高铌钛铝合金材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种钛合金材料及其制备方法，尤其涉及一种高铌钛铝合金及其制备方法，属于冶金技术领域。

背景技术：

钛铝合金密度低、高温强度高、刚度和弹性模量大及较好的抗氧化性、抗蠕变性和抗疲劳性能等优点，在航空、航天及汽车领域是一种极具竞争力的高温结构材料，通过科学家不断实验证明，钛铝合金中加入铌是提高合金高温性能最有效的方法，高铌TiAl金属间化合物经过近年来的研究，在相图、抗氧化性和组织与性能等方面的研究取得了一系列重要的进展，其优异的高温性能而受到广泛的关注。

高含量难熔金属铌元素的加入使合金的熔点较普通钛铝合金提高约60～100℃，铌元素的固溶强化，使其900℃的屈服强度较普通钛铝合金高150～200Mpa，高熔点铌的加入同时降低了扩散系数，改善了抗氧化性，是最具有应用潜力的新一代高温结构材料。

但是高铌的加入带来优越的高温性能的同时，也增加了合金的制备的难度，因为合金熔点、高温强度大幅度提高必然要提高合金的熔炼温度和热加工温度，高铌钛铝基合金作为新一代高温结构材料的研究开发目前尚处于起步阶段。

目前普通钛铝基合金的制备工艺主要铸锭冶金工艺，CN 1958817A公开了一种以元素粉末和合金粉末为原料，采用放电等离子烧结技术合成制备高铌钛铝合金，其合金粉末的成分为：Al含量为45％～46％，Nb含量为8％～10％，C含量为0～0.2％，W含量为0～0.2％，余量为Ti；该方法能实现快速烧结制备高铌钛铝合金，但该方法需要在轴向加高压，并且要在真空条件或惰性条件下进行，成本相对较高。

《GB/T 3620.1-2007钛及钛合金牌号和化学成分》公开了现有钛合金的种类及各钛合金中的化学成分，其中铌钛铝合金Ti-6Al-7Nb，Al含量5.5～6.5，Nb含量6.5～7.5，其它元素含量0.40，余量为Ti，钛的含量较高，因而合金的密度也较高。

查阅相关文献及专利未见采用电铝热还原法制备高铌钛铝合金的报道。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高铌钛铝合金材料，该高铌钛铝合金密度低，成本低。

为解决第一个技术问题，本发明的技术方案为：高铌钛铝合金材料，所述高铌钛铝合金材料含有：55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al和5～15重量份的Nb。

进一步地，所述高铌钛铝合金材料由55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al、5～15重量份的Nb、1.5～1.8重量份的氧和0.8～1.2重量份的其它杂质组成。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种上述高铌钛铝合金材料的制备方法，该方法工艺简单，合成成本低。

为解决第二个技术问题，本发明的技术方案为：高铌钛铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

a.配料：取钛白粉27.3～30重量份、铝粉24.6～30.3重量份、氧化钙23.5～28.5重量

份、氟化钙14.3～20重量份，五氧化二铌3～8重量份；

b.混匀：将a步骤配好的料混合均匀；

c.焙烧：将b步骤混匀的原料焙烧，焙烧温度1450～1600℃，焙烧时间10～40min；

d.冷却：将c步骤焙烧后的原料冷却，实现高铌钛铝合金和熔渣的有效分离。

优选地，b步骤采用球磨机混合均匀。

优选地，c步骤在马弗炉中进行焙烧。

优选地，d步骤在空气气氛下自然冷却。

进一步地，b步骤采用球磨机混合均匀的球磨时间20～60min。

优选地，c步骤焙烧温度1500℃-1600℃。

优选地，c步骤焙烧时间10～30min。

进一步地，钛的收率90％以上，铌的收率95％以上，合金收率80％以上。

本发明的有益效果：

本发明的高铌钛铝合金材料铝的含量高，钛的含量低，合金的密度较低，原料成本低，应用于航空领域更节能。

本发明的高铌钛铝合金材料的制备方法，以钛的氧化物、铌的氧化物为原料，电铝热一步还原合成制备高铌钛铝合金，可以降低生产成本、缩短工艺流程，具有较大的现实意义，目前还未见相关领域的报道，具有较大的创新性。此外，本发明可在空气中冷却，不需要真空或惰性气体保护，冷却后熔渣与合金易分离，制得的合金的杂质含量低。

相对于传统制备高铌钛铝合金材料的方法，该方法具有成本低、工艺和设备要求简单、原料来源广的优点。

附图说明

图1为高铌钛铝合金材料制备方法的流程图；

图2高铌钛铝合金材料样品图。

具体实施方式

1、高铌钛铝合金材料，所述高铌钛铝合金材料含有：55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al和5～15重量份的Nb。

进一步地，所述高铌钛铝合金材料由55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al、5～15重量份的Nb、1.5～1.8重量份的氧和0.8～1.2重量份的其它杂质组成。

2、高铌钛铝合金材料的制备方法，如图1本发明高铌钛铝合金材料制备方法的流程图所示，包括如下步骤：

a.配料：取钛白粉27.3～30重量份、铝粉24.6～30.3重量份、氧化钙23.5～28.5重量份、氟化钙14.3～20重量份，五氧化二铌3～8重量份；

b.混匀：将a步骤配好的料混合均匀；

c.焙烧：将b步骤混匀的原料焙烧，焙烧温度1450～1600℃，焙烧时间10～40min；

d.冷却：将c步骤焙烧后的原料冷却，实现高铌钛铝合金和熔渣的有效分离。

如图2本发明制备的高铌钛铝合金材料样品图所示，d步骤冷却后，渣在高铌钛铝合金表面，且颜色与高铌钛铝合金不同，能够容易的将渣和高铌钛铝合金分开，制得的合金的杂质含量低，渣的成分主要为CaO-Al₂O₃-CaF₂。

为保证原料粉末的充分混匀，优选地，b步骤采用球磨机混合均匀，球磨机能在混匀原料的同时，还将原料进一步磨碎。

为更好的控制焙烧温度，优选地，c步骤在马弗炉中进行焙烧，也可选用其它能控制温度的焙烧炉。

采用本发明的方法制备高铌钛铝合金材料，金属团会聚集在一起，形成块状，被熔渣包裹，可以起到隔绝空气的作用，因而d步骤可在空气气氛下自然冷却就能实现渣和高铌钛铝合金的分离，节约成本，也可根据生产需要选择其它冷却方式。

进一步地，b步骤采用球磨机混合均匀的球磨时间20～60min。

优选地，c步骤焙烧温度1500℃-1600℃。

优选地，c步骤焙烧时间10～30min。

进一步地，钛的收率90％以上，铌的收率95％以上，合金收率80％以上。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

称取钛白粉27.3重量份，铝粉24.5重量份，CaO 23.5重量份，CaF₂ 14.2重量份，Nb₂O₅5.5重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨20min。混料后得到的样品放入马弗炉内1560℃进行焙烧，焙烧时间为20min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到高铌钛铝合金和渣。

测量得到的高铌钛铝合金材料的主要化学成分为：56.5重量份Ti、27.2重量份Al、13.5重量份Nb、1.5重量份O、其他0.8重量份；计算钛收率为94％，铌收率96％，合金收率为80％。

实施例2

称取钛白粉30.0重量份，铝粉24.5重量份，CaO 28.5重量份，CaF₂ 14.2重量份，Nb₂O₅3.0重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨1h。将混合好的原料加入刚玉坩埚内，然后混料后得到的样品放入马弗炉内1500℃进行焙烧，焙烧时间为30min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到高铌钛铝合金和渣。

测量得到的高铌钛铝合金材料的主要化学成分为：62.5重量份Ti、31.25重量份Al、6.25重量份Nb、1.8重量份O、其他1.2重量份；计算钛收率为90％，铌收率97％，合金收率为82％。

实施例3

称取钛白粉27.3重量份，铝粉27重量份，CaO 26.5重量份，CaF₂ 20重量份，Nb₂O₅ 8重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨20min。混料后得到的样品放入马弗炉内1450℃进行焙烧，焙烧时间为40min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到高铌钛铝合金和渣。

测量得到的高铌钛铝合金材料的主要化学成分为：57.2重量份Ti、35.3重量份Al、5.5重量份Nb、1.5重量份O、其他1.1重量份；计算钛收率为93％，铌收率97％，合金收率为81％。

实施例4

称取钛白粉27.3重量份，铝粉30重量份，CaO 24.5重量份，CaF₂ 17重量份，Nb₂O₅ 8重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨20min。混料后得到的样品放入马弗炉内1600℃进行焙烧，焙烧时间为10min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到高铌钛铝合金和渣。

测量得到的高铌钛铝合金材料的主要化学成分为：55.2重量份Ti、35.2重量份Al、15重量份Nb、0.8重量份O、其他1.2重量份；计算钛收率为96％，铌收率95％，合金收率为83％。