一种粉末冶金制备TiAl/Ti合金层状复合板材的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种粉末冶金制备TiAI/Ti合金层状复合板材的方法。
【背景技术】
[0002]当前，随着航空航天技术的发展，对飞行器的要求也越来越高。飞行器发动机的减重对飞行器自身性能的提升具有重要意义。目前广泛使用的Ni基高温合金因其密度较大已经无法满足发动机进一步减重的要求。因此，迫切需要发展新型轻质高温结构材料。TiAl合金以其密度低、高温强度高、抗蠕变性能好及抗氧化能优异等优点，成为替代Ni基合金的主要备选材料。TiAl合金使用温度较高，可达到700°C?900°C。基于TiAl合金优异的性能，开展TiAl合金的研究对于早日实现其工程化应用具有重要意义。
[0003]但是由于TiAl合金的本征特性、属于难热塑性变形材料，板材乳制相关的约束条件较多，乳制过程中材料的热应变状态也非常复杂，容易开裂，得到大尺寸、高质量板材非常困难。制备技术上的瓶颈阻碍了 TiAl合金板材的工程化应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决板材乳制过程中材料容易开裂、强度不高、室温塑性低的问题，而提供了一种粉末冶金制备TiAI/Ti合金层状复合板材的方法。
[0005]本发明的一种粉末冶金制备TiAI/Ti合金层状复合板材的方法，它是按以下步骤完成的:
[0006]一、原材料准备:称取粒径为0.5μπι?250 μπι的名义化学成分为T1-(40?44.5)Al-(0.5?10) X-(0.1?2) Z (at % )的TiAl预合金粉，称取粒径为0.5 μ m?250 μ m的纯钛或钛合金预合金粉；
[0007]其中，X为beta相稳定元素，Z为微合金化元素；
[0008]步骤一中所述的名义化学成分为T1-(40?44.5)Α1-(0.5?10)Χ_(0.I?2)Z(at% )的TiAl预合金粉末是通过惰性气体雾化方法或旋转电极雾化方法制备得到的；
[0009]步骤一中所述的纯钛或钛合金预合金粉末是通过惰性气体雾化方法或旋转电极雾化方法制备得到的；
[0010]二、放电等离子烧结:将步骤一中称取的粒径为0.5 μ m?250 μ m的名义化学成分为T1-(40?44.5) Al-(0.5?10) X- (0.1?2) Z (at % )的TiAl预合金粉末放入石墨容器中，真空脱气，进行放电等离子烧结，得到致密度为95%?100%的TiAl合金板坯；
[0011]三、将步骤一中称取的粒径为0.5 μπι?250 μm的纯钛或钛合金预合金粉放入石墨容器中，真空脱气，进行放电等离子烧结，得到致密度为95 %?100 %的纯钛或钛合金板坯；
[0012]步骤二和步骤三中所述的真空脱气的温度均为室温，真空度均为0.01?IPa ;
[0013]步骤二和步骤三中所述的放电等离子烧结的升温速率均为10°C /min?200°C /min ；
[0014]步骤二和步骤三中所述的放电等离子烧结的温度均为900°C?1400°C，压力均为5MPa?lOOMPa，保温时间均为2min?180min，保温后随炉冷却；
[0015]四、切割加工:将得到的TiAl合金板坯和纯钛或钛合金板坯进行线切割和倒圆角，得到表面光洁度均为Ra6?Ra8、长宽均为(10?200)mmX (10?200)mm且厚度均为
0.3?30mm的TiAl合金预制板还和纯钛或钛合金预制板还；
[0016]五、包套:将步骤四中TiAl合金预制板还和纯钛或钛合金预制板还进行叠放；叠放方式为:以TiAl合金预制板坯/纯钛或钛合金预制板坯的方式交替叠放TiAl合金预制板坯和纯钛或钛合金预制板坯至2n+l层，得到最终堆叠板坯；其中，η为I?50的整数?’最终堆叠板坯的两侧为TiAl合金预制板坯；
[0017]将最终堆叠板坯置于包套内，再进行焊封；
[0018]六、高温包套乳制:将步骤五得到的封焊后的包套放入加热炉中，再将加热炉从室温升温至1000°C?1350°C，再在温度为1000°C?1350°C下保温5min?120min，再将包套放置在乳机上，在乳制速率为0.0lm/s?2.5m/s、道次变形量为5%?40%、乳制总变形量为30%?90%和道次回炉温度为1000°C?1350°C、保温时间为5min?60min的条件下进行乳制，得到乳件；再将乳件放置在温度为1000 °C?1350 °C的加热炉中，关掉加热炉的电源，待乳件自然冷却至100°C?600°C，再将乳件从加热炉中取出，自然冷却至室温，得到包有包套的乳件；
[0019]七、去除包套:
[0020]采用机械加工方法去除步骤六中得到的包有包套的乳件中的包套，即得TiAl/Ti合金层状复合板材。
[0021]本发明包含以下有益效果:
[0022]本发明采用的放电等离子烧结技术集粉末成形和烧结于一体，不需要预先成形，也不需要任何添加剂和粘结剂。其加热均匀、升温快、烧结温度低、烧结时间短、效率高、组织细小均匀，保护原材料的自然状态，可得到高致密度的材料，有利于板材的后续成形。有利于制备出大尺寸，高强度，高塑性的TiAl/Ti合金层状复合材料。
[0023]本发明通过将制备的TiAl合金预制板坯和纯钛或钛合金预制板坯交替叠层放置引入钛合金作为增韧相，有利于二者协调变形，有利于制备出高强度，高塑性的TiAl/Ti合金层状复合材料。
[0024]本发明获得的复合板材的尺寸为230mmX80mmX 1.2mm，室温抗拉强度可达1200MPa，室温塑性为4?5%。700°C抗拉强度可达900MPa，700°C塑性为10?15%。
【具体实施方式】
[0025]【具体实施方式】一:本实施方式的一种粉末冶金制备TiAl/Ti合金层状复合板材的方法，它是按以下步骤完成的:
[0026]一、原材料准备:称取粒径为0.5μπι?250 μπι的名义化学成分为T1-(40?44.5)Al-(0.5?10) X-(0.1?2) Z (at % )的TiAl预合金粉，称取粒径为0.5 μ m?250 μ m的纯钛或钛合金预合金粉；
[0027]其中，X为beta相稳定元素，Z为微合金化元素；
[0028]步骤一中所述的名义化学成分为T1-(40?44.5)Α1_(0.5?10)Χ_(0.I?2)Z(at% )的TiAl预合金粉末是通过惰性气体雾化方法或旋转电极雾化方法制备得到的；
[0029]步骤一中所述的纯钛或钛合金预合金粉末是通过惰性气体雾化方法或旋转电极雾化方法制备得到的；
[0030]四、放电等离子烧结:将步骤一中称取的粒径为0.5 μπι?250 μπι的名义化学成分为T1-(40?44.5) Al-(0.5?10) X- (0.1?2) Z (at % )的TiAl预合金粉末放入石墨容器中，真空脱气，进行放电等离子烧结，得到致密度为95%?100%的TiAl合金板坯；
[0031]五、将步骤一中称取的粒径为0.5 μπι?250 μm的纯钛或钛合金预合金粉放入石墨容器中，真空脱气，进行放电等离子烧结，得到致密度为95 %?100 %的纯钛或钛合金板坯；
[0032]步骤二和步骤三中所述的真空脱气的温度均为室温，真空度均为0.01?IPa ;
[0033]步骤二和步骤三中所述的放电等离子烧结的升温速率均为10°C /min?200°C /min ；
[0034]步骤二和步骤三中所述的放电等离子烧结的温度均为900°C?1400°C，压力均为5MPa?lOOMPa，保温时间均为2min?180min，保温后随炉冷却；
[0035]四、切割加工:将得到的TiAl合金板坯和纯钛或钛合金板坯进行线切割和倒圆角，得到表面光洁度均为Ra6?Ra8、长宽均为(