专利名称：一种TiAl金属间化合物－钛合金复合板材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种TiAl金属间化合物与钛合金复合板材及其制备工艺。
背景技术：
随着航空、航天技术的飞速发展，各种新型飞行器的飞行距离和飞行速度的提高，对轻质、高强、耐热材料及其精密成形技术提出了越来越高的要求。由于γ-TiAl金属间化合物(或TiAl合金、TiAl基合金)具有许多突出特点，例如密度低，具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等等，这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料。
近年来，TiAl金属间化合物板材轧制技术引起了研究者的注意。TiAl金属间化合物板材的轧制对研制新型超音速飞行器具有重要意义。但是由于TiAl金属间化合物较脆，采用直接轧制(比如等温轧制、包套热轧等)TiAl金属间化合物的方法很难得到没有缺陷的板材，并且得到的板材也很难进行进一步二次热加工(比如热塑成形、超塑性成形等)。
发明内容
本发明针对TiAl金属间化合物较脆和热加工性差的缺点，提出一种TiAl金属间化合物—钛合金复合板材及其制备方法。本发明的TiAl金属间化合物—钛合金复合板材包括至少一层材质为TiAl金属间化合物的板材1和至少一层材质为纯钛或钛合金的板材2，它按照下述方法进行加工轧制之前对材质为TiAl金属间化合物的板材或块材和材质为纯钛或钛合金的板材或块材分别进行磨光或抛光处理，然后采用包套轧制方法制备包括至少一层材质为TiAl金属间化合物的板材和至少一层材质为纯钛或钛合金的板材的TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，轧制主要工艺参数为温度600～1400℃，道次变形量2～40％，轧制总变形量5～95％。轧制出的复合板材的厚度、复合板材的TiAl金属间化合物层的厚度以及钛合金层的厚度可以通过改变工艺参数(包括母材尺寸、厚度，轧制工艺参数等)进行任意调节。TiAl金属间化合物与钛合金可以是叠放在一起进行包套热轧(包套材料可以是各种钛合金、不锈钢，也可以是其他材料；热轧温度在600～1400℃之间)，轧制出TiAl金属间化合物-钛合金复合板材；也可以通过采用钛合金直接包套在TiAl金属间化合物的外表面，在一起热轧成复合板材，轧后可以通过机械加工的方法去除一定厚度的包套材料，得到一定厚度的包套材料复合在TiAl金属间化合物的外表面，形成复合板材，套的厚度为0.5～20mm。
本发明将TiAl金属间化合物(包括添加一种或几种下列元素Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB、TiB2等元素及化合物的TiAl基合金)块材与纯钛或钛合金(包括各种钛合金材料)块材叠放在一起进行包套轧制(包套材料可以是各种钛合金、不锈钢，也可以是其他材料)，轧制出TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，为保证TiAl金属间化合物与钛合金板材之间结合牢固，二种块材在轧制之前要进行磨光或抛光，以保证块材要复合的表面有一定的光洁度。叠放在一起的两种材料可以是两层(比如TiAl金属间化合物-钛合金两层)叠放，也可以是多层(比如TiAl金属间化合物-钛合金-TiAl金属间化合物、钛合金-TiAl金属间化合物-钛合金、……-TiAl金属间化合物-钛合金-TiAl金属间化合物-钛合金-……、……-钛合金-一种TiAl金属间化合物-另一种TiAl金属间化合物-钛合金-……等等形式)叠放。
本发明通过制备TiAl金属间化合物-钛合金复合板材的方法，达到改善TiAl金属间化合物板材力学性能(包括室温及高温)和热加工性能的目的，并通过具体的制备技术和方法获得了无缺陷的TiAl金属间化合物-钛合金复合板材。本发明的复合板材的热加工性能及力学性能(室温、高温)与TiAl金属间化合物相比，得到极大的提高，与普通TiAl金属间化合物板材相比，复合板材的热加工性能得到显著地改善，并且室温和高温力学性能也得到较大的提高。本发明获得的复合板材结合了TiAl金属间化合物的轻质、耐热和钛合金高强、塑性好的优点。根据原材料及方法的不同，复合板材的室温抗拉强度可以达到550～950MPa，室温塑性可以达到2.5～5％，700℃抗拉强度可以达到500～750MPa，700℃塑性可以超过8％。
图1为本发明的TiAl金属间化合物-钛合金复合板材的结构示意图，图2为外面包裹Ti-6Al-4V合金2、内部为Ti-43Al-9V-0.3Y合金1的复合板材的结构示意图，图3为Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1-Ti-6Al-4V合金2-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1的复合板材的结构示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一如图1，本实施方式的TiAl金属间化合物-钛合金复合板材由一层材质为TiAl金属间化合物的板材1和一层材质为纯钛或钛合金的板材2组成。根据TiAl金属间化合物的组成不同，Ti含量可以在35at％～65at％范围内变化，Al含量可以在35at％～60at％范围内变化，所述TiAl金属间化合物为添加Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一种或几种元素的TiAl基合金，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一种或几种元素的添加量小于20at.％。
具体实施方式
二本实施方式按照下述方法进行加工为保证TiAl金属间化合物与钛合金板材之间结合牢固，轧制之前对材质为TiAl金属间化合物的板材或块材和材质为纯钛或钛合金的板材或块材分别进行磨光或抛光处理，以保证块材要复合的表面有一定的光洁度；然后采用包套轧制方法制备包括至少一层材质为TiAl金属间化合物的板材和至少一层材质为纯钛或钛合金的板材的TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，轧制主要工艺参数为温度600～1400℃，道次变形量2～40％，轧制总变形量5～95％。本实施方式中各种制备方法制备出的块状或其他形状的TiAl金属间化合物材料都可以用来制备TiAl金属间化合物-钛合金复合板材。
具体实施方式
三本实施方式以Ti-43Al-9V-0.3Y合金(一种TiAl金属间化合物)-Ti-6Al-4V合金(一种钛合金)复合板材制备为例(包套直接扎)。
(1)将尺寸为长150mm、宽100mm、厚10mm的块状Ti-43Al-9V-0.3Y合金包在Ti-6Al-4V合金的套内，包套分上下两块，包套四边用TC-4焊丝焊平，形成立方体形状，套的厚度为5mm，其中块状Ti-43Al-9V-0.3Y合金表面和包套的内表面要进行磨光(砂纸磨到1000目)，以便两种材料轧制后结合牢固；
(2)包套后的整体在热处理炉中加热到1100℃，并保温1小时；(3)然后整体在轧机上进行热轧，形成外面包裹Ti-6Al-4V合金2、内部为Ti-43Al-9V-0.3Y合金1的复合板材(如图2)。
本实施方式可以通过控制总变形量(带套)来控制内部Ti-43Al-9V-0.3Y合金的厚度，比如变形量为70％时，可以使Ti-43Al-9V-0.3Y合金的厚度达到2.5mm。轧制完成后可以通过机械加工的方法来控制外层Ti-6Al-4V合金的剩余量，如果板材一侧的Ti-6Al-4V合金都加工除去，另一侧留下0.5mm厚的Ti-6Al-4V合金，则会形成Ti-43Al-9V-0.3Y合金(2.5mm厚)1-Ti-6Al-4V合金(0.5mm厚)2的复合板材(总厚为3mm)，如图1。这种复合板材的室温抗拉强度可以达到820～880MPa，室温塑性可以达到3.5～4％，700℃抗拉强度可以达到690～720MPa，700℃塑性可以达到15～20％，极大地改善了TiAl金属间化合物的力学性能，并能够满足进一步热加工的需要。
具体实施方式
四本实施方式以Ti-47Al-2Cr-2Nb合金(一种TiAl金属间化合物)-纯Ti复合板材制备为例(叠层轧2层)。
(1)将两侧表面经过磨光(砂纸磨到1000目)的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金(长200mm、宽150mm、厚12mm)材料与纯Ti(长200mm、宽150mm、厚5mm)材料叠放在一起，并包在Ti-6Al-4V合金的套内，包套分上下两块，包套四边用TC-4焊丝焊平，形成立方体形状，套的厚度为5mm，套与叠放在一起的材料之间要加入一层陶瓷粉末(比如Al2O3)，以方便去除包套；(2)包套后的整体在热处理炉中加热到1050℃，并保温1小时；(3)然后整体在轧机上进行热轧，轧制后去除外面的包套，得到Ti-47Al-2Cr-2Nb合金1-纯Ti2的复合板材(如图1)。
本实施方式可以通过控制总变形量(带套)来控制内部Ti-47Al-2Cr-2Nb合金-纯Ti复合板材的厚度，比如变形量为80％时，可以使Ti-47Al-2Cr-2Nb合金-纯Ti复合板材的厚度达到2.8mm，其中纯钛层厚度为0.3mm。这种复合板材的室温抗拉强度可以达到560～710MPa，室温塑性可以达到2.5～3.3％，700℃抗拉强度可以达到510～550MPa，700℃塑性可以达到8～12％，极大地改善了TiAl金属间化合物的力学性能，并能够满足进一步热加工的需要。
具体实施方式
五本实施方式以Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金(一种TiAl金属间化合物)-Ti-6Al-4V合金(一种钛合金)复合板材制备为例(3层)。
(1)将两块两侧表面经过磨光(砂纸磨到1000目)的Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金(长200mm，宽150mm，厚12mm)材料与一块Ti-6Al-4V合金(长200mm，宽150mm，厚5mm)材料叠放在一起，形成Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1-Ti-6Al-4V合金2-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1的三明治形状，叠放在一起的材料包在Ti-6Al-4V合金的套内，包套分上下两块，包套四边用TC-4焊丝焊平，形成立方体形状，套的厚度为5mm，套与叠放在一起的材料之间要加入一层陶瓷粉末(比如Al2O3)，以方便去除包套；(2)包套后的整体在热处理炉中加热到1200℃，并保温1小时；(3)然后整体在轧机上进行热轧，轧制后去除外面的包套，得到Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1-Ti-6Al-4V合金2-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1的复合板材(如图3)。
本实施方式可以通过控制总变形量(带套)，来控制内部Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金-Ti-6Al-4V合金-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金复合板材的厚度。这种复合板材的室温抗拉强度可以达到680～850MPa，室温塑性可以达到2.8～3.8％，700℃抗拉强度可以达到570～630MPa，700℃塑性可以达到12～16％，极大地改善了TiAl金属间化合物的力学性能，并能够满足进一步热加工的需要。
权利要求
1.一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，其特征在于它包括至少一层材质为TiAl金属间化合物的板材(1)和至少一层材质为纯钛或钛合金的板材(2)。
2.根据权利要求1所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，其特征在于所述TiAl金属间化合物中Ti含量为35～65at.％。
3.根据权利要求1所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，其特征在于所述TiAl金属间化合物中Al含量为35～60at.％。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，其特征在于所述TiAl金属间化合物为添加Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一种或几种元素的TiAl基合金。
5.根据权利要求4所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，其特征在于Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一种或几种元素的添加量小于20at.％。
6.一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材的制备方法，其特征在于它按照下述步骤进行加工轧制之前对材质为TiAl金属间化合物的板材或块材和材质为纯钛或钛合金的板材或块材切分别进行磨光或抛光处理，然后采用包套轧制方法制备包括至少一层材质为TiAl金属间化合物的板材和至少一层材质为纯钛或钛合金的板材的TiAl金属间化合物-钛合金复合板材，轧制主要工艺参数为温度600～1400℃，道次变形量2～40％，轧制总变形量5～95％。
7.根据权利要求6所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材的制备方法，其特征在于包套的厚度为0.5～20mm。
8.根据权利要求6所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材的制备方法，其特征在于所述TiAl金属间化合物中Ti含量为35～65at.％，TiAl金属间化合物中Al含量为35～60at.％。
9.根据权利要求6或8所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材的制备方法，其特征在于所述TiAl金属间化合物为添加Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一种或几种元素的TiAl基合金。
10.根据权利要求9所述的一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材的制备方法，其特征在于所述Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一种或几种元素的添加量小于20at.％。
全文摘要
一种TiAl金属间化合物一钛合金复合板材及其制备方法，它涉及一种TiAl金属间化合物—钛合金复合板材及其制备工艺。本发明的复合板材包括至少一层材质为TiAl金属间化合物的板材(1)和至少一层材质为纯钛或钛合金的板材(2)，加工方法为轧制之前对材质为TiAl金属间化合物的板材或块材和材质为纯钛或钛合金的板材或块材进行磨光或抛光处理，然后采用包套轧制方法制备复合板材，工艺参数为温度600～1400℃，道次变形量2～40％，轧制总变形量5～95％。本发明获得的复合板材结合了TiAl金属间化合物的轻质、耐热和钛合金高强、塑性好的优点，复合板材的室温抗拉强度为550～950MPa，室温塑性为2.5～5％，700℃抗拉强度为500～750MPa，700℃塑性超过8％。
文档编号B32B15/01GK1672918SQ20051000990
公开日2005年9月28日 申请日期2005年4月19日 优先权日2005年4月19日
发明者孔凡涛, 陈玉勇 申请人:哈尔滨工业大学