一种基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法，属于航空发动机适航认证评估技术领域；该方法包括以下步骤：(1)对工业化制备的TiN粉末进行化学成分分析，确定粉末中氮元素的含量；(2)基于检测结果，计算钛合金粉末与TiN粉末的成分配比；(3)将上述两种粉末同时进行烘干处理；(4)将烘干后的粉末在真空混料机中进行充分混合；(5)将上述混合后的粉末装入送粉器中，采用激光熔覆沉积的方式制备TiN材料。采用本发明专利技术的制备方法制备的氮化钛成分均匀，能够实现氮化钛中氮含量的精确控制，且致密度可达到99％以上。且致密度可达到99％以上。

【技术实现步骤摘要】
一种基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机适航认证评估
，具体涉及一种基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法。

技术介绍

[0002]钛合金因密度小、比强度高、耐腐蚀等优异性能，在航空航天领域，尤其是航空发动机中获得了广泛的应用。然而，在钛合金冶炼过程中往往会形成冶金缺陷，其中与空气中的氮气发生反应生成TiN(硬α夹杂)就是一种常见的缺陷形式，也是最危险的一种夹杂缺陷。
[0003]这是因为TiN(硬α夹杂)的脆性和硬度都非常大，基本没有塑性变形能力，在后续加工过程中极易发生碎裂，从而使得部件服役过程中形成疲劳裂纹萌生源。根据FAA的统计，1962年至1990年间，美国共有25起由于熔炼工艺导致的飞行事故，其中19起事故的原因是钛合金部件中存在未被检测出TiN(硬α夹杂)缺陷。因此，TiN(硬α夹杂)缺陷也成为导致钛合金盘件材料失效的主要因素之一。为此，各国的适航规章均明确要求对各类航空发动机中钛合金限寿件进行损伤容限评估。针对上述问题，在FAA组织下，美国西南研究所、罗罗公司、GE公司、普惠公司等联合开展了钛合金中TiN(硬α夹杂)的检出概率及缺陷分布、TiN(硬α夹杂)对钛合金部件寿命的影响研究，并于2000年建立了DARWIN分析软件，为钛合金转动部件的寿命预测、适航认证奠定了坚实的基础。要开展内含缺陷钛合金检出概率、缺陷分布等研究工作，首先就要获得这种缺陷材料。因此，本专利技术提出了一种基于激光熔覆沉积技术制备TiN夹杂材料的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于快速凝固技术制备TiN的方法，利用快速凝固理论，制备不同氮含量的致密TiN夹杂材料(致密度可达99％)，为后续开展材料缺陷数据累积、缺陷检出概率等研究，提供材料基础，同时也为我国航空发动机的自主适航体系的建立提供理论和材料支撑。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法，该方法是以TiN粉末和钛基粉末为原料，采用激光熔覆沉积技术制备获得致密TiN夹杂材料。该方法包括以下步骤：
[0007](1)准备工业化制备的TiN粉末并对其进行化学成分分析，确定粉末中氮元素的含量；并准备一定粒度的钛基粉末；
[0008](2)基于步骤(1)检测结果，并根据目标TiN夹杂材料的N含量，计算钛基粉末与TiN粉末的重量配比；
[0009](3)将钛基粉末与TiN粉末同时进行烘干处理后，将两种粉末在真空混料机中进行充分混合10
‑
12h；
[0010](4)将经步骤(3)混合后的粉末装入送粉器中，采用激光熔覆沉积技术制备致密
TiN夹杂材料。
[0011]上述步骤(1)中，所述工业化制备的TiN粉末中氮元素含量为15
‑
25wt.％。
[0012]上述步骤(1)中，所述钛基粉末为纯钛粉末和/或钛合金粉末，钛合金粉末可选择TiAl合金、Ti2AlNb合金和Ti3Al合金等中的一种或几种；所述钛基粉末的粒度为75
‑
250μm。
[0013]上述步骤(3)中，烘干时间为24h，且每4小时对粉末搅拌一次，烘干温度为80℃
‑
180℃，烘干气氛为真空。
[0014]上述步骤(4)中，所述激光熔覆沉积技术的工艺参数为：激光功率：1.8
‑
2.4KW；熔覆速度8
‑
14mm/s；送粉量8
‑
12r/min。
[0015]本专利技术方法所制备的TiN夹杂材料的致密度为99％以上。
[0016]本专利技术的设计思想是：
[0017]针对自然生成TiN成分不可控和不致密问题，本专利技术将钛基粉末与TiN粉末混合后，基于金属快速凝固理论，采用激光熔覆沉积技术，实现了高致密度、高均匀性TiN夹杂材料的制备。
[0018]本专利技术的优点及有益效果在于：
[0019](1)本专利技术提供的方法可以实现TiN夹杂材料成分的精确控制，解决工业化制备TiN成分不可控的问题；
[0020](2)本专利技术提供的方法制备的TiN夹杂材料成分均匀，致密程度极高(致密度可达99％)，为后续适航认证工作的开展提供可靠的材料基础；
[0021](3)本专利技术不受夹杂材料特性(熔点、成分、硬度等)的限制，可制备多种类型的硬α夹杂材料。
附图说明
[0022]图1为氮含量为2wt％的TiN材料金相显微组织图片。
[0023]图2为氮含量为8wt％的TiN材料金相显微组织图片。
[0024]图3为氮含量为10wt％的TiN材料金相显微组织图片。
[0025]图4为氮含量为14wt％的TiN材料金相显微组织图片。
具体实施方式
[0026]以下结合附图及实施例详述本专利技术。
[0027]本专利技术提供一种基于快速凝固技术制备TiN的方法，包括如下步骤：
[0028](1)对工业化制备的TiN粉末进行化学成分分析，确定粉末中氮元素的含量，纯钛/钛合金粉末的粒度为75
‑
250μm；
[0029](2)基于检测结果，计算钛合金粉末与TiN粉末的成分配比；
[0030](3)将上述两种粉末同时进行烘干处理，烘干时间为24h(每4小时对粉末搅拌一次)，烘干温度为80℃
‑
180℃，烘干气氛为真空；
[0031](4)将烘干后的粉末在真空混料机中进行充分混合10
‑
12h；
[0032](5)将上述混合后的粉末装入送粉器中，采用激光熔覆沉积的方式制备致密TiN夹杂材料。
[0033]实施例1：
[0034]本实施例为氮含量为2wt％的TiN材料制备方法，包括以下步骤：
[0035](1)选择工业化制备的TiN粉末，并对其进行化学成分分析，TiN粉末中氮元素的含量为18.3wt.％；准备钛合金粉末，其粒度为85
‑
103μm；
[0036](2)基于步骤(1)检测结果，按纯钛粉末与TiN粉末的重量比例为8.15:1称取两种粉末；
[0037](3)将上述两种粉末同时进行烘干处理，烘干时间为24h(每4小时对粉末搅拌一次)，烘干温度为120℃，烘干气氛为真空；
[0038](4)将烘干后的粉末在真空混料机中进行充分混合12h；
[0039](5)将上述混合后的粉末装入送粉器中，采用激光熔覆沉积的方式制备氮含量为2wt.％的TiN材料；激光熔覆沉积工艺参数为：激光功率：1.8KW；熔覆速度8mm/s；送粉量8r/min。
[0040]如图1所示，从氮含量为2wt％的TiN材料金相显微组织图片可以看出，本实施例制得氮含量为2wt％的致密TiN夹杂材料，其致密度为99.4％。
[0041]实施例2：
[0042]本实施例为氮含量为8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法，其特征在于：该方法是以TiN粉末和钛基粉末为原料，采用激光熔覆沉积技术制备获得致密TiN夹杂材料。2.根据权利要求1所述的基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)准备工业化制备的TiN粉末并对其进行化学成分分析，确定粉末中氮元素的含量；并准备一定粒度的钛基粉末；(2)基于步骤(1)检测结果，并根据目标TiN夹杂材料的N含量，计算钛基粉末与TiN粉末的重量配比；(3)将钛基粉末与TiN粉末同时进行烘干处理后，将两种粉末在真空混料机中进行充分混合10
‑
12h；(4)将经步骤(3)混合后的粉末装入送粉器中，采用激光熔覆沉积技术制备致密TiN夹杂材料。3.根据权利要求2所述的基于快速凝固技术制备TiN夹杂材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述工业化制备的TiN粉末中氮元素含量为15
‑
25wt.％。4.根据权利要求2所述的基于快速凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡雨升，吉海宾，张洺川，任德春，雷家峰，杨锐，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：