一种钛铝系合金及其制备方法以及合金材料与流程

本发明涉及钛铝系合金材料及塑性加工，尤其涉及一种钛铝系合金及其制备方法以及合金材料。

背景技术：

1、钛铝系合金具备低密度、高比强度、优良耐高温特性等综合优势，是航空航天、高端装备制造领域关键轻质结构材料，应用前景广阔。将钛铝系合金应用于高端构件，能够有效降低装备自重、缩减贵金属耗材、控制制造成本，具备突出的经济价值与工程应用价值。但传统钛铝系合金存在固有性能短板：室温塑性偏低，高温抗氧化性能与抗蠕变性能不足，极大限制了该合金在航空航天高端关键承重构件中的推广使用。

2、现阶段行业普遍采用掺杂合金元素的方式对钛铝系合金改性，常用改性元素包括铌、铬、钼、硼、硅等，该改性方式依靠调整元素种类与掺杂量重构微观组织，以此改善合金力学性能。但现有钛铝系合金成分配比未达到最优适配状态，改性效果有限，普遍存在力学性能稳定性差、强度与韧性匹配失衡、耐腐蚀性能偏弱等问题，无法满足航空航天核心构件高强度、高稳定性、高耐候性的严苛使用标准。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种钛铝系合金及其制备方法以及合金材料，旨在解决现有钛铝系合金成分配比不佳引发的力学性能不稳定、强韧协同性差、耐腐蚀性不足的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种钛铝系合金，以原子百分比计，所述钛铝系合金由以下组分构成：al：45～48at.%，v：0～2at.%，cr：0～5at.%，mn：0～3.5at.%，nb：0～5at.%，ta：0～5at.%，mo：0～2at.%，w：0～2at.%，hf：0～2at.%，zr：0～2at.%，si：0～0.8at.%，b：0～0.8at.%，c：0～0.3at.%，o：0～0.3at.%；余量为ti以及不可避免的有害杂质；所述不可避免的有害杂质包括fe、ni、pb、sn、s，所述有害杂质的总原子百分比含量≤0.5at.%。

3、所述钛铝系合金的微观组织由等轴晶与片层结构组成，等轴晶平均尺寸≤20μm，片层平均间距≤400nm。

4、作为优选方案，以原子百分比计，所述钛铝系合金化学成分优选满足：al46～47.5at.%，b0.1～0.5at.%，si0.2～0.6at.%，nb与ta的总含量2～5at.%，o≤0.15at.%，c≤0.15at.%；对应微观组织优选满足：等轴晶尺寸5～15μm、片层间距100～300nm、al元素偏析系数1.01～1.15。

5、作为进一步优选方案，所述钛铝系合金化学成分具体满足：al46～47at.%，nb2～4at.%，cr2～3at.%，mn1～2.5at.%，si0.2～0.5at.%，b0.1～0.2at.%，c0.1～0.2at.%，mo、w、hf、zr的含量分别独立为0.5～1.5at.%。

6、本发明还提供上述钛铝系合金的制备方法，包括如下步骤：

7、s1原料选配：选用纯度≥99.9%的海绵钛、铝块；当合金中含有v、cr、mn、nb、ta、mo、w、hf、zr、si、b、c中至少一种元素时，对应采用纯度≥99.9%的金属单质或钛铝基中间合金；当对应元素配比含量为0at.%时，则不添加对应原料。

8、s2配料混粉与真空烘干：按配比称量所有原料，真空混粉机混合后真空烘干；真空混粉：腔室真空度≤5×10^3pa，转速150～250r/min，混合2～4h；真空烘干：温度160～200℃，保温1～2h，干燥后腔室真空度≤5×10^3pa。

9、s3电极块压制：采用厚度为0.1～0.3mm的高纯铝箔包裹粉料，100～300mpa压力保压2～5min，压制成85±2mm×85±2mm×400±5mm电极块。

10、s4电极对接焊接：钨极氩弧焊对接电极块，焊接电流100～300a、电压10～15v、焊接速度2～5mm/s。

11、s5真空自耗电弧熔炼：焊接电极吊装对中，对中偏差≤1mm；炉内真空≤1×10^2pa，检漏30min；高频起弧，初始电流1.5～3.0ka稳弧10～20s后升至工作电流；工作电流3.0～5.0ka、电压25～40v、熔速2.0～8.0kg/min，通入纯度≥99.99%的高纯氩气，炉内压力50～200pa；铸锭翻转后进行重熔，共重熔3～5次；每次重熔后冷却至铸锭心部≤100℃，再开展下一次熔炼；熔炼后铸锭以5～20℃/min的速率真空缓冷。

12、进一步地，所述步骤s5中，自耗熔炼电极直径为80～120mm。

13、s6铸锭清理出炉：铸锭心部≤100℃出炉，车削去除表层3～5mm区域。

14、s7均匀化热处理：将铸锭加热至1100～1200℃，并保温8～12h，空冷至室温，得到钛铝系合金铸锭毛坯；

15、s8塑性成型与控温处理：在钛铝系合金铸锭毛坯外壁与包套内表面之间敷设复合间隔防护层并完成整体密封封装，将封装后的钛铝系合金铸锭毛坯加热保温后进行塑性挤压，挤压成型后实施低速控温冷却，最终获得等轴晶平均尺寸≤20μm、片层平均间距≤400nm的钛铝系合金。

16、作为优选结构，所述复合间隔防护层总厚度3.0～5.0mm，由双层结构贴合组成：内层为耐温≥1300℃、厚度1.0～2.0mm的高硅氧玻璃纤维布，外层为软化温度800～1000℃、厚度2.0～3.0mm的钛铝挤压用高温玻璃润滑剂；双层结构通过高温玻璃润滑涂料黏结，与钛铝系合金、包套无间隙贴合。

17、进一步优选地，所述复合间隔防护层优化参数：高硅氧玻璃纤维布耐温≥1350℃，玻璃润滑剂软化温度850～950℃，复合防护层总厚度3.5～4.5mm。

18、作为优选方案，所述包套为304不锈钢材质，包括包套本体、前端封盖、后端封盖；包套本体壁厚5～15mm，内外壁粗糙度ra2.5～4.0μm；前后端封盖厚度与钛铝系合金的外径比值为0.25～0.80，封盖外缘开设35°～55°倒角；前端封盖设有1～2个直径2.0～5mm通气孔；封盖与包套本体环缝密封、无渗漏。

19、作为优选工艺参数，所述高温挤压及冷却工艺具体为：钛铝系合金加热温度1250～1300℃，保温3～6h，挤压比3.5～5.5，挤压速度25～40mm/s；挤压全程通入高纯氩气防护，挤压完成后以50～80℃/h速率随包套空冷至室温。

20、本发明还提供一种钛铝系合金材料，采用上述钛铝系合金方法加工制得。

21、本发明最后提供一种航空航天用高强韧耐蚀抗蠕变钛铝系合金棒材，由上述钛铝系合金材料精加工制得，适配航空航天严苛工况使用需求。

22、本发明的有益效果如下：

23、本发明公开了一种钛铝系合金及其制备方法以及合金材料，通过优化合金成分配比、定制化制备工艺及改良包套挤压成型工艺，优化钛铝系合金综合性能，适配航空航天高端应用场景。

24、本发明精准调控合金核心铝含量，匹配多种合金元素合理配比，限定有害杂质含量，规避杂质对合金晶体结构的破坏，提升合金强度、韧性与耐腐蚀性。同时，本发明严格管控合金晶粒尺寸、片层间距及元素偏析系数，改善合金组织均匀性，改善成分偏析引发的性能波动问题，满足航空航天领域使用标准。

25、本发明采用高纯原料，配套真空混粉、高温干燥、致密压块、多循环真空熔炼、梯度缓冷及均匀化热处理的系统化制备工艺，严控各工序核心工艺参数。通过该整套制备流程，改善传统工艺原料混合不均、熔炼不充分、钛铝系合金铸锭疏松偏析、组织缺陷等问题，消除钛铝系合金铸锭热应力与内部缺陷，制备得到成分均匀、组织致密、性能稳定的钛铝系合金，为后续高精度挤压成型提供基础钛铝系合金保障。

26、本发明创新设置双层复合防护层，优化不锈钢包套结构尺寸及挤压成型工艺参数。双层复合防护层兼具界面隔离、成型润滑、高温防氧化的作用，可有效解决挤压成型过程中钛铝系合金粘连、型材表面划伤、界面氧化、成型精度差等成型缺陷问题。同时，优化后的包套结构与挤压工艺可细化合金晶粒、优化微观组织结构，有效提升钛铝系合金型材的成型精度、组织均匀性及力学性能。

27、本发明通过合金成分设计、钛铝系合金制备工艺、包套挤压成型工艺三大核心技术协同适配，形成完整的钛铝系合金制备成型技术体系，稳定产出高强度、高韧性、耐磨抗疲劳、耐腐蚀的钛铝系合金型材，可应用于航空航天高温耐磨结构件。