一种具有双峰分布特征的TiAl混晶结构合金及制法的制作方法

本发明涉及金属合金领域，具体涉及一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金及制法。

背景技术：

通过对材料微观结构的多级构筑，比如制备多尺度微观组织（双峰、多峰晶粒尺寸分布）、层片结构、梯度结构等，能够获得组织致密且具有良好强度-塑性配合的tial合金粉末冶金材料，并提高材料的综合力学性能，从而充分发挥金属结构材料的应用价值。但考虑到材料性能的调控效果和制备技术的易行性，在诸多的微观构型中，双峰晶粒尺寸分布的组织结构具有较高的实用性，引起了国内外研究者们的广泛关注。双峰tial合金材料是一种将粗晶嵌入到亚微米晶或超细晶tial合金基体中得到的复合结构。其晶粒尺寸服从统计学中的双峰分布，从而获得强度与韧性兼备的多尺度tial合金。近些年来，很少有研究者在双峰tial合金材料的制备和力学性能方面做研究。

tial基合金相对于钛合金和镍基合金而言，tial基合金室温比模量、比强度高，在600-750℃具有良好的抗蠕变性能，650-850℃抗氧化性能和高温强度与镍基高温合金相当，但其密度却远小于镍基高温合金。tial合金已用于制备了一些发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车避震器等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。例如，ge公司在ge90发动机中用tial合金叶片代替了部分镍基高温合金叶片，减轻了发动机重量约200千克。日本丰田公司利用粉末冶金方法生产的ti合金排气阀已用于试验生产，发动机能耗降低5%~8%，中科院金属研究所开发出的tial合金叶片精密铸造技术，也将应用于我国首款商用航空发动机长江-1000。

tial合金的制备技术主要有铸造，铸锭冶金、粉末冶金等。粉末冶金法既能够获得晶粒细小、组织均匀、各向同性、热加工性能良好且无宏观偏析、缩孔等缺陷的的合金，有效提高材料的综合性能，又能实现零件近净成形，从而避免因室温塑性差引起的难加工问题。但是，现有技术中的粉末冶金法制备tial基合金，主要通过两种方法提高tial合金强度，一是合金化，添加nb、mo、w等元素提高强度，添加cr、mn、v等元素提高塑性。二是热等静压烧结提高tial合金致密度，进而提高tial合金强度。这两种方法相对铸锭冶金法和铸造法对tial合金高温性能提高有限，且成本较高，离大规模工业化生产还有一定距离。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金及制法，制备的具有双峰分布特征的tial混晶结构合金是通过高能球磨结合热压烧结技术得到的，实现了双峰tial合金的有效、可控制备。其特点是高温力学强度较高，抗氧化性能较好，具有良好组织结构的tial基合金。

本发明的一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金，其组分和重量百分比如下：ti49.7%～67.8%；al28.5%～38.2%；nb0.1%～12%；cr0.1%～6.7%。

本发明的一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金的制备方法，步骤和条件如下：

（1）取tial预合金粉末，组分和重量百分比如下：ti49.7%～67.8%；al28.5%～38.2%；nb0.1%～12%；cr0.1%～6.7%，粒度在30μm～150μm之间；在球磨罐中加入不锈钢钢球，将tial预合金粉末装入球磨罐中球磨；钢球和粉末质量比为5～20：1，小不锈钢钢球直径为10mm,大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为1～3：1，球磨速度400r/min～600r/min，球磨时间为20h～30h；球磨后得到粒度在0.1μm～6μm之间的细粉；

（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按步骤（1）得到的细粉的质量占细粉和tial预合金粉末总质量的20%～60%的配比，将细粉和tial预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合，其中不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：0.5～3，球磨速度100r/min～300r/min，球磨时间为10min～60min；得到混合粉末；

（3）将步骤（2）得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10^-4pa～20pa条件下，加热至300℃～600℃，采用的热压压力为10mpa～30mpa，加压时间为5min～60min，加压形成坯体；

将真空热压炉继续升温至1100℃～1350℃，采用的热压压力为20mpa～50mpa，保温保压0.5h～4h，关掉电源，热压件冷却至100℃～300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的tial混晶结构合金。

本发明提供一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金可用于制造发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车排气阀等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。

有益效果：本发明提供一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金及制法，制备的具有双峰分布特征的tial混晶结构合金是通过高能球磨结合热压烧结技术得到的，实现了双峰tial合金的有效、可控制备。其特点是高温力学强度较高，抗氧化性能较好，具有良好组织结构的tial基合金。且本发明制备的具有双峰分布特征的tial混晶结构合金具有微细晶粒γ+α2/γ双态组织和粗晶粒单相γ组织，在950℃，应变速率为2×10^-4s^-1时压缩强度为可达到达到300mpa～350mpa。本发明提供一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金可用于制造发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车排气阀等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。

附图说明

图1是实施例3的tial预合金粉末的扫描电镜形貌图。

图2是实施例3的tial预合金粉末球磨后的扫描电镜形貌图。

图3是实施例3的得到的tial合金的扫描电镜形貌图。

具体实施方式

实施例是本发明的典型例子，用于本领域科研技术人员理解本发明，但本发明并不局限于这些实施实例。

实施例1一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：

（1）取tial预合金粉末，tial预合金粉末粒度在30μm～150μm之间，其组分和重量百分比如下：ti67.8%；al32%；nb0.1%；cr0.1%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将tial预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为20：1，小不锈钢钢球直径为10mm,大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为3：1；速度600r/min，时间为30h；球磨后得到的细粉粒度在0.1μm～3μm之间；

（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的60%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：3；速度300r/min，时间为10min。

（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为20pa条件下，加热至600℃，采用的热压压力为30mpa，时间为5min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1350℃，采用的热压压力为30mpa，保温保压0.5h，关掉电源，热压件冷却至300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的tial混晶结构合金。

一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金可用于制造发动机部件、框架、飞机转子、涡轮机叶片及汽车排气阀等部件，是替代镍基高温合金的理想轻质结构材料之一。

实施例2一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：

（1）取tial预合金粉末，tial预合金粉末粒度在30μm～150μm之间，其组分和重量百分比如下：ti52.8%；al28.5%；nb12%；cr6.7%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将tial预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为5：1，小不锈钢钢球直径为10mm,大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为1：1；速度400r/min，时间为20h；球磨后得到的细粉粒度在3μm～6μm之间；

（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的20%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：0.5；速度100r/min，时间为60min。

（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10^-4pa条件下，加热至300℃，采用的热压压力为10mpa，时间为60min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1100℃，采用的热压压力为50mpa，保温保压4h，关掉电源，热压件冷却至100℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的tial混晶结构合金。

实施例3一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：

（1）取tial预合金粉末，tial预合金粉末粒度在30μm～150μm之间，其组分和重量百分比如下：ti59.2%；al33.3%；nb4.8%；cr2.7%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将tial预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为10：1，小不锈钢钢球直径为10mm,大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为2：1；速度550r/min，时间为25h；球磨后得到的细粉粒度在0.5μm～2μm之间；

（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的40%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：2；速度230r/min，时间为15min。

（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为10^-1pa条件下，加热至400℃，采用的热压压力为20mpa，时间为30min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1200℃，采用的热压压力为30mpa，保温保压1h，关掉电源，热压件冷却至200℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的tial混晶结构合金。

图1是实施例3的tial预合金粉末的扫描电镜形貌图。

图2是实施例3的tial预合金粉末球磨后的扫描电镜形貌图。

图3是实施例3的得到的tial合金的扫描电镜形貌图。

实施例4一种具有双峰分布特征的tial混晶结构合金及制法，步骤和条件如下：

（1）取tial预合金粉末，tial预合金粉末粒度在30μm～150μm之间，其组分和重量百分比如下：ti49.7%；al38.2%；nb12%；cr0.1%，在球磨罐中加入不锈钢钢球，将tial预合金粉末装入球磨罐中；钢球和粉末质量比为10:1，小不锈钢钢球直径为10mm,大不锈钢钢球直径为15mm；小不锈钢球和大不锈钢钢球数量比为3：1；速度600r/min，时间为30h；球磨后得到的细粉粒度在0.5μm～3μm之间；

（2）在球磨罐中加入不锈钢钢球，按比例将细粉和预合金粉末粗粉装入球磨罐中混合；其中细粉质量占细粉和粗粉总质量的30%，不锈钢钢球直径为15mm；钢球和粉末的质量比为1：2；速度300r/min，时间为10min。

（3）将步骤二得到的混合粉末置入模具中，在真空热压炉中烧结，真空度为20pa条件下，加热至600℃，采用的热压压力为30mpa，时间为5min，加压形成坯体；将真空热压炉继续升温至1350℃，采用的热压压力为50mpa，保温保压0.5h，关掉电源，热压件冷却至300℃，将热压件从真空热压炉中取出，自然冷却至室温，去模具，得到具有双峰分布特征的tial混晶结构合金。