一种原位亚微米颗粒增强细晶高强TiAl合金的制备方法与流程

本发明涉及一种原位亚微米颗粒增强细晶高强tial合金的制备方法。

背景技术：

随着航空航天飞行器的速度越来越快，飞行器表面与空气摩擦导致的温升越来越高，部分热区温度已经超越了超过了传统的铝合金和钛合金使用温度，高温合金的耐高温能力达1100℃，但是其密度大，用于航空航天器不符合轻量化的趋势，迫切需要一种新型的轻质薄板结构材料作为飞行器表面热区蒙皮。同时随着对推力和节油降耗的不断追求，发动机推重比的提高对飞机的性能提升有重要意义，而结构减重是提升发动机推重比的重要手段。tial合金具有比强度高、比刚度高、抗氧化性好、密度不到高温合金一半，高温强度和塑性均衡等优点，是极具潜力应用于飞行器热区蒙皮、航空发动机热端部件的新一代轻质高温结构材料。

但是tial合金具有本征脆性，室温下的塑性仅有0.5％～4％，塑性加工的能力差。通过直接铸造的方法制备出的tial合金组织粗大、偏析严重、缩孔、缩松等铸造缺陷进一步恶化了tial的力学性能。采用塑性加工的方法能够破碎tial的粗大组织、细化晶粒、致密组织，提升性能。但是一般需要在1000℃以上的高温环境进行，tial坯料必须包套以防氧化并施加外加压应力。在塑性加工过程中难以做到均匀变形，造成tial合金的组织性能不均匀。粉末冶金法是将tial合金粉末通过烧结致密化后形成特定形状的致密tial合金，其中通过热等静压(hip)方法可以将烧结与致密化合在一起进行，减少了工艺步骤。粉末冶金的方法具有节省材料、组织细小均匀的特点。但是粉末冶金法制备粉末的过程中由于粉末比表面积大，造成氧含量偏高，从而恶化tial合金塑性。

稀土y元素具有高的化学活性，低氧势，易于和氧元素发生反应生成氧化物。已有相关研究在铸造tial合金中加入y元素。但是在熔炼过程中由于炉料中的氧含量有限，不能够与y元素结合生成颗粒状的氧化物，而是形成微米级的网状脆性相al2y，这种网状脆性相会分割基体，在受到应力状态下易断裂从而恶化材料的力学性能。现有ti43al9v0.3y合金的室温强度和塑性分别为500mpa～530mpa和0.5％～1％，700℃下强度和塑性分别达到450mpa～500mpa和5％～7％；ti43al2cr2mn0.2y铸态合金室温强度和塑性仅有450mpa和0.57％，700℃下强度和塑性分别为496mpa和10％。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决tial合金室温和高温力学性能低以及塑性差的问题，提供了一种原位亚微米颗粒增强细晶高强tial合金的制备方法。

本发明一种原位亚微米颗粒增强细晶高强tial合金的制备方法是按以下步骤进行的：

一、采用惰性气体雾化法将ti43al9v0.3y的预合金锭制成微米级tial合金粉末，过筛；

二、将不锈钢薄板焊接为圆柱筒，把过筛后的tial合金粉末填充进圆柱筒，压实，抽真空，然后充入氩气，反复洗气，在5×10^-1pa/450℃高真空条件下除气15～20h，然后进行封焊；

三、将封焊后的圆柱筒放入热等静压炉中，在高温、高压和惰性气氛下进行烧结和致密化过程，得到致密的tial合金。

本发明的有益效果：

本发明结合稀土y元素和粉末冶金方法，利用y元素对o元素的高化学活性，克服了粉末冶金法固有的高氧含量缺点，降低了基体氧含量，提升了塑性；利用原位自生的亚微米y2o3颗粒细化了晶粒组织；利用弥散分布亚微米y2o3颗粒阻碍了位错的滑移。最终大幅提升了tial合金的室温和高温力学性能，缩短了工艺过程，为tial合金在实际中的应用打下了良好的基础。热等静压(hip)态的tial合金的室温拉伸强度和塑性分别达到793mpa～950mpa和1.52％～2.5％，700℃下的高温拉伸强度仍然高达664mpa～680mpa，塑性大幅增加，达到9.2％～13.5％。与铸态tial合金相比，本发明tial合金室温强度和塑性分别增加约50％和52％；700℃高温拉伸强度和塑性分别增加32.8％和31.4％。

本发明tial合金的室温强度和塑性、高温强度和塑性均有明显提升。合金中稀土y元素的存在消耗了基体中的o含量，提升了基体的塑性。而且y元素与o元素形成的亚微米y2o3颗粒均匀弥散分布于组织中，这些颗粒物在合金烧结致密化过程中可以充当再结晶的晶核，从而细化晶粒，最终得到了平均晶粒直径9μm的细小组织，获得了细晶强化的效果。同时这些亚微米颗粒物在材料发生塑性变形过程中，阻碍了位错的滑移，进而提高了材料的室温和高温强度，获得了弥散强化的效果。

附图说明

图1为热等静压态tial合金放大3000倍后的扫描电镜照片；

图2为热等静压态tial合金放大10000倍后的扫描电镜照片；

图3为实施例1中拉伸试验采用片状试样；

图4为实施例1中instron5569电子万能试验机照片；

图5为实施例1中ag-xplus电子万能试验机照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种原位亚微米颗粒增强细晶高强tial合金的制备方法是按以下步骤进行的：

一、采用惰性气体雾化法将ti43al9v0.3y的预合金锭制成微米级tial合金粉末，过筛；

二、将不锈钢薄板焊接为圆柱筒，把过筛后的tial合金粉末填充进圆柱筒，压实，抽真空，然后充入氩气，反复洗气，在5×10^-1pa/450℃高真空条件下除气15～20h，然后进行封焊；

三、将封焊后的圆柱筒放入热等静压炉中，在高温、高压和惰性气氛下进行烧结和致密化过程，得到致密的tial合金。

本实施方式的有益效果：

本实施方式结合稀土y元素和粉末冶金方法，利用y元素对o元素的高化学活性，克服了粉末冶金法固有的高氧含量缺点，降低了基体氧含量，提升了塑性；利用原位自生的亚微米y2o3颗粒细化了晶粒组织；利用弥散分布亚微米y2o3颗粒阻碍了位错的滑移。最终大幅提升了tial合金的室温和高温力学性能，缩短了工艺过程，为tial合金在实际中的应用打下了良好的基础。热等静压(hip)态的tial合金的室温拉伸强度和塑性分别达到793mpa～950mpa和1.52％～2.5％，700℃下的高温拉伸强度仍然高达664mpa～680mpa，塑性大幅增加，达到9.2％～13.5％。与铸态tial合金相比，本发明tial合金室温强度和塑性分别增加约50％和52％；700℃高温拉伸强度和塑性分别增加32.8％和31.4％。

本实施方式tial合金的室温强度和塑性、高温强度和塑性均有明显提升。合金中稀土y元素的存在消耗了基体中的o含量，提升了基体的塑性。而且y元素与o元素形成的亚微米y2o3颗粒均匀弥散分布于组织中，这些颗粒物在合金烧结致密化过程中可以充当再结晶的晶核,从而细化晶粒，最终得到了平均晶粒直径9μm的细小组织，获得了细晶强化的效果。同时这些亚微米颗粒物在材料发生塑性变形过程中，阻碍了位错的滑移，进而提高了材料的室温和高温强度，获得了弥散强化的效果。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中惰性气体雾化法是在氩气气氛下进行的。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或二不同的是：步骤一中tial合金粉末的氧增量不大于150ppm。其它与具体实施方式一或二相同。

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：过筛后的tial合金粉末直径小于100μm。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四之一不同的是：步骤二中不锈钢薄板的厚度为2～5mm。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中洗气的次数为5次。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中是在1200℃～1300℃、120mpa～160mpa和惰性气氛下进行3～6h。其它与具体实施方式一至六之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：本发明一种原位亚微米颗粒增强细晶高强tial合金的制备方法是按以下步骤进行的：

一、采用惰性气体雾化法(piga)，熔融ti43al9v0.3y金属液，在雾化器里经由超音速氩气流的冲击，碎裂并在表面张力作用下冷却为微米级的球形金属粉末，过筛,粉末直径在100μm以下；

二、将厚度为2～5mm不锈钢薄板焊接为圆柱筒，把过筛后的tial合金粉末填充进圆柱筒，压实，抽真空，然后充入氩气，反复洗气5次，在5×10^-1pa/450℃高真空条件下除气15h，然后进行封焊；

三、将封焊后的圆柱筒放入热等静压炉中，在1200℃～1300℃、120mpa～160mpa和惰性气氛下烧结和致密化过程3～6h，待圆筒冷却至500℃以下时取出圆筒，得到致密的tial合金。

成分测试：对热等静压后的tial锭取样，线切割为22mm*22mm*10mm的矩形方块，经过60、400、800、2000目砂纸打磨至表面光滑，在无水乙醇中超声清洗3次，用xrf测量合金实际元素原子百分比，合金实际测得的原子百分比范围为：ti:46％～48％、al:41％～45％、v:6％～9％、y:0.3～0.5％。

对热等静压(hip)后的tial合金组织进行扫描电镜观察和能谱分析，图1为热等静压态tial合金放大3000倍后的扫描电镜照片，组织是由块状的γ相、b2相和弥散分布的亚微米颗粒增强相构成，图2为热等静压态tial合金放大10000倍后的扫描电镜照片，能够更清晰地看到析出物的亚微米尺度和析出物形貌，可以观察到合金的组织细小均匀，晶粒呈现出均匀的块状形貌，平均直径约为9μm，大大低于铸造tial合金的200μm～1500μm。组织内弥散分布于亚微米尺寸的颗粒物，颗粒物的直径从几十纳米到几微米之间，经过eds能谱分析显示(表1)，这种颗粒析出物主要含有o元素和y元素，且o和y的原子百分比接近于3：2，因此可以确定tial合金组织内弥散分布的亚微米颗粒析出物是y2o3。

表1颗粒析出物eds元素成分分析结果

拉伸试验：如图3所示，拉伸试验采用片状试样。如图4所示，在instron5569电子万能试验机上测试室温拉伸性能，拉伸速率0.1mm/min，片状试样沿拉伸轴向贴应变片，以提高室温状态下应变测量的精确性；如图5所示，在ag-xplus电子万能试验机上测试700℃高温拉伸性能，拉伸速率0.5mm/min，高温拉伸无需应变片。室温和700℃高温下各组测试6个拉伸试样以确保结果具有统计学意义，结果如表2所示，热等静压(hip)态的tial合金的室温拉伸强度和塑性分别达到793mpa～950mpa和1.52％～2.5％，700℃下的高温拉伸强度仍然高达664mpa～680mpa，塑性大幅增加，达到9.2％～13.5％。

表2本发明tial合金与铸态tial合金的力学性能

与铸态tial合金相比，本发明tial合金室温强度和塑性分别增加约50％和52％；700℃高温拉伸强度和塑性分别增加32.8％和31.4％。本发明tial合金的室温强度和塑性、高温强度和塑性均有明显提升。合金中稀土y元素的存在消耗了基体中的o含量，提升了基体的塑性。而且y元素与o元素形成的亚微米y2o3颗粒均匀弥散分布于组织中，这些颗粒物在合金烧结致密化过程中可以充当再结晶的晶核，从而细化晶粒，最终得到了平均晶粒直径9μm的细小组织，获得了细晶强化的效果。同时这些亚微米颗粒物在材料发生塑性变形过程中，阻碍了位错的滑移，进而提高了材料的室温和高温强度，获得了弥散强化的效果。