
[0016]其中，合金的过冷度为240～275K。
[0017]优选的，所述惰性气体为等体积的氩气与氦气。
[0018]优选的，在原料置于所述真空电弧炉内时，将Nb原料置于所述Ti和Al原料之上。
[0019]优选的，采用氦气对合金熔体进行快速冷却。
[0020]优选的，所述母合金熔炼温度为1850～2000℃。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022]本专利技术提供的一种具有多级孪晶交错结构的钛铝(Ti
‑
Al)合金仅含有Ti、Al、Nb三种元素，元素配比简单，容易获得；由电磁悬浮无容器处理技术制备而成，可以有效实现合金微观组织的主动调控，操作方法简单，获得的合金具有高强度，高塑性，可用于下一代航空、航天发动机。
[0023]本专利技术提供的钛铝合金具有多级孪晶结构的Ti
‑
Al合金研究鲜有报道，仅有的研究是通过冷轧与多步热处理的方式，工艺复杂。本专利技术提供的一种具有多级孪晶交叉结构的Ti
‑
Al合金的制备方法为电磁悬浮无容器处理技术，仅通过控制合金凝固过程即可制备具有多级孪晶交错结构的Ti
‑
Al合金。
[0024]本专利技术提供的钛铝合金在制备的过程中，在真空电弧炉内，将Nb原料置于所述Ti和Al原料之上，熔炼开始阶段要保证电弧首先击中Nb并使其快速熔化。
[0025]本专利技术制备的Ti
‑
Al合金材料成分均匀，该合金的最大压缩强度为1884～2134MPa，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多级孪晶交错结构的钛铝合金，其特征在于，所述钛铝合金的化学式为：Ti
x
Al
y
Nb
z
其中，x、y、z为对应原子百分含量，x＝40～46，y＝46～50，x+y＜100，z＝100
‑
x
‑
y。2.根据权利要求1所述的具有多级孪晶交错结构的钛铝合金，其特征在于，所述钛铝合金由γ
‑
TiAl相及γ+α2‑
Ti3Al双相组成。3.根据权利要求2所述的具有多级孪晶交错结构的钛铝合金，其特征在于，所述γ
‑
TiAl相为块状，其内部为2～4级的纵横交错的纳米孪晶，所述孪晶厚度3～6nm。4.根据权利要求2所述的具有多级孪晶交错结构的钛铝合金，其特征在于，所述γ+α2‑
Ti3Al双相为层片状，其厚度为40～70nm。5.根据权利要求1所述的具有多级孪晶交错结构的钛铝合金，其特征在于，所述钛铝合金的压缩强度为1884～2134MPa，压缩塑性25～32％。6.一种权利要求1～5任一所述的具有多级孪晶交错结构的钛铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照合金的原子百分比分别称取Ti、Al、Nb原料；将原料置于真...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海鹏，梁琛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：