阅读说明：本技术 一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法 (Method for preparing TiAl-based alloy component by using carbon steel sheath ) 是由 郎泽保 王亮 杨震晓 姚草根 续秋玉 于 2019-10-11 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法,属于TiAl基合金构件制备与工艺技术领域。本发明的方法可以将碳钢包套热等静压致密化TiAl基合金粉末的使用温度提高到1400℃以下,因此可以直接利用热等静压致密化方法获得具有近γ组织、双态组织、近全片层组织或者全片层组织的压坯,为高性能TiAl基合金的制备提高了新的制备方法。(The invention relates to a method for preparing a TiAl-based alloy component by using a carbon steel sheath, belonging to the technical field of preparation and process of the TiAl-based alloy component. The method can improve the use temperature of the TiAl-based alloy powder densified by carbon steel sheath hot isostatic pressing to below 1400 ℃, so that the hot isostatic pressing densification method can be directly utilized to obtain a compact with a near gamma structure, a double-state structure, a near fully lamellar structure or a fully lamellar structure, and a new preparation method is improved for the preparation of high-performance TiAl-based alloy.)

一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法

技术领域

本发明涉及一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法，属于TiAl基合金构件制备与工艺技术领域。

背景技术

在热等静压粉末冶金工艺中，包套中的粉末处于一个较好的真空状态。在热等静压过程中，外界压力通过包套作用在粉末中，促使粉末在包套中压缩、充分变形及扩散，形成具有一定形状的压坯。因此，在热等静压过程中，保持包套的完整性和可靠性十分必要。

由于焊接性能好，价格低，碳钢是常用的热等静压致密化钛合金粉末的包套材料。但是，在用于热等静压致密化TiAl基合金粉末的过程中，当热等静压温度超过1260℃，碳钢包套与TiAl基合金之间由于原子扩散而形成Ti_xFe_y、Fe_xAl_y等金属间化合物，导致获得的TiAl基合金压坯致密度降低，并会导致碳钢包套中形成微孔。若保温时间足够长，则可能在碳钢包套中形成贯穿的通道，导致热等静压处理失败。然而，在1260℃以下热等静压，获取的粉末冶金TiAl基合金压坯为双态组织，室温塑性低，难以进行机械加工，限制了热等静压粉末冶金技术在制备TiAl基合金方面的使用范围。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术中碳钢包套在热等静压致密化TiAl基合金粉末的过程中耐温低的问题，提出一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法，该方法中采用了在碳钢包套内表面与TiAl基合金粉末接触的地方添加氧化铝、氧化锆等陶瓷涂层，阻碍碳钢包套与TiAl基合金粉末直接接触，杜绝了Ti_xFe_y、Fe_xAl_y等金属间化合物的形成，提高了碳钢包套的使用温度，扩大了碳钢包套在热等静压致密化TiAl基合金的温度范围，为直接利用热等静压工艺获得高性能的TiAl基合金压坯提供了支持。

本发明的技术解决方案是：

一种使用碳钢包套制备TiAl基合金构件的方法，该方法的步骤包括：

(1)制备TiAl基合金构件的包套；

制备包套时按照TiAl基合金构件的尺寸要求设计包套的尺寸，制备包套的原材料为碳钢，包套包括包套盖、包套底、包套筒身和碳钢垫片；

(2)在包套盖的下表面、包套底的上表面、包套筒身的内表面和碳钢垫片的双面制备涂层；碳钢垫片的双面是指碳钢垫片的上表面和下表面；

涂层原料为Al₂O₃粉末、ZrO₂粉末、TiO₂粉末、Y₂O₃粉末中的一种或者两种以上的混合物；涂层可以为一层、两层或是多层，最顶端的涂层原料为Al₂O₃粉末；最顶端的涂层为与TiAl基合金粉末相接触的涂层；

涂层的制备方法为热喷涂、电弧沉积或CVD沉积；

涂层的总厚度为150～250μm；

(3)将包套底焊接在包套筒身的底部，焊接时采用氩弧焊，焊接完成后在焊接区域(即焊缝处)涂抹料浆，料浆为氧化物粉末和乙酸锆的混合物，氧化物粉末和乙酸锆的混合物中氧化物粉末和乙酸锆的体积比为1：(2-4)，涂抹料浆完成后用吹风机吹干，得到带底的包套筒；氧化物粉末为Al₂O₃、TiO₂、Y₂O₃中的一种或两种以上的组合物；

(4)在振动的条件下向步骤(3)得到的带底的包套筒内填充TiAl基合金粉末，TiAl基合金粉末添加完成后在TiAl基合金粉末的顶端添加碳钢垫片，碳钢垫片为圆片，碳钢垫片的直径比包套筒的直径小1-1.5mm，且碳钢垫片与包套筒同轴，碳钢垫片添加完成后在碳钢垫片的顶端添加陶瓷粉末，陶瓷粉末的粒度为60～120目，陶瓷粉末粒度的选取既可防止TiAl基合金粉末与碳钢包套相接触，又不会妨碍包套除气；陶瓷粉末为Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂、Y₂O₃中的一种或者两种以上的组合，陶瓷粉末粒度为60～120目，陶瓷粉末厚度为0.5～2mm；

(5)将包套盖焊接在步骤(4)得到的包套筒的顶端，焊接时采用氩弧焊，焊接完成后得到填充有TiAl基合金粉末的包套，然后对得到的包套进行除气，除气完成后进行热等静压致密化处理。

有益效果

(1)本发明的方法可以将用于热等静压致密化TiAl基合金粉末的碳钢包套使用温度提高到1400℃以下，因此可以直接利用热等静压致密化方法获得具有近γ组织、双态组织、近全片层组织或者全片层组织的压坯，为高性能TiAl基合金的制备提高了新的制备方法；

(2)本发明利用热喷涂等方法在碳钢包套组件的内壁添加Al₂O₃、ZrO₂等陶瓷涂层，并在包套的焊缝处添加乙酸锆与Al₂O₃的混合料浆，最后在TiAl基合金粉末与包套盖之间添加粒度为60～120目的Al₂O₃粉末颗粒，从而将碳钢包套与TiAl基合金粉末相隔离，阻止碳钢包套与TiAl基合金之间通过扩散形成Ti_xFe_y、Al_xFe_y等脆性相，扩大了利用碳钢包套致密化TiAl基合金粉末的温度选择范围，为TiAl基合金的研究提供便利。

附图说明

图1为包套的结构示意图；

图2为添加了Al₂O₃/ZrO₂涂层的20#低碳钢包套；

图3为1350℃热等静压后获得的低碳钢包套和Ti-46Al-2Cr-2Nb压坯的微观组织。

具体实施方式

一种提高碳钢包套在热等静压致密化TiAl粉末过程中使用温度的方法，步骤为：

1)在用于热等静压致密化TiAl基合金粉末的碳钢包套内壁添加陶瓷涂层；

2)将步骤1)涉及的碳钢包套用氩弧焊的方法组装在一起，并在焊缝上涂陶瓷粉末和乙酸锆形成的料浆。待料浆干燥后，在振动的状态下向包套中充入TiAl基合金粉末；

3)在步骤2)中的TiAl基合金粉末的上面添加垫片，然后在垫片的上面填充Al₂O₃粉末；

4)在步骤3)的陶瓷粉末上面添加包套盖，并利用氩弧焊的方法形成包套；

5)将步骤4)中的包套进行除气及热等静压，即可完成TiAl基合金粉末的热等静压致密化处理。

步骤1)中向碳钢包套内壁添加的陶瓷粉末为Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂或Y₂O₃中的一种或者多种粉末的组合，但与TiAl基合金粉末相接触的陶瓷粉末应该为Al₂O₃粉末，涂层的厚度之和为150～250μm；

步骤1)中向碳钢包套内壁添加陶瓷涂层的方法可以为热喷涂、CVD或者电弧沉积的方式；

步骤2)中向包套焊缝处涂抹的料浆中陶瓷粉末和乙酸锆的配比为：1：3(体积比)，且陶瓷粉末的种类为Al₂O₃、TiO₂或Y₂O₃中的一种或者多种粉末的组合；

步骤3)中向垫片上填充的陶瓷粉末可以为Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂或Y₂O₃中的一种或者多种粉末的组合，粉末粒度为60～120目，厚度约为0.5～2mm。

实施例

以利用TiAl基合金预合金粉末热等静压致密化Ti-46Al-2Cr-2Nb(at％)为例，说明本方法的具体实施方式。

(1)按照图1利用20#低碳钢加工包套；

(2)包套筒的内壁、垫片及包套盖上氧化铝+氧化锆涂层，先添加氧化锆，再添加氧化铝，涂层的总厚度为210μm。添加的方法为热喷涂；

(3)利用氩弧焊等方法按照要求组合包套，如图2；

(4)在焊接区域添加颗粒度为－180～+250mu目的Al₂O₃粉末和乙酸锆的混合液(体积配比为1:3)，然后用吹风机吹干；

(5)在振动的条件下向包套内填充TiAl基合金粉末，并添加碳钢垫片；

(6)垫片与包套盖之间添加氧化铝粉末，粒度为60～120目；颗粒较粗的粉末既可防止TiAl粉末与低碳钢包套相接触，又不会妨碍包套除气；

(7)焊接包套盖，然后对包套在一定温度下除气。在完成除气后，在1350℃，2h，压力≥140MPa的工艺参数下进行TiAl基合金粉末的热等静压致密化处理，获得了具有近全片层组织的Ti-46Al-2Cr-2Nb压坯。

按照GB 228.1的要求从Ti-46Al-2Cr-2Nb压坯上取样，加工拉伸试棒，进行室温拉伸性能的测试，其结果如下表所示：