ial基合金板材粉末法制备工艺的研究进展

ial基合金板材粉末法制备工艺的研究进展

1tial基合金在耗材制备中的应用低密度（3.8g.cm-3），高强度，弹性模量高（160g180g），高温能学得很好。这是一种开发和应用广泛的优质材料。经过多年的基础性研究，TiAl基合金的研究已进入实用化阶段，板材的制备和应用是实现其实用化的一个重要研究方向。目前应用于火箭发动机的壳体和隔板、航天飞机的热区蒙皮的Ni基高温合金，存在着密度大、比强度低、不利于飞行体性能提高等缺点，而作为替代材料的钛合金，也存在着室温弹性模量低、最高使用温度低等不足，TiAl基合金则兼具了密度低、比强度和使用温度高、热导率低等优点，用于制备航空航天发动机壳体、蒙皮等零部件具有显著的优越性。由于TiAl基合金的本质脆性，其室温延性和加工成形性差，板材的制备难度很大。采用铸态TiAl基合金的等温轧制、包套轧制等特殊轧制工艺制备板材，存在着难度大、对设备要求和成本高、加工周期长、材料利用率低、难于制备大尺寸薄板材等不足。粉末冶金方法制备板材，是采用常规塑性加工方法将元素粉或预合金粉固结成形，再通过烧结实现致密化。这样不仅避开了脆性TiAl基合金的加工变形过程，避免了为消除铸锭中的铸造缺陷和成分偏析所需要的HIP处理和均匀化热处理以及后续机加工，且可实现近净成形，材料利用率高，成本较低。而且随着高性能粉末制备和致密化工艺的改进，粉末冶金TiAl基合金的室温脆性已基本解决，合金的一些力学性能已超过铸态合金，接近于锻造合金。为此，近年来国内外在粉末冶金制备TiAl基合金方面开展了大量的研究。国内的中南大学粉末冶金研究院，对采用元素粉和预合金粉制备TiAl基合金进行了深入的研究，还开展了TiAl基合金板材粉末冶金制备工艺的研究，哈尔滨工业大学、北京钢铁研究总院、西北有色金属研究院等单位也开展了这方面的研究工作。粉末冶金制备板材工艺可分为元素粉法和预合金粉法。具体的制备方法包括冷轧成形+加压烧结法、元素箔片叠加轧制+反应合成法、预合金粉末热等静压+热轧法，以及物理气相沉积或等离子体喷射成形+轧制法等。2tial基合金面板的制备元素粉法制备TiAl基合金板材，是采用塑性良好的Ti,Al元素粉和其它合金元素粉末，经过混合、压制、挤压和轧制等过程成形为混合粉板材，再进行反应合成制备TiAl基合金板材，或将原料粉末混合并进行包套抽气处理后，直接进行热轧或热等静压制备TiAl基合金板材。元素Ti、Al可以采用粉末态、箔片或其它形式。其工艺流程图如图1所示。Ti,Al元素粉末的反应合成是一个由扩散控制，包括Al3Ti和Al2Ti等中间相生成的复杂过程。由于Ti、Al两元素之间的扩散系数相差很大，在无压烧结时，会发生Kirdendall扩散，形成Frenkel孔洞，从而产生大幅度的体积膨胀。因此，Ti、Al元素粉末的反应合成必须采用热压、热等静压、气压烧结等加压烧结手段，抑制体积膨胀，消除孔隙，促进Ti、Al元素粉的致密化行为，从而提高板材的致密度和力学性能。Jewett等人采用将元素粉板材与W、Mo等隔板材料叠加后热压的方法，成功地制备出TiAl基合金板材。为了防止元素粉板材与隔板材料之间因直接接触而发生互扩散反应，采用Y2O3和BN作为涂覆材料，发现Y2O3在1400℃时和TiAl之间仍能保持良好的热力学稳定性，且制备的TiAl板材和隔板材料容易分离。为了降低板材中的氧含量，混合后的元素粉末通常要进行封装，并加热至一定温度后进行抽气处理，然后压制或挤压成形并反应合成。研究也表明，采用粒度小的粉末或对粉末进行挤压、球磨等处理，有利于提高烧结体的致密度。粒度小的粉末烧结时扩散距离短、烧结活性大；而通过挤压或球磨过程大的变形量，可以产生高的位错密度，使粉末在微观尺度上混合均匀，并将阻碍扩散反应进行的粉末表面的氧化层破碎，使Ti、Al间有更多的新鲜表面接触，从而有利于扩散反应的进行。Wang等人研究了挤压变形量对合金致密化的影响，发现挤压比由17增加到350,600℃，6h烧结，孔隙率可由31%减小到3%，1350℃，6h烧结，孔隙率可从16%减小到2%。变形量对孔隙尺寸和数量也有显著影响，挤压比越大，孔隙尺寸越小，孔隙数量也越少。由于Ti,Al粉末在制备过程中容易引入杂质，加之其表面易于吸附水蒸气、氧气等而在表面形成氧化膜，从而造成反应合成的材料内氧含量高，致密度低。采用由高纯Ti,Al板轧制而成的Ti,Al箔片制备板材，因其比表面积远小于粉末态，因此可显著降低板材中的氧含量。Fukutomi等人研究了用叠加的Ti箔和Al箔通过扩散反应来制备TiAl基合金板材。其制备工艺为：将所用的Ti箔和Al箔进行冷轧和退火处理后，按照合金成分逐层叠加后在真空热压炉中反应合成，其间分别在550℃，630℃，1350℃下保温，并以5℃/min冷却到800℃后炉冷，这4个阶段的主要目的分别为：实现Ti箔和Al箔之间的连接、通过反应消耗掉Al箔、在α单相区进行固溶处理、最后实现层片结构的构建。该工艺不仅可制备氧含量低、力学性能良好的TiAl基合金板材，而且可以通过控制轧制Ti箔中的织构和扩散反应工艺，获得具有定向层片结构的TiAl基合金板材，改善材料的抗蠕变性和室温延性。David等人研究了将叠加的Ti、Al箔通过自蔓延高温合成制备TiAl基合金板材，制备的板材的σUTS可达460MPa。元素粉法制备TiAl基合金板材，不仅避开了TiAl基合金的本质脆性和难热加工变形性，无需包套轧制或等温轧制等苛刻的工艺，而且作为1种近净成形工艺，无需熔铸和较少需要后续机加工，易于添加合金元素和控制合金成分，可用于制备大尺寸、超薄的TiAl基合金板材，是1种低成本的TiAl基合金板材制备工艺。但该工艺的主要缺点是制品中氧含量和杂质含量高，烧结性能差，板材密度和力学性能有待进一步提高。3tial基合金耗材随着高质量预合金粉末制备工艺的完善，采用预合金粉制备TiAl基合金板材引起了人们的兴趣。预合金粉法是指采用部分合金化或完全合金化的TiAl基合金粉末为原料来制备TiAl基合金板材的工艺，预合金粉末采用惰性气体雾化、等离子旋转电极、机械合金化、自蔓延高温合成等方法制备，制备的预合金粉再经过HIP、物理气相沉积（PVD）或等离子体喷涂（PS）制成一定致密度的板材后，再通过热轧或冷轧+退火处理实现致密化。3.1etellgy法该工艺是奥地利PlanseeAG公司开发的TiAl基合金板材制备工艺―（AdvancedSheetRollingProcess)ASRP工艺中的PM(PowderMetallurgy）方法。它是将高压气雾化预合金粉末装入Ti合金包套中，加热至一定温度抽气，将包套封焊后再进行热等静压处理，实现全致密化，试样去除包套后，经表面处理后再进行热轧。该工艺制备的TiAl基合金板材与IM的板材比较，板材显微组织均匀细小，而氧含量相当。但该工艺制备的板材中会存在一些显微孔洞（尺寸1µm∼3µm）。这是由于在雾化过程中会产生一些中空的颗粒，一些氩气被封闭在这些颗粒中，不能被脱气过程消除，在加热过程释放从而形成孔洞。这些孔洞对材料的静态拉伸性能影响不大，但对于材料的蠕变性能和超塑性会有不良影响。3.2非晶tial基合金材质采用快速凝固、机械合金化和物理气相沉积等非平衡工艺可制备细晶和非晶TiAl基合金，或通过同步压制和结晶过程将TiAl基非晶转化为纳米晶。这些细晶组织能够降低TiAl基合金的脆性―延性转变温度，提高合金延性。Senkos等人采用物理气相沉积方法制备了非晶TiAl基合金板材，并对其结晶动力学进行了研究。其制备过程为：在密闭的真空容器中，采用磁控管溅射沉积TiAl预合金板材，沉积前保持容器的高真空，沉积时以一定速度通入一定压力的高纯Ar气。直径152mm、功率500W的溅射枪将预合金粉末溅射到相距100mm的的抛光铜板上，采用水冷控制将抛光铜板的温度保持在40℃以下。经过48h的沉积，即可获得0.15mm厚的TiAl基合金板材。采用PVD这种非平衡方法制备TiAl基合金板材，可以获得细晶/非晶/纳米晶组织，改善合金的延性等性能。3.3实验制备工艺该工艺采用等离子喷涂制备预成形坯，再通过轧制制备板材，将TiAl基合金的成型和熔炼结合起来，是一种工艺简单、材料利用率高、制备高质量板材的TiAl基合金板材制备工艺。SunilC.Jha等人开展了对该工艺的研究工作，其制备工艺如下：先采用等离子体旋转电极制备预合金粉，然后在一个充有氩气的真空容器内进行等离子喷涂，粉末喂料通过固定在真空腔顶部中央的等离子体枪供给，部分融化的粉末通过等离子枪，以小液滴的形式沉积在一个旋转的、沿轴向运动的基材上。沉积后的预成形坯的相对密度可达95%。为了将残余孔隙闭合，再采用专利轧制技术对预成形坯进行轧制，并进行固溶处理，最后进行冷轧加退火处理。该工艺制备的板材可实现全致密，且组织细小，化学成分均匀。从表3可以看出，该工艺与IM工艺制备的板材性能相比，因为该工艺制备的板材氧含量达0.178%，所以其屈服强度和拉伸强度都高于IM工艺的板材，但其延性降低幅度却不大。这是因为等离子喷涂后的预成形坯密度较高，轧制时的变形量不大，因此板材内不易形成结晶织构而造成力学性能的各向异性。3.4tial基合金材料和材料的制备随着高质量预合金粉的获得，采用激光成形TiAl基合金成为可能。激光成形是采用计算机将零件的三维实体模型通过分层切片处理成离散化的二维层面，控制成型机进行激光逐层烧结制备材料的1种先进技术。美国宾夕法尼亚州立大学采用激光成形技术，采用大功率的CO2激光器，通过计算机在三维方向的控制，成功制备了TiAl基合金板材，板材的显微组织细小，拉伸性能与其它方法制备的材料相当（见表4）。日本的Tomita尝试采用注射成形（MIM）制备复杂形状的薄壁TiAl基合金部件，部件的相对密度达95%，800℃时的强度可维持在400MPa。与元素粉法板材制备工艺相比，预合金分法制备的TiAl基合金板材氧含量及杂质含量低，成分均匀性好，烧结时易于实现致密化，力学性能优良，部分性能可与熔铸法相当，但预合金粉的制备对工艺要求较高，提高了制备成本。4预合金粉法制备工艺采用粉末冶金方法制备TiAl基合金板材，可获得均匀细小的显微组织，并可实现近净成形，