專利名稱：一種TiAl金屬間化合物－鈦合金復(fù)合板材及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TiAl金屬間化合物與鈦合金復(fù)合板材及其制備工藝。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型飛行器的飛行距離和飛行速度的提高，對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐熱材料及其精密成形技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。由于γ-TiAl金屬間化合物(或TiAl合金、TiAl基合金)具有許多突出特點(diǎn)，例如密度低，具有高的比強(qiáng)度和比彈性模量，在高溫時(shí)仍可以保持足夠高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)它還具有良好的抗蠕變及抗氧化能力等等，這使其成為航天、航空及汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱結(jié)構(gòu)件極具競(jìng)爭(zhēng)力的材料。
近年來(lái)，TiAl金屬間化合物板材軋制技術(shù)引起了研究者的注意。TiAl金屬間化合物板材的軋制對(duì)研制新型超音速飛行器具有重要意義。但是由于TiAl金屬間化合物較脆，采用直接軋制(比如等溫軋制、包套熱軋等)TiAl金屬間化合物的方法很難得到?jīng)]有缺陷的板材，并且得到的板材也很難進(jìn)行進(jìn)一步二次熱加工(比如熱塑成形、超塑性成形等)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)TiAl金屬間化合物較脆和熱加工性差的缺點(diǎn)，提出一種TiAl金屬間化合物—鈦合金復(fù)合板材及其制備方法。本發(fā)明的TiAl金屬間化合物—鈦合金復(fù)合板材包括至少一層材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材1和至少一層材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材2，它按照下述方法進(jìn)行加工軋制之前對(duì)材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材或塊材和材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材或塊材分別進(jìn)行磨光或拋光處理，然后采用包套軋制方法制備包括至少一層材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材和至少一層材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材的TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，軋制主要工藝參數(shù)為溫度600～1400℃，道次變形量2～40％，軋制總變形量5～95％。軋制出的復(fù)合板材的厚度、復(fù)合板材的TiAl金屬間化合物層的厚度以及鈦合金層的厚度可以通過(guò)改變工藝參數(shù)(包括母材尺寸、厚度，軋制工藝參數(shù)等)進(jìn)行任意調(diào)節(jié)。TiAl金屬間化合物與鈦合金可以是疊放在一起進(jìn)行包套熱軋(包套材料可以是各種鈦合金、不銹鋼，也可以是其他材料；熱軋溫度在600～1400℃之間)，軋制出TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材；也可以通過(guò)采用鈦合金直接包套在TiAl金屬間化合物的外表面，在一起熱軋成復(fù)合板材，軋后可以通過(guò)機(jī)械加工的方法去除一定厚度的包套材料，得到一定厚度的包套材料復(fù)合在TiAl金屬間化合物的外表面，形成復(fù)合板材，套的厚度為0.5～20mm。
本發(fā)明將TiAl金屬間化合物(包括添加一種或幾種下列元素Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB、TiB2等元素及化合物的TiAl基合金)塊材與純鈦或鈦合金(包括各種鈦合金材料)塊材疊放在一起進(jìn)行包套軋制(包套材料可以是各種鈦合金、不銹鋼，也可以是其他材料)，軋制出TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，為保證TiAl金屬間化合物與鈦合金板材之間結(jié)合牢固，二種塊材在軋制之前要進(jìn)行磨光或拋光，以保證塊材要復(fù)合的表面有一定的光潔度。疊放在一起的兩種材料可以是兩層(比如TiAl金屬間化合物-鈦合金兩層)疊放，也可以是多層(比如TiAl金屬間化合物-鈦合金-TiAl金屬間化合物、鈦合金-TiAl金屬間化合物-鈦合金、……-TiAl金屬間化合物-鈦合金-TiAl金屬間化合物-鈦合金-……、……-鈦合金-一種TiAl金屬間化合物-另一種TiAl金屬間化合物-鈦合金-……等等形式)疊放。
本發(fā)明通過(guò)制備TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材的方法，達(dá)到改善TiAl金屬間化合物板材力學(xué)性能(包括室溫及高溫)和熱加工性能的目的，并通過(guò)具體的制備技術(shù)和方法獲得了無(wú)缺陷的TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材。本發(fā)明的復(fù)合板材的熱加工性能及力學(xué)性能(室溫、高溫)與TiAl金屬間化合物相比，得到極大的提高，與普通TiAl金屬間化合物板材相比，復(fù)合板材的熱加工性能得到顯著地改善，并且室溫和高溫力學(xué)性能也得到較大的提高。本發(fā)明獲得的復(fù)合板材結(jié)合了TiAl金屬間化合物的輕質(zhì)、耐熱和鈦合金高強(qiáng)、塑性好的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)原材料及方法的不同，復(fù)合板材的室溫抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到550～950MPa，室溫塑性可以達(dá)到2.5～5％，700℃抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到500～750MPa，700℃塑性可以超過(guò)8％。


圖1為本發(fā)明的TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為外面包裹Ti-6Al-4V合金2、內(nèi)部為Ti-43Al-9V-0.3Y合金1的復(fù)合板材的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1-Ti-6Al-4V合金2-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1的復(fù)合板材的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式

一如圖1，本實(shí)施方式的TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材由一層材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材1和一層材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材2組成。根據(jù)TiAl金屬間化合物的組成不同，Ti含量可以在35at％～65at％范圍內(nèi)變化，Al含量可以在35at％～60at％范圍內(nèi)變化，所述TiAl金屬間化合物為添加Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一種或幾種元素的TiAl基合金，其中Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一種或幾種元素的添加量小于20at.％。
具體實(shí)施方式

二本實(shí)施方式按照下述方法進(jìn)行加工為保證TiAl金屬間化合物與鈦合金板材之間結(jié)合牢固，軋制之前對(duì)材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材或塊材和材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材或塊材分別進(jìn)行磨光或拋光處理，以保證塊材要復(fù)合的表面有一定的光潔度；然后采用包套軋制方法制備包括至少一層材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材和至少一層材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材的TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，軋制主要工藝參數(shù)為溫度600～1400℃，道次變形量2～40％，軋制總變形量5～95％。本實(shí)施方式中各種制備方法制備出的塊狀或其他形狀的TiAl金屬間化合物材料都可以用來(lái)制備TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材。
具體實(shí)施方式

三本實(shí)施方式以Ti-43Al-9V-0.3Y合金(一種TiAl金屬間化合物)-Ti-6Al-4V合金(一種鈦合金)復(fù)合板材制備為例(包套直接扎)。
(1)將尺寸為長(zhǎng)150mm、寬100mm、厚10mm的塊狀Ti-43Al-9V-0.3Y合金包在Ti-6Al-4V合金的套內(nèi)，包套分上下兩塊，包套四邊用TC-4焊絲焊平，形成立方體形狀，套的厚度為5mm，其中塊狀Ti-43Al-9V-0.3Y合金表面和包套的內(nèi)表面要進(jìn)行磨光(砂紙磨到1000目)，以便兩種材料軋制后結(jié)合牢固；
(2)包套后的整體在熱處理爐中加熱到1100℃，并保溫1小時(shí)；(3)然后整體在軋機(jī)上進(jìn)行熱軋，形成外面包裹Ti-6Al-4V合金2、內(nèi)部為Ti-43Al-9V-0.3Y合金1的復(fù)合板材(如圖2)。
本實(shí)施方式可以通過(guò)控制總變形量(帶套)來(lái)控制內(nèi)部Ti-43Al-9V-0.3Y合金的厚度，比如變形量為70％時(shí)，可以使Ti-43Al-9V-0.3Y合金的厚度達(dá)到2.5mm。軋制完成后可以通過(guò)機(jī)械加工的方法來(lái)控制外層Ti-6Al-4V合金的剩余量，如果板材一側(cè)的Ti-6Al-4V合金都加工除去，另一側(cè)留下0.5mm厚的Ti-6Al-4V合金，則會(huì)形成Ti-43Al-9V-0.3Y合金(2.5mm厚)1-Ti-6Al-4V合金(0.5mm厚)2的復(fù)合板材(總厚為3mm)，如圖1。這種復(fù)合板材的室溫抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到820～880MPa，室溫塑性可以達(dá)到3.5～4％，700℃抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到690～720MPa，700℃塑性可以達(dá)到15～20％，極大地改善了TiAl金屬間化合物的力學(xué)性能，并能夠滿足進(jìn)一步熱加工的需要。
具體實(shí)施方式

四本實(shí)施方式以Ti-47Al-2Cr-2Nb合金(一種TiAl金屬間化合物)-純Ti復(fù)合板材制備為例(疊層軋2層)。
(1)將兩側(cè)表面經(jīng)過(guò)磨光(砂紙磨到1000目)的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金(長(zhǎng)200mm、寬150mm、厚12mm)材料與純Ti(長(zhǎng)200mm、寬150mm、厚5mm)材料疊放在一起，并包在Ti-6Al-4V合金的套內(nèi)，包套分上下兩塊，包套四邊用TC-4焊絲焊平，形成立方體形狀，套的厚度為5mm，套與疊放在一起的材料之間要加入一層陶瓷粉末(比如Al2O3)，以方便去除包套；(2)包套后的整體在熱處理爐中加熱到1050℃，并保溫1小時(shí)；(3)然后整體在軋機(jī)上進(jìn)行熱軋，軋制后去除外面的包套，得到Ti-47Al-2Cr-2Nb合金1-純Ti2的復(fù)合板材(如圖1)。
本實(shí)施方式可以通過(guò)控制總變形量(帶套)來(lái)控制內(nèi)部Ti-47Al-2Cr-2Nb合金-純Ti復(fù)合板材的厚度，比如變形量為80％時(shí)，可以使Ti-47Al-2Cr-2Nb合金-純Ti復(fù)合板材的厚度達(dá)到2.8mm，其中純鈦層厚度為0.3mm。這種復(fù)合板材的室溫抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到560～710MPa，室溫塑性可以達(dá)到2.5～3.3％，700℃抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到510～550MPa，700℃塑性可以達(dá)到8～12％，極大地改善了TiAl金屬間化合物的力學(xué)性能，并能夠滿足進(jìn)一步熱加工的需要。
具體實(shí)施方式

五本實(shí)施方式以Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金(一種TiAl金屬間化合物)-Ti-6Al-4V合金(一種鈦合金)復(fù)合板材制備為例(3層)。
(1)將兩塊兩側(cè)表面經(jīng)過(guò)磨光(砂紙磨到1000目)的Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金(長(zhǎng)200mm，寬150mm，厚12mm)材料與一塊Ti-6Al-4V合金(長(zhǎng)200mm，寬150mm，厚5mm)材料疊放在一起，形成Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1-Ti-6Al-4V合金2-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1的三明治形狀，疊放在一起的材料包在Ti-6Al-4V合金的套內(nèi)，包套分上下兩塊，包套四邊用TC-4焊絲焊平，形成立方體形狀，套的厚度為5mm，套與疊放在一起的材料之間要加入一層陶瓷粉末(比如Al2O3)，以方便去除包套；(2)包套后的整體在熱處理爐中加熱到1200℃，并保溫1小時(shí)；(3)然后整體在軋機(jī)上進(jìn)行熱軋，軋制后去除外面的包套，得到Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1-Ti-6Al-4V合金2-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金1的復(fù)合板材(如圖3)。
本實(shí)施方式可以通過(guò)控制總變形量(帶套)，來(lái)控制內(nèi)部Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金-Ti-6Al-4V合金-Ti-46.2Al-2Cr-3Nb-0.2W合金復(fù)合板材的厚度。這種復(fù)合板材的室溫抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到680～850MPa，室溫塑性可以達(dá)到2.8～3.8％，700℃抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到570～630MPa，700℃塑性可以達(dá)到12～16％，極大地改善了TiAl金屬間化合物的力學(xué)性能，并能夠滿足進(jìn)一步熱加工的需要。
權(quán)利要求
1.一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，其特征在于它包括至少一層材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材(1)和至少一層材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，其特征在于所述TiAl金屬間化合物中Ti含量為35～65at.％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，其特征在于所述TiAl金屬間化合物中Al含量為35～60at.％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，其特征在于所述TiAl金屬間化合物為添加Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一種或幾種元素的TiAl基合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，其特征在于Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一種或幾種元素的添加量小于20at.％。
6.一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材的制備方法，其特征在于它按照下述步驟進(jìn)行加工軋制之前對(duì)材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材或塊材和材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材或塊材切分別進(jìn)行磨光或拋光處理，然后采用包套軋制方法制備包括至少一層材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材和至少一層材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材的TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材，軋制主要工藝參數(shù)為溫度600～1400℃，道次變形量2～40％，軋制總變形量5～95％。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材的制備方法，其特征在于包套的厚度為0.5～20mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材的制備方法，其特征在于所述TiAl金屬間化合物中Ti含量為35～65at.％，TiAl金屬間化合物中Al含量為35～60at.％。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材的制備方法，其特征在于所述TiAl金屬間化合物為添加Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一種或幾種元素的TiAl基合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種TiAl金屬間化合物-鈦合金復(fù)合板材的制備方法，其特征在于所述Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B、O、N、TiC、TiB或TiB2中的一種或幾種元素的添加量小于20at.％。
全文摘要
一種TiAl金屬間化合物一鈦合金復(fù)合板材及其制備方法，它涉及一種TiAl金屬間化合物—鈦合金復(fù)合板材及其制備工藝。本發(fā)明的復(fù)合板材包括至少一層材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材(1)和至少一層材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材(2)，加工方法為軋制之前對(duì)材質(zhì)為TiAl金屬間化合物的板材或塊材和材質(zhì)為純鈦或鈦合金的板材或塊材進(jìn)行磨光或拋光處理，然后采用包套軋制方法制備復(fù)合板材，工藝參數(shù)為溫度600～1400℃，道次變形量2～40％，軋制總變形量5～95％。本發(fā)明獲得的復(fù)合板材結(jié)合了TiAl金屬間化合物的輕質(zhì)、耐熱和鈦合金高強(qiáng)、塑性好的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合板材的室溫抗拉強(qiáng)度為550～950MPa，室溫塑性為2.5～5％，700℃抗拉強(qiáng)度為500～750MPa，700℃塑性超過(guò)8％。
文檔編號(hào)B32B15/01GK1672918SQ20051000990
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2005年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月19日
發(fā)明者孔凡濤, 陳玉勇 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)