[发明专利]一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法

说明书

本发明涉及一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法，其中一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的粉末成分为Ti‑47.5Al‑6.8Nb‑0.2W，其元素重量百分比为：铝30.96％、铌16.02％、钨0.94％、铁0.02％、碳0.0055％、氮0.0158％、氢0.0021，余量为钛和不可避免的杂质元素。通过调整元素组分含量，为EBM工艺设计的高强TiAl合金成分方案为Ti‑47.5Al‑6.8Nb‑0.2W；与TNM合金相比，其中高含量的Al(47.5at.％)确保合金发生包晶凝固以避免织构形成，从而改善室温塑性；与TiAl‑4822合金相比，增加了Nb含量，并采用W代替Mo，从而保证合金具有更好的高温强度和抗蠕变性。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法。

背景技术

TiAl系合金具有高比强度和比模量以及良好的高温性能，可在高温下长期工作，而其密度仅为镍基高温合金的一半。TiAl合金的高比刚度值(E/ρ)使声激发振动的频率提高，非常符合作为涡轮静子叶环、工作叶片及气喷嘴部件时的工况。过去的10年里，TiAl合金在航空领域取得了重大进步，并逐渐得到应用，如GEnx发动机的最后两级低压涡轮工作叶片，使用铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb(TiAl-4822)合金替代原有的镍基高温合金，实现减重100千克。

与Ni基高温合金相比，限制TiAl合金应用的最大障碍是加工成本高及使用温度要求苛刻等问题。一方面，TiAl金属键和共价键混合的键和方式使其在具有优异高温性能的同时，还存在本征脆性、加工难度大、成材率低等问题；另一方面，从相组成来看，TiAl合金从室温到接近熔点一直保持长程有序结构，因此加工温度非常高，且显微组织和变形特性对温度非常敏感，这就需要特定的热加工工艺和高温装备。

从材料方面而言，TiAl-4822合金室温强度约400MPa，使用温度在650℃左右，为满足新一代航空发动机热端部件的轻量化需求，需开发具有更高强度、更高使用温度的TiAl合金制造技术。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金及其增材制造方法，解决了脆性材料的加工难题，实现成形研制的TiAl合金强度达到750MPa以上，同时实现材料使用温度提升150℃的技术问题。

(二)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金，粉末成分为Ti-47.5Al-6.8Nb-0.2W，其元素重量百分比为：铝30.96％、铌16.02％、钨0.94％、铁0.02％、碳0.0055％、氮0.0158％、氢0.0021，余量为钛和不可避免的杂质元素。

第二方面，提供了一种抗拉强度大于750MPa的高强TiAl合金的增材制造方法，包括步骤：

采用电子束选区熔化增材制造，在成形舱室内的两个料缸预先放置高强TiAl合金粉末；

调节成形制造的工艺参数；

采用优化工艺进行成形制造；

将成形完成后的材料进行热等静压处理；

对成形材料进行CT探伤检测；

加工制备室温拉伸试样，测试分析成形材料抗拉强度；

根据测试结果，调节成形制造的工艺参数，直至测试结果满足要求。

进一步地，所述成形舱室真空度为1×10^-3Pa～3×10^-3Pa。

进一步地，所述成形制造时，保持环境温度在1100～1150℃。