本發(fā)明涉及合金材料的制備領(lǐng)域，具體為一種含納米Y₂O₃的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金及制備方法。

背景技術(shù)：

TiAl合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫抗氧化性能，成為當(dāng)代航空、航天以及民用工業(yè)等領(lǐng)域的優(yōu)秀候選高溫結(jié)構(gòu)材料之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。

然而TiAl合金顯微組織粗大、室溫塑性低、強(qiáng)度-塑性匹配性低、高溫變形能力差，限制了TiAl合金的制備和工程化應(yīng)用。

現(xiàn)有的TiAl合金強(qiáng)化技術(shù)主要包括合金化和熱機(jī)械處理工藝，目前已證明Nb、 Mo元素合金化有利于提高TiAl合金的強(qiáng)度，而少量的稀土元素Y也可以改善TiAl合金的顯微組織和力學(xué)性能，但是常用的塊狀鋁釔中間合金的添加方式使的鑄錠中的富Y相分布不均且尺寸相差較大。TiAl合金的熱機(jī)械處理技術(shù)主要包括包套鍛造、包套擠壓和包套軋制，這些技術(shù)在一定程度上可以破碎粗大的原始組織達(dá)到細(xì)化顯微組織的效果進(jìn)而改善力學(xué)性能的目的，但是由于這幾類工藝均為單一方向變形，不同取向的顯微組織具有明顯的差異，最終的力學(xué)性能表現(xiàn)出顯著的各向異性，不利于最終制品的服役穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有鋁釔中間合金添加導(dǎo)致富Y相分布不均且尺寸相差較大，而現(xiàn)有的機(jī)械熱處理技術(shù)帶來(lái)的顯微組織和力學(xué)性能的各向異性，提供一種含納米Y₂O₃的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金及制備方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種含納米Y₂O₃的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金，按各組元的原子百分比組成為 43%~46%的Al、1%~3%的V、1%~4%的Mo、0.1%~0.3%的Y₂O₃、余量為Ti。

優(yōu)選的，按各組元的原子百分比組成為 45%的Al、2%的V、3%的Mo、0.2%的Y₂O₃、余量為Ti。

含納米Y₂O₃的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金的制備方法，包括如下步驟：

（1）、稱取原料

按各組元的原子百分比組成為 43%~46%的Al、1%~3%的V、1%~4%的Mo、0.1%~0.3%的Y₂O₃、余量為Ti；分別稱取海綿鈦、高純鋁、鋁鉬合金，鋁釩合金、納米Y₂O₃粉作為原料；

（2）、熔煉鑄錠

將經(jīng)步驟1稱取的原料加入到真空感應(yīng)凝殼熔煉爐中熔煉，將熔體澆注到預(yù)熱后的陶瓷鑄型中，得到矩形鑄錠；

（3）、坯料預(yù)處理

a、將TiAl合金鑄錠去除冒口后進(jìn)行熱等靜壓處理，處理工藝為1250℃~1280℃，150~160MPa，氬氣氣氛保護(hù)，保溫4~5h，隨爐冷卻出爐；

b、對(duì)鑄錠進(jìn)行單步處理，將鑄錠置于真空熱處理爐中1250~1280℃保溫24~48h，爐冷，隨后將鑄錠置于箱式馬弗爐中，900~1000℃下保溫12~24h，空冷；

c、將退火后的鑄錠去除氧化皮，平整表面，加工成標(biāo)準(zhǔn)矩形塊；

d、采用砂紙打磨擠壓坯料，粗糙度為Ra 1.6~0.8，隨后置于丙酮溶液中超聲波清洗5~10min后取出并干燥；

e、在坯料表面涂覆高溫抗氧化涂料；

（4）、多向鍛造

a、將步驟三得到的坯料放入箱式馬弗爐中，再將加熱爐從室溫升至1250℃~1300℃，保溫30min~60min，然后將坯料取出在多向等溫鍛壓機(jī)上進(jìn)行多向鍛造，壓力機(jī)的上、下砧板預(yù)熱為1250℃；

b、沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造A面，壓下速率為0.2~0.5mm/s，壓下率為10~20%，得到鍛坯P1，此為第一工步；

c、旋轉(zhuǎn)試樣使B面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造B面，壓下速率為0.2~0.5mm/s，壓下率為10~20%，得到鍛坯P2，此為第二工步；

d、旋轉(zhuǎn)試樣使C面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造C面，壓下速率為0.2~0.5mm/s，壓下率為10~20%，得到鍛坯P3，此為第三工步；

e、將第三工步后得到的坯料放入爐溫為800℃~1100℃的爐子中進(jìn)行低溫完全再結(jié)晶熱處理，保溫時(shí)間30min~120min；

上述a~e的處理為一輪多向鍛造加低溫再結(jié)晶處理，重復(fù)上述步驟4的a~e的操作1~3次，得到最終的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金鍛坯。

優(yōu)選的，步驟（1）中，納米Y₂O₃粉的純度為99.99%，顆粒直徑為50~200nm。

步驟（2）中，熔煉氣氛為真空，真空度為1.0~3.0×10^-3mbar；陶瓷鑄型采用Al₂O₃或ZrO₂面層陶瓷型殼，預(yù)熱溫度300℃~600℃。

步驟（3）中，步驟a，氬氣的質(zhì)量純度為99.99%；步驟b中熱處理氣氛為真空或氬氣氣氛，真空度為3.0~4.0×10^-3mbar，氬氣的質(zhì)量純度為99.99%。

步驟（4）中，最后一次熱處理的冷卻方式為隨爐冷卻。

本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、采用水冷銅坩堝感應(yīng)凝殼熔煉+熔模精密鑄造，成功解決了難熔中間合金及成分嚴(yán)重偏析的問(wèn)題，制備的矩形鑄錠可有效提高材料的利用率。

2、通過(guò)添加納米Y₂O₃顆粒改善了合金鑄態(tài)組織的柱狀晶傾向并細(xì)化鑄態(tài)晶粒尺寸和片層間距，改善了富Y相的分布形態(tài)。

3、采用多向鍛造技術(shù)+低溫再結(jié)晶退火處理具有強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒能力，同時(shí)避免了單方向變形帶來(lái)了顯微組織和力學(xué)性能的各向異性，使其具有良好的綜合力學(xué)性能和高溫變形能力，適用于后續(xù)的等溫成形過(guò)程，為生產(chǎn)性能優(yōu)良的TiAl合金鍛件制品提供良好基礎(chǔ)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，得到的鍛坯組織均勻，晶粒細(xì)小，在三個(gè)方向上均具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

附圖說(shuō)明

圖1表示實(shí)施例1步驟（1）采用的納米Y₂O₃顆粒SEM圖。

圖2表示實(shí)施例1步驟（2）所得鑄錠中Y₂O₃顆粒SEM圖。

圖3表示實(shí)施例1步驟（4）多向鍛造示意圖。

圖4表示實(shí)施例1步驟（4）多向鍛造后得到的細(xì)晶TiAl合金顯微組織SEM圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

Ti-45Al-3Mo-2V-0.2Y₂O₃細(xì)晶高強(qiáng)合金的制備方法如下：

（1）、稱取原料：按各元素的原子百分比組成為45％的 Al、3％的 Mo、2%的V、0.2%的Y₂O₃、余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。分別稱取海綿鈦、純鋁、鋁鉬合金（Mo含量為52.21％）、鋁釩合金（V的含量為53.25%）、納米Y₂O₃粉末（純度為99.99，顆粒尺寸為100nm，如圖1所示）共計(jì)10000g作為原料。

（2）、熔煉鑄錠：將經(jīng)步驟1稱取的海綿鈦、高純鋁、鋁鉬合金，鋁釩合金和納米Y₂O₃粉加入到水冷銅坩堝感應(yīng)凝殼熔煉爐中熔煉，然后澆注到600℃預(yù)熱后的ZrO₂陶瓷鑄型中，得到矩形鑄錠。

（3）、坯料預(yù)處理：

a、將TiAl合金鑄錠去除冒口后進(jìn)行熱等靜壓處理，處理工藝為1260℃，150MPa，氬氣氣氛保護(hù)，保溫4h，隨爐冷卻出爐；

b、對(duì)鑄錠進(jìn)行單步熱處理，將鑄錠置于真空熱處理爐中1250℃保溫48h，爐冷，隨后將鑄錠置于箱式馬弗爐中，900℃下保溫12h，空冷；

c、將退火后的鑄錠去除氧化皮，平整表面，加工成標(biāo)準(zhǔn)矩形塊；

d、采用砂紙打磨擠壓坯料，粗糙度為Ra 1.6，隨后置于丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出并干燥；

e、在坯料表面涂覆高溫抗氧化涂料，涂料為市售ZS-1021型。

（4）、多向鍛造：

a、將步驟3得到的坯料放入箱式馬弗爐中，再將加熱爐從室溫升至1260℃，保溫30min，然后將坯料取出在多向等溫鍛壓機(jī)上進(jìn)行多向鍛造，壓力機(jī)的上、下砧板預(yù)熱為1250℃；

b、沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造A面，壓下速率為0.2mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P1，此為第一工步；

c、旋轉(zhuǎn)試樣使B面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造B面，壓下速率為0.2mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P2，此為第二工步；

d、旋轉(zhuǎn)試樣使C面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造C面，壓下速率為0.2mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P3，此為第三工步；

第一、二、三工步示意圖見(jiàn)圖3；

e、將第三工步后得到的坯料放入爐溫為900℃的爐子中進(jìn)行低溫完全再結(jié)晶熱處理，保溫時(shí)間60min。

上述a~e的處理為一輪多向鍛造+低溫再結(jié)晶處理。重復(fù)上述步驟4的a~e的操作2次，得到最終的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金矩形鍛坯。

圖4所示為鍛坯顯微組織的SEM圖，從圖中可以看出經(jīng)過(guò)多向鍛造和低溫再結(jié)晶處理后合金晶粒細(xì)小均勻，三個(gè)方向上的室溫拉伸斷裂強(qiáng)度>850MPa，室溫伸長(zhǎng)率>1.5%，三個(gè)方向上數(shù)據(jù)偏差<10%。

實(shí)施例2

Ti-43Al-4Mo-2V-0.3Y₂O₃細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金的制備方法如下：

（1）、稱取原料：按各元素的原子百分比組成為43％的 Al、4％的 Mo、2%的V、0.3%的Y₂O₃、余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。分別稱取海綿鈦、純鋁、鋁鉬合金（Mo含量為52.21％）、鋁釩合金（V的含量為53.25%）、納米Y₂O₃粉末（純度為99.99，顆粒尺寸為100nm）共計(jì)10000g作為原料；

（2）、熔煉鑄錠：將經(jīng)步驟1稱取的海綿鈦、高純鋁、鋁鉬合金，鋁釩合金和納米Y₂O₃粉加入到水冷銅坩堝感應(yīng)凝殼熔煉爐中熔煉，然后澆注到500℃預(yù)熱后的ZrO₂陶瓷鑄型中，得到矩形鑄錠。

（3）、坯料預(yù)處理：

a、將TiAl合金鑄錠去除冒口后進(jìn)行熱等靜壓處理，處理工藝為1250℃，160MPa，氬氣氣氛保護(hù)，保溫4h，隨爐冷卻出爐；

b、對(duì)鑄錠進(jìn)行單步熱處理，將鑄錠置于真空熱處理爐中1250℃保溫24h，爐冷，隨后將鑄錠置于箱式馬弗爐中，950℃下保溫18h，空冷；

c、將退火后的鑄錠去除氧化皮，平整表面，加工成標(biāo)準(zhǔn)矩形塊；

d、采用砂紙打磨擠壓坯料，粗糙度為Ra 1.6，隨后置于丙酮溶液中超聲波清洗5min后取出并干燥；

e、在坯料表面涂覆高溫抗氧化涂料，涂料為市售ZS-1021型。

（4）、多向鍛造：

a、將步驟三得到的坯料放入箱式馬弗爐中，再將加熱爐從室溫升至1250℃，保溫45min，然后將坯料取出在多向等溫鍛壓機(jī)上進(jìn)行多向鍛造，壓力機(jī)的上、下砧板預(yù)熱為1250℃。

b、沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造A面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P1，此為第一工步；

c、旋轉(zhuǎn)試樣使B面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造B面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P2，此為第二工步；

d、旋轉(zhuǎn)試樣使C面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造C面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P3，此為第三工步；

第一、二、三工步示意圖見(jiàn)圖3；

e、將第三工步后得到的坯料放入爐溫為1000℃的爐子中進(jìn)行低溫完全再結(jié)晶熱處理，保溫時(shí)間60min；

上述a~e的處理為一輪多向鍛造+低溫再結(jié)晶處理。重復(fù)上述步驟4的a~e的操作2次，得到最終的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金矩形鍛坯。

所得的多向鍛造鍛坯三個(gè)方向上的室溫拉伸斷裂強(qiáng)度>900MPa，室溫伸長(zhǎng)率>1.3%，三個(gè)方向上數(shù)據(jù)偏差<10%。

實(shí)施例3

Ti-44Al-1Mo-1V-0.1Y₂O₃細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金的制備方法如下：

（1）、稱取原料：按各元素的原子百分比組成為44％的 Al、1％的 Mo、1%的V、0.1%的Y₂O₃、余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。分別稱取海綿鈦、純鋁、鋁鉬合金（Mo含量為52.21％）、鋁釩合金（V的含量為53.25%）、納米Y₂O₃粉末（純度為99.99，顆粒尺寸為100nm）共計(jì)10000g作為原料；

（2）、熔煉鑄錠：將經(jīng)步驟1稱取的海綿鈦、高純鋁、鋁鉬合金，鋁釩合金和納米Y₂O₃粉加入到水冷銅坩堝感應(yīng)凝殼熔煉爐中熔煉，然后澆注到300℃預(yù)熱后的Al₂O₃陶瓷鑄型中，得到矩形鑄錠。

（3）、坯料預(yù)處理：

a、將TiAl合金鑄錠去除冒口后進(jìn)行熱等靜壓處理，處理工藝為1250℃，150MPa，氬氣氣氛保護(hù)，保溫5h，隨爐冷卻出爐；

b、對(duì)鑄錠進(jìn)行單步熱處理，將鑄錠置于真空熱處理爐中1260℃保溫24h，爐冷，隨后將鑄錠置于箱式馬弗爐中，900℃下保溫24h，空冷；

c、將退火后的鑄錠去除氧化皮，平整表面，加工成標(biāo)準(zhǔn)矩形塊；

d、采用砂紙打磨擠壓坯料，粗糙度為Ra 1.6，隨后置于丙酮溶液中超聲波清洗10min后取出并干燥；

e、在坯料表面涂覆高溫抗氧化涂料，涂料為市售ZS-1021型。

（4）、多向鍛造：

a、將步驟三得到的坯料放入箱式馬弗爐中，再將加熱爐從室溫升至1265℃，保溫45min，然后將坯料取出在多向等溫鍛壓機(jī)上進(jìn)行多向鍛造，壓力機(jī)的上、下砧板預(yù)熱為1260℃。

b、沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造A面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P1，此為第一工步；

c、旋轉(zhuǎn)試樣使B面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造B面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P2，此為第二工步；

d、旋轉(zhuǎn)試樣使C面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造C面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P3，此為第三工步；

第一、二、三工步示意圖見(jiàn)圖3；

e、將第三工步后得到的坯料放入爐溫為1000℃的爐子中進(jìn)行低溫完全再結(jié)晶熱處理，保溫時(shí)間60min；

上述a~e的處理為一輪多向鍛造+低溫再結(jié)晶處理。重復(fù)上述步驟4的a~e的操作2次，得到最終的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金矩形鍛坯。

所得的多向鍛造鍛坯三個(gè)方向上的室溫拉伸斷裂強(qiáng)度>800MPa，室溫伸長(zhǎng)率>1.4%，三個(gè)方向上數(shù)據(jù)偏差<10%。

實(shí)施例4

Ti-46Al-2Mo-3V-0.2Y₂O₃細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金的制備方法如下：

（1）、稱取原料：按各元素的原子百分比組成為46％的 Al、2％的 Mo、3%的V、0.2%的Y₂O₃、余量為 Ti 和不可避免的雜質(zhì)。分別稱取海綿鈦、純鋁、鋁鉬合金（Mo含量為52.21％）、鋁釩合金（V的含量為53.25%）、納米Y₂O₃粉末（純度為99.99，顆粒尺寸為100nm）共計(jì)10000g作為原料。

（2）、熔煉鑄錠：將經(jīng)步驟1稱取的海綿鈦、高純鋁、鋁鉬合金，鋁釩合金和納米Y₂O₃粉加入到水冷銅坩堝感應(yīng)凝殼熔煉爐中熔煉，然后澆注到400℃預(yù)熱后的Al₂O₃陶瓷鑄型中，得到矩形鑄錠。

（3）、坯料預(yù)處理：

a、將TiAl合金鑄錠去除冒口后進(jìn)行熱等靜壓處理，處理工藝為1280℃，150MPa，氬氣氣氛保護(hù)，保溫5h，隨爐冷卻出爐；

b、對(duì)鑄錠進(jìn)行單步熱處理，將鑄錠置于真空熱處理爐中1280℃保溫24h，爐冷，隨后將鑄錠置于箱式馬弗爐中，1000℃下保溫12h，空冷；

c、將退火后的鑄錠去除氧化皮，平整表面，加工成標(biāo)準(zhǔn)矩形塊；

d、采用砂紙打磨擠壓坯料，粗糙度為Ra 1.6，隨后置于丙酮溶液中超聲波清洗10min后取出并干燥；

e、在坯料表面涂覆高溫抗氧化涂料，涂料為市售ZS-1021型。

（4）、多向鍛造：

a、將步驟三得到的坯料放入箱式馬弗爐中，再將加熱爐從室溫升至1300℃，保溫60min，然后將坯料取出在多向等溫鍛壓機(jī)上進(jìn)行多向鍛造，壓力機(jī)的上、下砧板預(yù)熱為1300℃。

b、沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造A面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為10%，得到鍛坯P1，此為第一工步；

c、旋轉(zhuǎn)試樣使B面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造B面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為15%，得到鍛坯P2，此為第二工步；

d、旋轉(zhuǎn)試樣使C面朝上，沿壓力機(jī)沖頭下行方向鍛造C面，壓下速率為0.5mm/s，壓下率為20%，得到鍛坯P3，此為第三工步；

第一、二、三工步示意圖見(jiàn)圖3；

e、將第三工步后得到的坯料放入爐溫為1100℃的爐子中進(jìn)行低溫完全再結(jié)晶熱處理，保溫時(shí)間60min；

上述a~e的處理為一輪多向鍛造+低溫再結(jié)晶處理。重復(fù)上述步驟4的a~e的操作2次，得到最終的細(xì)晶高強(qiáng)TiAl合金矩形鍛坯。

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明的技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋權(quán)利要求保護(hù)范圍中。