一种钛铝零件的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛铝零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纯Ti粉末、纯Al粉末、纯M粉末混合均匀，混合粉末通过拉瓦尔管的加热压缩气体加速，以低温、高速和完全固态形式撞击基体表面，粒子经扁平化大变形及表面氧化膜大规模破碎化后逐层沉积，制备出冷喷涂构件；(2)采用梯度热等静压，分别在低温阶段、高温阶段和中温阶段连续处理步骤(1)所得的冷喷涂构件，即得钛铝零件；所述M为Cr、W、V、Mo、Ta、Mn、Fe、Zr、Re、Sn、C、Si、TiB

A preparation method of titanium aluminum parts

【技术实现步骤摘要】
一种钛铝零件的制备方法
本专利技术涉及一种钛铝零件的制备方法，属于材料

技术介绍
钛铝金属间化合物作为一种性能优异的高温轻质结构材料已在航空、航天、汽车等领域得到初步应用，显示出巨大的性能优势、环保效益及经济效益。但钛铝金属间化合物本征脆性导致其难加工成形，限制了其进一步的大规模应用。目前钛铝零件的制造方法主要有精密铸造、等温模锻、热等静压、激光选区熔化和电子束选区熔化等。精密铸造制造钛铝零件组织粗大，易产生缩松缩孔，且零件性能和成品率低。等温模锻制造钛铝零件工艺复杂，成本高效率低。热等静压制造钛铝零件控形模具难加工，且致密化成形零件后其也难去除。激光选区熔化制造钛铝零件内部裂纹难以控制。电子束选区熔化制造钛铝零件性能稳定性差，易产生层间偏析。综上所述，开发一种新型的钛铝零件制造方法，解决钛铝零件难加工成形的问题，实现钛铝零件大规模工业化应用，是当前急需解决的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种钛铝零件的制备方法，该方法成本低、效率高、易加工成形、易原位合成，制备得到的钛铝零件致密度高、尺寸精度好，零件氧含量低、组织细小、性能优异。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种钛铝零件的制备方法，包括以下步骤：(1)将纯Ti粉末、纯Al粉末、纯M粉末混合均匀，混合粉末通过拉瓦尔管的加热压缩气体加速，以低温、高速和完全固态形式撞击基体表面，粒子经扁平化大变形及表面氧化膜大规模破碎化后逐层沉积，制备出冷喷涂构件；r>(2)采用梯度热等静压，分别在低温阶段、高温阶段和中温阶段连续处理步骤(1)所得的冷喷涂构件，即得钛铝零件；所述M为Cr、W、V、Mo、Ta、Mn、Fe、Zr、Re、Sn、C、Si、TiB2中的至少一种。本专利技术采用一种压力和温度耦合作用的热等静压技术处理冷喷涂构件，使原位合成在压力的约束下进行，可有效约束宿松化倾向，避免大量孔隙的产生，进而获得全致密、力学性能优异的钛铝零件，极大地推动钛铝金属间化合物的工程化应用。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，纯Ti粉末的粒径为5～30μm，在混合粉末中的原子百分比为45％～55％；纯Al粉末的粒径为5～50μm，在混合粉末中的原子百分比为42％～49％；纯M粉末的粒径为0.5～10μm，在混合粉末中的原子百分比为1％～10％；粉末混合的方式为机械混合。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，压缩气体为氦气、氮气或氦气氮气混合气体，压力为1～25MPa，温度为100～650℃，拉瓦尔管出口与冷喷涂构件的表面距离为10～80mm。优选地，所述加热压缩气体为氦气，所述拉瓦尔管出口与冷喷涂构件的表面距离为20～40mm，以使粒子获得更高的撞击速度。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，撞击基体表面的温度为90～640℃，速度为300～1500m/s。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，冷喷涂构件的致密度不小于90.6％，冷喷涂构件中Ti颗粒扁平化大变形，平行于沉积面尺寸X与沿沉积层堆积方向尺寸Y的比值不小于3；冷喷涂构件中Al颗粒扁平化大变形，平行于沉积面尺寸X与沿沉积层堆积方向尺寸Y的比值不小于5。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中，冷喷涂构件中Ti颗粒表面氧化膜大规模破碎裸露新鲜表面的比例不小于75％，冷喷涂构件中Al颗粒表面氧化膜大规模破碎裸露新鲜表面的比例不小于70％。本专利技术采用冷喷涂工艺低成本、高效率制备出具有适合高温原位合成的特殊微结构的Ti和Al混合构件。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，冷喷涂构件采用梯度热等静压处理，先将压力升至设定值，再将温度升至低温阶段并保温保压处理冷喷涂构件，然后再将温度快速升至高温阶段并保温保压继续处理冷喷涂构件，最后再将温度降至中温阶段并保温保压连续处理冷喷涂构件。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述压力的设定值为100～200MPa；所述低温阶段的温度为610～658℃，保温保压的时间为0.5～1h；快速升至高温阶段的升温速率为20～50℃/min，所述高温阶段的温度为1150～1350℃，保温保压的时间为0.2～1.5h；所述中温阶段的温度为800～1000℃，保温保压的时间为8～24h。优选地，所述压力的设定值为150～180MPa，所述低温阶段的温度为645～655℃，快速升至高温阶段的升温速率为30～50℃/min；所述高温阶段的温度为1200～1300℃，保温保压的时间为0.2～1h；所述中温阶段的温度为850～950℃，保温保压的时间为8～24h。以获得组织致密及形状精度好的TiAl零件。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，低温阶段处理后冷喷涂构件中单质Al的原子百分比为3％～15％。本专利技术采用一种压力与温度耦合作用的梯度热等静压工艺处理冷喷涂构件，使原位合成在压力约束下进行，并控制分配低温原位合成和高温原位合成中纯铝的参与量，达到既不使高温原位合成中因大量纯铝熔化而使构件急剧软化影响构件尺寸精度，又使有少量的纯铝液参与高温原位合成细化最终零件组织，提高力学性能。即：热等静压低温阶段处理后构件中单质Al的原子百分比为3％～15％。作为本专利技术所述的钛铝零件的制备方法的优选实施方式，所述步骤(2)中，高温阶段处理后冷喷涂构件中单质Ti的原子百分比小于0.5％，高温阶段处理后冷喷涂构件中单质Al的原子百分比小于0.1％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)成本低、效率高、易于加工成形，纯Ti、纯Al和纯M粉末价格低，且易于冷喷涂成形，生产效率极高，每小时可制备20kg以上材料，避免了采用价格高昂且难加工成形的TiAl金属间化合物直接制造零件；(2)易原位合成，Ti和Al颗粒经扁平化大变形后表面氧化膜大规模破除及内部位错密度增加和晶粒细化，有利于后续热等静压处理过程中原位合成TiAl金属间化合物；(3)零件致密度高、尺寸精度好，软硬结合的混合粉末冷喷涂制备的构件致密度高，且构件在后续热等静压处理过程中经高温高压耦合作用可进一步提高致密度，另压力可对构件几何形状起到有效约束作用，防止原位合成过程中因应力产生变形，保证最终零件尺寸精度；(4)零件氧含量低、组织细小、性能优异，冷喷涂粒子温度低、速度高可有效避免粒子的氧化及撞击过程中破碎粒子表面氧化膜，降低氧含量，提高零件性能；热等静压原位合成过程中，低温阶段保留一定量纯Al，快速升温至高温阶段，使一定量Al液参与原位反应，细化晶粒，进一步提高零件性能。附图说明图1为实施例1中冷喷涂构件的微观组织图。图2为实施例1中钛铝零件的微观组织图。图3为实施例2中冷喷涂构件的微观组织图。...

【技术保护点】
1.一种钛铝零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将纯Ti粉末、纯Al粉末、纯M粉末混合均匀，混合粉末通过拉瓦尔管的加热压缩气体加速，以低温、高速和完全固态形式撞击基体表面，粒子经扁平化大变形及表面氧化膜大规模破碎化后逐层沉积，制备出冷喷涂构件；/n(2)采用梯度热等静压，分别在低温阶段、高温阶段和中温阶段连续处理步骤(1)所得的冷喷涂构件，即得钛铝零件；/n所述M为Cr、W、V、Mo、Ta、Mn、Fe、Zr、Re、Sn、C、Si、TiB

【技术特征摘要】
1.一种钛铝零件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯Ti粉末、纯Al粉末、纯M粉末混合均匀，混合粉末通过拉瓦尔管的加热压缩气体加速，以低温、高速和完全固态形式撞击基体表面，粒子经扁平化大变形及表面氧化膜大规模破碎化后逐层沉积，制备出冷喷涂构件；
(2)采用梯度热等静压，分别在低温阶段、高温阶段和中温阶段连续处理步骤(1)所得的冷喷涂构件，即得钛铝零件；
所述M为Cr、W、V、Mo、Ta、Mn、Fe、Zr、Re、Sn、C、Si、TiB2中的至少一种。


2.如权利要求1所述的钛铝零件的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，纯Ti粉末的粒径为5～30μm，在混合粉末中的原子百分比为45％～55％；纯Al粉末的粒径为5～50μm，在混合粉末中的原子百分比为42％～49％；纯M粉末的粒径为0.5～10μm，在混合粉末中的原子百分比为1％～10％；粉末混合的方式为机械混合。


3.如权利要求1所述的钛铝零件的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，压缩气体为氦气、氮气或氦气氮气混合气体，压力为1～25MPa，温度为100～650℃，拉瓦尔管出口与冷喷涂构件的表面距离为10～80mm。


4.如权利要求1所述的钛铝零件的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，撞击基体表面的温度为90～640℃，速度为300～1500m/s。


5.如权利要求1所述的钛铝零件的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，冷喷涂构件的致密度不小于90.6％，冷喷涂构件中Ti颗粒扁平化大变形，平行于沉积面尺寸X与沿沉积层堆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李继展，黄仁忠，黄健，张科杰，曾良，谢迎春，
申请(专利权)人：广东省新材料研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44