TiB₂/TiAl复合材料板材及其制备方法

专利名称：TiB₂/TiAl复合材料板材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及颗粒增强TiAl基复合材料板材及其制备方法。
背景技术：
TiAl基复合材料综合了 TiAl金属间化合物和陶瓷的优点，具有轻质、高强、耐高 温、耐磨、耐腐蚀和韧性高等综合性能，是航天和航空发动机结构件的优选材料。TiAl基复 合材料板材是超高速飞行器的翼和壳体的优良材料。相对于纤维增强复合材料，颗粒增强TiAl基复合材料对增强相和基体的热膨胀 系数不匹配的敏感性及反应性均较小，同时颗粒增强TiAl基复合材料制备工艺简单，组织 均勻，各向同性，并可以进行铸造、锻造、轧制和挤压加工，因而更具实际应用价值。原位自 生TiB2增强的TiAl基复合材料，组织显著细化，力学性能大大提高，30-40vol. %的TiB2增 强TiAl复合材料，具有和传统Al203、SiC陶瓷相媲美的性能，且具有更好的高温变形性能和 冲击韧性；加上TiB2热力学稳定，不与基体发生界面反应等优点，使TiB2/TiAl复合材料成 为优良的高温结构材料的首选。目前，国内外通过热锻和热轧等热加工方法制备颗粒增强TiAl基复合材料板材 的报道极少，美国有关于XD法制备TiB2/TiAl复合材料，进行熔模铸造来制备板材的报道， 这种方法制得的板材受复合材料熔体粘度的限制，壁厚较厚，组织疏松，要获得致密的薄 板，必须经过热压、热等静压、热锻或热轧等后续处理。现有的TiAl合金轧板工艺主要有两种1、粉末冶金法；工艺路线为制粉_除气 后封闭粉末-热等静压致密化-去壳并清理-包套轧制。2、铸锭冶金法；工艺路线为熔炼 制备TiAl合金锭-切割成圆柱锭-热等静压处理_表面清理_均勻化热处理_包套等温锻 造_表面清理且切割成矩形块_包套轧制。粉末冶金法制粉过程中不可避免地遭受0、Ν、Η 等气体和杂质的污染，严重影响了后续的加工性能和制品的力学性能；而传统的铸锭冶金 法工艺制备TiAl板材，工序多、操作困难、TiAl合金材料利用率很低，加工成本很高。另外 TiAl合金具有本质脆性，加工性能差，而颗粒增强的TiB2/TiAl复合材料具有较好的高温变 形能力。因此，现有的TiAl合金轧板工艺不适合TiAl基复合材料板材的制备。

发明内容
本发明的目的是为了提供TiB2/TiAl复合材料板材及其制备方法，以解决现有工 艺制备TiAl合金板材存在工序复杂、加工成本高、原料利用率很低等问题，不适用于加工 TiB2AiAl复合板材。TiB2AiAl复合材料板材按体积百分比由0. 8% 20% TiB2和余量的TiAl合金 基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40% 55% Ti、43% 48% Al和余量的合 金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、Y中的一种或其中的几种组成，V在TiAl合 金基体中的原子百分比< 9 %，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比< 4 %，Cr在TiAl合金 基体中的原子百分比彡4%，Mn在TiAl合金基体中的原子百分比彡2%，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比≤1%，Si在TiAl合金基体中的原子百分比≤2%，Y在TiAl合金基体 中的原子百分比≤0. 3%，板材厚度为0. 5 6mm。TiB2AiAl复合材料板材的制备方法按下述步骤进行一、将TiB2/TiAl复合材料 铸锭在800°C 1200°C条件下，退火处理8 24小时，然后在1200 1280°C、150 250MPa 条件下，热等静压处理3 5小时，其中TiB2/TiAl复合材料铸锭按体积百分比由0. 8% 20% TiB2和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40% 55% Ti、43% 48% Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、Y中的一种或 其中的几种组成，V在TiAl合金基体中的原子百分比< 9 %，Nb在TiAl合金基体中的原子 百分比彡4%，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比彡4%，Mn在TiAl合金基体中的原子百 分比彡2%，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比彡1%, Si在TiAl合金基体中的原子百 分比<2%，Y在TiAl合金基体中的原子百分比<0.3% ；二、将经步骤一处理后的铸锭线 切割，切割成厚度为8 15mm的方形块，磨光表面，再等离子喷涂0. 05 0. 2mm厚的Mo或 Y2O3，在方形块表面得到等离子喷涂层，然后四周用厚度为4 15mm的包套包裹，缝隙真空 封焊，包套材质为不锈钢、纯钛或钛合金；三、然后置于加热炉中，加热到900 130(TC，并 保温20 50分钟，然后在热轧机上进行轧制，轧制温度为900 1300°C，轧制压力为200 600吨，轧制速度为0. 1 4m/s，道次变形量为10 30%，道次间回炉5 30分钟，轧制总 变形量为60 90%，轧制后回炉，随炉冷却至200 400°C，再空冷至室温；四、车削去除包 套及等离子喷涂层，表面磨平后得到厚度为0. 5 6mm的TiB2/TiAl复合材料板材。本发明制备的TiAl基复合材料板材，组织均勻细小、各向同性、污染小，具有较高 的断裂韧性和高温强度，制备周期短、材料利用率高、成本低。本发明制备的TiB2/TiAl复合 材料板材，组织致密度在99%以上，各向同性；经900 1280°C /20 50h热处理后，室温和 800°C抗拉强度最高分别可达900和600MPa，800°C延伸率达到20%以上，800°C和140MPa 条件下，持久性达到550h以上；不需要复杂的等温锻造和热挤压等过程，工序简单，利用已 知的TiAl合金的轧制设备和技术就可完成TiB2/TiAl复合材料板材的制备，降低了生产的 成本低，而且提高了原料利用率，铸锭的尺寸越大，则可制得的TiB2/TiAl复合材料板材越 大。TiB2AiAl复合材料板材即可用在超高速飞行器的翼和壳体部位，也可用于制作装甲的 防护瓦。


图1是包套的TiB2/TiAl复合材料板材方形块的结构示意图，图中1表示包套，2 表示方形块。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式中TiB2/TiAl复合材料板材按体积百分比由 0.8% 20% TiB2和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由 40% 55% Ti、43% 48% Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、Y 中的一种或其中的几种组成，V在TiAl合金基体中的原子百分比< 9%，Nb在TiAl合金基 体中的原子百分比彡4 %，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比彡4 %，Mn在TiAl合金基体 中的原子百分比彡2%，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比彡1%，Si在TiAl合金基体中的原子百分比彡2%，Y在TiAl合金基体中的原子百分比彡0. 3%，板材厚度为0. 5 6mm ； 其中，TiB2AiAl复合材料板材的制备方法按下述步骤进行一、将TiB2/TiAl复合材料铸 锭在800°C 1200°C条件下，退火处理8 24小时，然后在1200 1280°C、150 250MPa 条件下，热等静压处理3 5小时，其中TiB2/TiAl复合材料铸锭按体积百分比由0. 8% 20% TiB2和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40% 55% Ti、43% 48% Al和余量的合金元素组成，所述合金元素为占TiAl合金基体原子百分比 0 9%的V、0 4%的Nb、0 4%的Cr、0 2%的Mn和0 的Mo、0 2%的Si和 0.3% Y的组成；二、将经步骤一处理后的铸锭线切割，切割成厚度为8 15mm的方形块，磨 光表面，然后等离子喷涂0. 05 0. 2mm厚的Mo或Y2O3 (作为隔热涂层)，在方形块表面得到 等离子喷涂层，外层用厚度为4 15mm的不锈钢、纯钛或钛合金包套包裹，缝隙真空封焊； 三、然后置于加热炉中，加热到900 1300°C，并保温20 50分钟，然后在热轧机上进行轧 制，轧制温度为900 1300°C，轧制压力为200 600吨，轧制速度为0. 1 4m/s，道次变 形量为10 30%，道次间回炉5 30分钟，轧制总变形量为60 90%，轧制后回炉，随炉 冷却至200 400°C，再空冷至室温；四、车削去除包套及等离子喷涂层，表面磨平后得到厚 度为0. 5 6mm的TiB2/TiAl复合材料板材。本实施方式TiB2/TiAl复合材料板材的组织致密度在99%以上，各向同性；经 900 1280°C /20 50h热处理后，室温和800°C抗拉强度最高分别可达900和600MPa， 800°C延伸率达到20%以上，800°C和140MPa条件下，持久性达到550h以上。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是TiB2/TiAl复合材料板 材按体积百分比由5% 15% TiB2和余量的TiAl合金基体组成。其它与具体实施方式
一 相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是TiB2/TiAl复合材料板 材按体积百分比由10%的TiB2和90%的TiAl合金基体组成。其它与具体实施方式
一相 同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl合 金基体按原子百分比由47. 7%的Ti、44%的Al、8%的V和0. 3%的Y组成。其它与具体实
施方式一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl合 金基体按原子百分比由44. 7%的Ti、45%的Al、8%的V、2% Nb和0. 3%的Y组成。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl合 金基体按原子百分比由50 %的Ti、46 %的Al、3 %的V和1 %的Si组成。其它与具体实施
方式一至三之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl合 金基体按原子百分比由47%的Ti、47%的Al、2%的V、2%的Nb和2%的Mn组成。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl合 金基体按原子百分比由40%的Ti、44%的Al、2%的Nb、2%的Cr、l. 7%的Mo和0. 3%的Y 组成。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl合 金基体按原子百分比由49. 7 %的Ti、46 %的Al、2 %的Nb、2 %的Cr和0. 3 %的Y组成。其 它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl合 金基体按原子百分比由46%的Ti、48%的Al、4%的Nb和2%的Cr组成。其它与具体实施
方式一至三之一相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl 合金基体按原子百分比由51 %的Ti、45%的Al、2 %的V、2%的Mn组成。其它与具体实施
方式一至三之一相同。
具体实施方式
十二 本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是所述TiAl 合金基体按原子百分比由42% 55%的Ti、45%的A1、0 9%的V、0 9%的Nb和0. 3% 的Y组成。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一至十二之一不同的是步骤一 中TiB2/TiAl复合材料铸锭采用真空电弧熔炼技术、XD法与真空感应熔炼技术联用、真空感 应熔炼技术或等离子弧熔炼技术制成的。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十二之一相 同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一至十三之一不同的是步骤一 中所述的退火温度为900°C 1100°C。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十三之一相 同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
一至十三之一不同的是步骤一 中所述的退火温度为1000°c。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十三之一相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
一至十五之一不同的是步骤一 中所述的退火时间为10 20小时。其它步骤和参数与具体实施方式
一至十五之一相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一至十六之一不同的是步骤一 中热等静压温度为1250°C，热等静压压力为200Mpa。其它与步骤和参数与具体实施方式
一 至十六之一相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
一至是十七之一不同的是热等 静压时间4小时。其它与步骤和参数与具体实施方式
一至十七之一相同。
具体实施方式
十九本实施方式TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法按下述步骤 进行一、用真空电弧熔炼技术(熔炼时先抽真空至10_3pa，接着充氩气至104pa，翻转反复 熔炼4次，保证成分均勻)制备TiB2/TiAl复合材料铸锭，将铸锭在IlOiTC条件下，退火处 理20小时，然后在1250°C、200MPa条件下，热等静压处理4小时，其中TiB2/TiAl复合材料 铸锭由TiB2颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由TiB2和99% TiAl合金基体组 成，其中TiAl合金基体按原子百分比由46%Ti、44%Al、l%&V、4%&Nb、2%mCr、l. 5% 的Mn和1. 5%的Si组成；二、将经步骤一处理后的铸锭线切割，切割成厚度为IOmm的方形 块，磨光表面，然后等离子喷涂0. 1 μ m厚的Mo (作为隔热涂层)，在方形块表面得到等离子 喷涂层，外部用厚度为IOmm的不锈钢包套包裹(如图1所示)，缝隙真空封焊；三、然后置于 加热炉中，加热到iooo°c，并保温30分钟，然后在热轧机上进行轧制，轧制温度为loocrc， 轧制压力为500吨，轧制速度为2m/s，道次变形量为10%，道次间回炉10分钟，轧制总变形量为80%，轧制后回炉，随炉冷却至300°C，再空冷至室温；四、车削去除包套及等离子喷 涂层，表面磨平后得到厚度为2mm的TiB2/TiAl复合材料板材。制备的板材，组织致密度在 99%以上、各向同性；经900 1280°C /20 IOOh热处理后，室温和800°C抗拉强度最高分 别可达860和550MPa，800°C延伸率达到20%,800°C^P 140MPa条件下，持久性达到500h。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
十九不同的是步骤一中通过真 空感应熔炼技术制备TiB2/TiAl复合材料铸锭。其它步骤和参数与具体实施方式
十九相同。
具体实施方式
二十一本实施方式TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法按下述步 骤进行一、用等离子弧熔炼技术(熔炼时先抽真空至10_4Pa，接着充氩气至IO4Pa,每次熔 炼时间为200s，开电磁搅拌2 4min，反复熔炼6次)制备TiB2/TiAl复合材料铸锭，将 铸锭在900°C条件下，退火处理24小时，然后在1260°C、240MPa条件下，热等静压处理3小 时，其中TiB2/TiAl复合材料铸锭由TiB2颗粒增强TiAl基复合材料按体积百分比由0. 8% TiB2和99.2% TiAl合金基体组成，其中所述TiAl合金基体按原子百分比由51% Ti,44% Al、2%的V、2%Nb和1%Μο组成；二、将经步骤一处理后的铸锭线切割，切割成厚度为8mm 的方形块，磨光表面，然后等离子喷涂0. 15 μ m厚的Y2O3 (作为隔热涂层)，在方形块表面得 到等离子喷涂层，外层用厚度为5mm的钛合金包套包裹(如图1所示)，缝隙真空封焊；三、 然后置于加热炉中，加热到120(TC，并保温40分钟，然后在热轧机上进行轧制，轧制温度为 1200°C，轧制压力为300吨，轧制速度为0. 5m/s，道次变形量为20%，道次间回炉25分钟， 轧制总变形量为70%，轧制后回炉，随炉冷却至350°C，再空冷至室温四、车削去除包套及 等离子喷涂层，表面磨平后得到厚度为5mm的TiB2/TiAl复合材料板材。制得的板材，组织 致密度在99%以上、各向同性；经900 1280°C /20 IOOh热处理后，室温和800°C抗拉 强度最高分别可达880和560MPa，800°C延伸率达到20%，800°C和140MPa条件下，持久性 达到520h。具体实施方法二十二 本实施方式与具体实施方式
二十一不同的是利用XD法 (Exothemic Dispersion)制备TiB2/TiAl复合材料，并通过真空电弧熔炼技术重熔浇铸铸 锭(熔炼时先抽真空至10_4Pa，接着充氩气至IO4Pa,然后熔化浇注)。其它步骤和参数与具 体实施方式二十一相同。具体实施方法二十三本实施方式与具体实施方式
二十一不同的是利用XD法 (Exothemic Dispersion)制备TiB2/TiAl复合材料，并通过真空感应熔炼技术重熔浇铸铸 锭(熔炼时先抽真空至0. 01 lPa，接着充氩气至1000 1500Pa，反复两次，熔炼时电源频 率控制在5. 5 6. 5KHz之间，电源功率以不大于每秒0. 5KW的速度增加，并控制在150 340KW间，溶化后保温5min浇注)。其它步骤和参数与具体实施方式
二i^一相同。
权利要求
TiB2/TiAl复合材料板材，其特征在于TiB2/TiAl复合材料板材按体积百分比由0.8％～20％TiB2和余量的TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40％～55％Ti、43％～48％Al和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、Y中的一种或其中的几种组成，V在TiAl合金基体中的原子百分比≤9％，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比≤4％，Cr在TiAl合金基体中的原子百分比≤4％，Mn在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，Mo在TiAl合金基体中的原子百分比≤1％，Si在TiAl合金基体中的原子百分比≤2％，Y在TiAl合金基体中的原子百分比≤0.3％，板材厚度为0.5～6mm。
2.根据权利要求1所述的TiB2/TiAl复合材料板材，其特征在于TiB2/TiAl复合材料 板材按体积百分比由5% 15%的TiB2和余量的TiAl合金基体组成。
3.根据权利要求1或2所述的TiB2/TiAl复合材料板材，其特征在于所述TiAl合金基 体按原子百分比由49. 7%的Ti、46%的Al、2%的Nb、2%的Cr和0. 3%的Y组成。
4.如权利要求1所述的TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法，其特征在于TiB2/TiAl复 合材料板材的制备方法按下述步骤进行一、将TiB2/TiAl复合材料铸锭在80(TC 1200°C 条件下，退火处理8 24小时，然后在1200 1280°C、150 250MPa条件下，热等静压处 理3 5小时，其中TiB2/TiAl复合材料铸锭按体积百分比由0. 8% 20% TiB2和余量的 TiAl合金基体组成，其中TiAl合金基体按原子百分比由40% 55% Ti、43% 48% Al 和余量的合金元素组成，合金元素为V、Nb、Cr、Mn、Mo、Si、Y中的一种或其中的几种组成， V在TiAl合金基体中的原子百分比< 9%，Nb在TiAl合金基体中的原子百分比< 4%，Cr 在TiAl合金基体中的原子百分比彡4%, Mn在TiAl合金基体中的原子百分比彡2%, Mo 在TiAl合金基体中的原子百分比彡1%，Si在TiAl合金基体中的原子百分比彡2%，Y在 TiAl合金基体中的原子百分比< 0. 3% ；二、将经步骤一处理后的铸锭线切割，切割成厚度 为8 15mm的方形块，磨光表面，再等离子喷涂0. 05 0. 2mm厚的Mo或Y2O3，在方形块表 面得到等离子喷涂层，然后四周用厚度为4 15mm的包套包裹，缝隙真空封焊，包套材质为 不锈钢、纯钛或钛合金；三、然后置于加热炉中，加热到900 1300°C，并保温20 50分钟， 然后在热轧机上进行轧制，轧制温度为900 1300°C，轧制压力为200 600吨，轧制速度 为0. 1 4m/s，道次变形量为10 30%，道次间回炉5 30分钟，轧制总变形量为60 90%，轧制后回炉，随炉冷却至200 400°C，再空冷至室温；四、车削去除包套及等离子喷 涂层，表面磨平后得到厚度为0. 5 6mm的TiB2/TiAl复合材料板材。
5.根据权利要求4所述的TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤一中 TiB2AiAl复合材料铸锭采用真空电弧熔炼技术、XD法与真空感应熔炼技术联用、真空感应 熔炼技术或等离子弧熔炼技术制成的。
6.根据权利要求4或5所述的TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤 一中所述的退火温度为900°C 1100°C。
7.根据权利要求4或5所述的TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤 一中所述的退火温度为1000°c。
8.根据权利要求6所述的TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤一中 所述的退火时间为10 20小时。
9.根据权利要求4、5或8所述的TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法，其特征在于步骤一中热等静压温度为1250°C，热等静压压力为200MPa。
10.根据权利要求9所述的TiB2/TiAl复合材料板材的制备方法，其特征在于热等静压 时间4小时。
全文摘要
TiB2/TiAl复合材料板材及其制备方法，它涉及颗粒增强TiAl基复合材料板材及其制备方法。本发明制备的TiAl基复合材料板材，组织均匀细小、各向同性、污染小，具有较高的断裂韧性和高温强度，制备周期短、材料利用率高、成本低。TiB2/TiAl复合材料板材由TiB2和TiAl合金基体组成。制备方法一、制备铸锭，退火，热等静压；二、切割成方形块，磨光表面，等离子喷涂，包裹并真空封焊；三、轧制板材；四、车削去除包套，表面磨平减薄后得到TiB2/TiAl复合材料板材。本发明TiB2/TiAl复合材料板材即可用在超高速飞行器的翼和壳体部位，也可用于制作装甲的防护瓦。
文档编号C22F1/18GK101880793SQ20101022229
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者孔凡涛, 牛红志, 田竟, 陈玉勇 申请人:哈尔滨工业大学