一种TiAl基合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种TiAl基合金及其制备方法和应用。该TiAl基合金按照重量百分比计，该合金中TiAl的含量不低于90％，B4C的含量不高于10％。本发明专利技术在TiAl基合金中创新性地引入并设计了一种兼具硼化物和碳化物的多元共混准连续网状增强结构，即通过硼化物和碳化物的原位自生，在TiAl基体单元界面层构建准连续网状增强结构，利用硼化物的碳化物的协同作用，稳定准连续网状增强结构的同时实现基体单元界面层的强韧化，并通过对多元共混准连续网状增强结构的优化调控，获得具有胶囊结构特征组织的高性能TiAl基合金。高性能TiAl基合金。高性能TiAl基合金。

【技术实现步骤摘要】
一种TiAl基合金及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金属材料
，具体涉及一种TiAl基合金及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]高性能结构材料的轻量化是提高航空航天发动机性能、延长其寿命、降低能耗和成本的关键，直接决定了航空航天工业未来的可持续发展。TiAl基合金具有低密度、高比强度、优异的高温抗氧化性能和抗蠕变性能等优点，同时其密度约为镍基高温合金的二分之一，是替代镍基高温合金实现航空航天发动机大规模减重的首要候选材料。目前，镍基高温合金的常规服役温度多在1000℃以上，而TiAl基合金在此温度下的高温强度不足，难以完全取代镍基高温合金以满足航空航天工业对高温结构材料的性能要求。因此，实现TiAl基合金高温强度的显著提升，对于推动其在航空航天领域的广泛应用至关重要。
[0003]为了改善TiAl基合金的力学性能，国内外科研工作者在材料中引入了不同种类的第二相增强体，并通过对增强体生长、分布和体积分数的控制来实现材料高温极限强度的提升。其中，杆状和颗粒状的原位自生碳化物增强体自润滑性能良好，弥散分布的碳化物可以在有效提高TiAl基合金强度的同时协调其塑性变形，但是碳化物高温下钉扎界面滑动的能力有限。与此同时，杆状TiB增强体的硬度和强度较高，能够有效钉扎高温下组织界面滑动，抑制TiAl基合金的高温蠕变；但是TiB脆性较大，不利于材料塑性的改善。因此，有必要进一步开发能够兼顾TiAl基合金综合力学性能的技术手段。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足之处，提供一种TiAl基合金及其制备方法和应用。本专利技术在TiAl基合金中创新性地引入并设计了一种兼具硼化物和碳化物的多元共混准连续网状增强结构，即通过硼化物和碳化物的原位自生，在TiAl基体单元界面层构建准连续网状增强结构，利用硼化物的碳化物的协同作用，稳定准连续网状增强结构的同时实现基体单元界面层的强韧化，并通过对多元共混准连续网状增强结构的优化调控，获得具有胶囊结构特征组织的高性能TiAl基合金。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种TiAl基合金，按照重量百分比计，该合金中TiAl的含量不低于90％，B4C的含量不高于10％。
[0007]可选地，所述TiAl基合金中，TiAl的含量为100％。
[0008]可选地，所述TiAl基合金中，B4C的含量＞0％，余量为TiAl。
[0009]优选地，所述TiAl基合金中，TiAl的含量为95％，B4C的含量为5％。
[0010]第二方面，本专利技术提供一种TiAl基合金的制备方法，所述合金中TiAl的含量为100％，该合金的制备方法包括：将球形TiAl预合金粉末在一定温度和压力下烧结。
[0011]进一步地，所述烧结的控制过程包括：烧结过程采用保护气保护，烧结压力为40～60MPa，烧结温度为1150～1300℃，烧结时的升温速率为5℃/min～15℃/min，烧结时间为
0.5～2h。
[0012]第三方面，本专利技术提供另一种TiAl基合金的制备方法，所述合金中B4C的含量为＞0％，≤10％；余量为TiAl，该合金的制备方法包括：
[0013]步骤1，将球形TiAl预合金粉末和B4C粉末按照TiAl基合金组成配料；
[0014]步骤2，将原料粉末进行混合球磨；
[0015]步骤3，将混合球磨的原料粉末进行烧结。
[0016]进一步地，所述球形TiAl预合金粉末的粒径为105μm～125μm，B4C粉末的粒径为≤2μm。
[0017]进一步地，所述混合球磨的控制过程包括：球磨珠与原料粉末的球料比为2～5：1；球磨过程采用保护气保护，球磨转速为100～300rpm，球磨时间为1～10h。
[0018]优选地，所述球磨珠为直径为5～20mm的不锈钢球磨珠。
[0019]进一步地，所述烧结的控制过程包括：烧结过程采用保护气保护，烧结压力为40～60MPa，烧结温度为1150～1300℃，烧结时的升温速率为5℃/min～15℃/min，烧结时间为0.5～2h。
[0020]第四方面，本专利技术提供上述TiAl基合金在制备耐高温材料上的应用。
[0021]第五方面，本专利技术提供一种耐高温材料，原料组成中包括上述TiAl基合金。
[0022]第六方面，本专利技术提供上述耐高温材料在制备航空飞行器上的应用。
[0023]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0024]1、本专利技术在TiAl基合金中引入了增强体呈准连续网状分布的增强结构(如图2～6所示)。根据复合材料的H
‑
S理论，非连续网状增强的TiAl基合金力学性能可达到其理论值上限，当球形软相被硬相包围而形成胶囊结构时，材料具有最高的弹性模量，能够最大限度的发挥增强体的增强效果以及基体的增韧效果，从而提高材料的综合力学性能。因此，本专利技术通过对增强体生长、分布以及增强体体积分数的调控，最终获得原位自生增强体以冶金结合方式连接TiAl基体单元，并在基体单元周围呈准连续网状分布的均匀增强结构。就独立基体单元而言，增强体呈胶囊状包裹在基体单元周围，整体上，增强体呈准连续的网状结构均匀的分布在基体单元周围，以显著提高TiAl基合金的高温力学性能。
[0025]2、本专利技术在TiAl基合金中设计并引入了一种兼具不同种类和形态的硼化物和碳化物的多元共混准连续网状增强结构，通过B4C与TiAl基体的原位自生反应，在基体单元界面层构建准连续网状增强结构。其中，杆状和颗粒状的原位自生碳化物增强体自润滑性能良好，其弥散分布可以在提高TiAl基合金强度的同时协调材料塑性变形，但是其高温下钉扎界面滑动的能力有限。此外，杆状TiB增强体的硬度和强度较高，能够有效钉扎高温下组织界面的滑动，抑制TiAl基合金的高温蠕变；但是TiB脆性较大，不利于材料塑性的改善。鉴于此，本专利技术利用硼化物和碳化物之间的协同作用，稳定准连续网状增强结构的同时实现TiAl基体单元界面层的强韧化，而不是提供单一的强化或者韧化效果，以此来实现材料在高温服役条件下屈服强度和极限强度的同步提升。
[0026]3、本专利技术通过微米级B4C的原位自生实现了多元硼化物和碳化物增强体的同步引入，利用B4C的特殊晶体结构和键合方式，调控B和C原子与Ti和Al原子的结合过程，有效解决了硼化物聚集析出和粗化的问题，促使硼化物和碳化物以晶须形式嵌入TiAl基体单元，提高了TiAl基体单元的完整性和连通性。
附图说明
[0027]图1是实施例一中球形TiAl预合金粉末与低能球磨制备出表面嵌有B4C粉末的球形TiAl预合金粉末的SEM对比图像，其中，(a)图为球形TiAl预合金粉末的SEM图像，(b)图为低能球磨制备出表面嵌有B4C粉末的球形TiAl预合金粉末的SEM图像。
[0028]图2是实施例一制备出的具有多元共混准连续网状增强结构的TiAl基合金显微组织SEM图像。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiAl基合金，其特征在于：按照重量百分比计，该合金中TiAl的含量不低于90％，B4C的含量不高于10％。2.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金，其特征在于：所述TiAl基合金中，TiAl的含量为100％。3.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金，其特征在于：所述TiAl基合金中，B4C的含量＞0％，余量为TiAl。4.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金，其特征在于：所述TiAl基合金中，TiAl的含量为95％，B4C的含量为5％。5.一种TiAl基合金的制备方法，其特征在于：所述合金中TiAl的含量为100％，该合金的制备方法包括：将球形TiAl预合金粉末在一定温度和压力下烧结。6.一种TiAl基合金的制备方法，其特征在于：所述合金中B4C的重量百分含量为＞0％，≤10％；余量为TiAl，该TiAl基合金的制备方法包括：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明骜，周涛，胡励，时来鑫，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：