一种低成本易变形轻质高强TiAl合金及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本易变形轻质高强TiAl合金及其制备方法，其合金成分为Ti

【技术实现步骤摘要】
一种低成本易变形轻质高强TiAl合金及其制备方法


[0001]本专利技术具体涉及一种低成本易变形轻质高强TiAl合金及其制备方法，属于轻合金材料制备领域。

技术介绍

[0002]航空航天武器装备轻量化是国家重大战略急需。TiAl金属间化合物理论密度只有3.9g/cm3，不到镍基高温合金的1/2，是迄今唯一能够在600℃以上氧化环境长期使用的轻质耐热金属结构材料，用TiAl合金替代镍基高温合金实现减重，具有重大意义。
[0003]2016年，欧洲空客公司使用锻造TNM(Ti
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43.5Al
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4Nb
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1Mo
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0.1B)合金替代镍基高温合金，制造A320neo飞机PW1100G
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JM发动机最后一级低压涡轮叶片。该发动机结合空气动力学及其他技术改进，实现节油12～15％，降噪15～20db，每架飞机每年减少2700～3600吨CO2和50～55％的NOx排放量。显然，TiAl合金替代镍基高温合金制造600℃以上航空航天武器装备热端部件是国际发展方向。
[0004]与国外形成鲜明对比，TiAl合金在国内尚处于实验室研究和产业化前期阶段，没有得到实际应用。其难点主要包括：一是TiAl合金具有本征脆性，室温拉伸塑性低；二是TiAl合金变形抗力大，热加工成形困难；三是TiAl合金向多组元发展，材料成本不断攀升。因此，开发低成本易变形轻质高强TiAl合金，是实现应用的前提。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种低成本易变形轻质高强TiAl合金材料。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种低成本易变形轻质高强TiAl合金材料，其合金成分为Ti
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(40～45)Al
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(3～8)Mn。
[0007]较佳的，该TiAl合金材料的组织特征为：细小的黑色γ晶粒弥散分布在等轴状α2/γ片层和白色β
o
相之间，其中γ尺寸≈5μm，α2/γ尺寸≈40μm。
[0008]较佳的，该TiAl合金材料的室温抗拉强度870MPa，延伸率1.5％，700℃的抗拉强度670MPa，延伸率11％。
[0009]一种制备上述TiAl合金材料的方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一：将金属原料的表面机械打磨去掉氧化皮后，按照所述合金成分进行配料，每锭25kg左右；
[0011]步骤二：采用真空感应熔炼炉制备感应铸锭，向熔炼坩埚内依次加入Al、Mn、Ti，盖上炉盖抽真空至0.1Pa，向炉内充入0.04～0.06MPa的高纯氩气(99.99％)，1次熔炼得到均匀的感应铸锭(Φ80
×
1200mm)；
[0012]步骤三：采用真空自耗熔炼炉制备合金铸锭，将感应铸锭作为电极，封闭炉门抽真空至0.1Pa，向炉内充入0.04～0.06MPa的高纯氩气(99.99％)，1次熔炼得到均匀的合金铸锭(Φ120
×
550mm)；
[0013]步骤四：采用电火花线切割机从合金铸锭中部切取试样(Φ50
×
110mm)；
[0014]步骤五：采用液压机对试样进行高温锻压，以消除铸造缺陷，选择特点变形温度、变形道次、变形量和冷却方式，以获得目标组织和性能。
[0015]进一步的，步骤一中所述的合金组元纯度大于99.9％。
[0016]进一步的，步骤二中所述的真空感应熔炼功率100KW。
[0017]进一步的，步骤三中所述的真空自耗熔炼功率80KW。
[0018]进一步的，步骤五中所述的变形温度在(β+α)两相区，优选1300℃，变形道次为3次，每道次变形量23％，总变形量70％，冷却方式为空冷。
[0019]本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)兼具低成本、易变形、轻质和高强等一系列优势。(2)该材料在高温下不仅具有较高的抗拉强度，而且具有较好的塑性。(3)不需要等温/包套变形，降低了制备成本，减少了加工工序，工艺简单，易于操作。
附图说明
[0020]图1是本专利技术TiAl合金材料制备流程图。
[0021]图2是实施例1合金锻压变形后的EPMA组织图。
[0022]图3是对比例1合金锻压变形后的EPMA组织图。
[0023]图4是对比例2合金锻压变形后的EPMA组织图。
[0024]图5是对比例3合金锻压变形后的EPMA组织图。
具体实施方式
[0025]本专利技术创新点一是利用Mn元素微合金化制备低成本易变形轻质高强TiAl合金。因为Mn可以降低堆垛层错能，促进孪生，对合金的塑性改善具有重要作用。Mn还会促进TiAl合金在高温下析出大量的体心立方β相，β相具有较多独立的<111>(110)滑移系，有助于提高合金的热加工性能，在(β+α)两相区热加工和热处理过程中还可以抑制晶粒长大。Mn的工业价格仅为Cr的1/3、Ni的1/4、Mo的1/10、Nb的1/23以及V的1/133，可以大幅度降低材料成本。
[0026]本专利技术创新点二是变形温度选择(β+α)两相区。传统TiAl合金普遍选择(β+α+γ)三相区，约1100℃
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1200℃，虽然可利用多相竞争机制避免晶粒长大，但高温β相含量只有40～50％，降低了热加工性能，本专利技术优选1300℃，此时高温β相含量高达90％，既提高了热加工性能，又利用两相竞争机制避免晶粒长大。
[0027]本专利技术创新点三是变形道次选择3次，每道次变形量23％，总变形量70％。实践证明，多道次锻压可促进合金再结晶程度，有效细化晶粒，强化力学性能，在总变形量一致的情况下，多道次锻压显著优于单道次，但高温锻压并非道次越多越好，本专利技术针对上述TiAl合金材料，探明最佳变形道次为3次。
[0028]下面各实施例涉及的低成本易变形轻质高强TiAl合金材料制备流程如图1所示，变形工艺如表1所示。
[0029]表1
[0030][0031]实施例1
[0032]步骤一：选取合金成分为Ti
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43Al
‑
4Mn(原子百分比)，本专利技术制备合金铸锭选用的各金属组元的纯度如表2所示。首先将金属原料的表面机械打磨去掉氧化皮后，按照设计好的成分配比备料，每锭25kg左右；
[0033]表2
[0034][0035]步骤二：采用真空感应熔炼炉制备感应铸锭，向熔炼坩埚内依次加入Al、Mn、Ti，盖上炉盖抽真空至0.1Pa，向炉内充入0.04～0.06MPa的高纯氩气(99.99％)，1次熔炼得到均匀的感应铸锭(Φ80
×
1200mm)，熔炼时采用的功率100KW；
[0036]步骤三：采用真空自耗熔炼炉制备合金铸锭，将感应铸锭作为真空自耗熔炼炉的电极，封闭炉门抽真空至0.1Pa，向炉内充入0.04～0.06MPa的高纯氩气(99.99％)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本易变形轻质高强TiAl合金，其特征在于，其合金成分为Ti
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（40~45）Al
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（3~8）Mn。2.如权利要求1所述的TiAl合金，其特征在于，该TiAl合金的组织特征为：细小的黑色γ晶粒弥散分布在等轴状α2/γ片层和白色β
o
相之间，其中γ尺寸≈5μm，α2/γ尺寸≈40μm。3.如权利要求1所述的TiAl合金，其特征在于，该TiAl合金的室温抗拉强度870MPa，延伸率1.5%，700℃的抗拉强度670MPa，延伸率11%。4.如权利要求1
‑
3任一所述的Ti...

【专利技术属性】
技术研发人员：许昊，陈光，祁志祥，郑功，陈旸，李沛，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：