本發明涉及粉末冶金技術領域，具體涉及一種鈦鋁金屬間化合物制備方法。

背景技術：

鈦鋁(tial)基金屬間化合物具有比重低、高溫強度好、抗氧化及抗蠕變性能優良等特點，同其他高溫合金相比具有更加優異的高溫綜合性能，被認為是最有應用前景的新一代輕質高溫結構材料。但是tial基合金室溫延性低，塑性加工成形困難的問題阻礙其工業化應用。相對于傳統鑄造工藝，粉末冶金制備工藝具有獨特優勢，它不僅可以獲得均勻細晶組織，而且可以直接制備出具有或接近最終形狀的零件，因此成為解決tial基合金發展瓶頸的有效途徑。

隨著粉體制備技術的不斷發展，目前采用等離子旋轉電極霧化法、無坩堝感應加熱連續惰性氣體霧化法、自蔓延高溫合成法、流化床氣流磨研磨法、射頻等離子體球化法等技術均可有效制備tial基合金粉末。但以合金粉末為原料制備tial基合金過程中發現合金粉末燒結活性低、致密化困難，導致粉末冶金tial合金力學性能得不到充分發揮。通常為實現tial合金粉末成形坯致密化，需要在靠近液相線溫度下高溫燒結或者加壓燒結，如放電等離子燒結，熱壓，熱等靜壓等等。而采用這些工藝往往導致制品形狀單一，復雜零件無法制備，且制備成本大大增加。因此，實現高性能tial基合金的無壓燒結致密化是目前粉末冶金tial合金領域發展所面臨的核心問題。

采用添加燒結助劑進行強化燒結已經在w-cu，8ysz，ti-ni等材料體系中得到廣泛應用，其機理為通過生成液相在粉末顆粒間提供快速擴散通道促進合金致密化，降低燒結溫度及改善燒結性能。目前針對tial合金強化燒結的相關報道較為鮮見。曾有研究指出，添加ni、cu等元素可提高合金粉末的燒結致密化程度，改善tial基合金的室溫力學性能。而添加元素的選擇除了促進燒結外，還應作為合金化元素避免對合金綜合性能產生不利影響。有研究表明cu、ni添加元素會對合金高溫力學性能和高溫抗氧化性能產生不利影響。因此除現有的研究報道外還有必要繼續探索其他更為合適的燒結助劑。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供一種添加sn強化燒結粉末冶金tial基合金的方法，以實現低成本制備高致密、高性能的tial基合金材料。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種添加sn強化燒結粉末冶金tial基合金的方法，所述方法包括如下步驟：

s1：粉末原料準備，選取tial基預合金粉末和sn粉，并確定預合金粉末與sn粉的配比；

s2：混合，將s1步驟準備的粉末放入混料機中混合均勻；

s3：制坯，將s2步驟混合后的粉末制備成生坯料；

s4：燒結，將s3步驟的所述坯料放入燒結爐中，在真空條件下或者惰性氣體保護條件下無壓燒結；保溫結束并隨爐冷卻后獲得添加sn強化燒結粉末冶金tial基合金。

進一步，所述s1步驟中，所述tial基預合金粉末組成成分以原子百分比計：al含量為43～49at.％，nb含量為：0～9at.％，微合金化元素總含量為0～2at.％，余量為ti；所述sn粉添加量占sn粉和tial基預合金粉末總質量的0.8～8wt.％。

進一步，所述微合金化元素為cr、b、w、y、v中的任一種或多種。

進一步，所述nb含量為2-9at.％，微合金化元素總含量為0.5～2at.％。

進一步，所述tial基預合金粉末的粒度為低于-200目標準篩；所述sn粉的粒度為低于-500目標準篩。

進一步，所述s2步驟中的制坯包括采用機械單向壓制、機械雙向壓制、冷等靜壓或者注射成形中的任意一種，所述生坯料的相對密度為70-85％。

進一步，所述s4步驟中所述燒結溫度為1400～1520℃，保溫時間為60-120min。

進一步，所述s4步驟中所述燒結包括中間保溫過程，所述保溫溫度為1100～1300℃，保溫時間為30～60min。

進一步，所述s4步驟中所述燒結工藝為分兩個階段，第一階段以7～10℃/min快速升溫至1100～1300℃，進行保溫30～60min；隨后以2～4℃/min緩慢升溫至1400～1520℃，保溫60～120min。

進一步，所述s4步驟中的真空條件的真空度低于10^-2pa，或者所述惰性氣體為氬氣，流量為0.5l/min以上。

tial基合金粉末燒結活性低、致密化困難，導致粉末冶金制品的性能得不到充分發揮，這是目前制約粉末冶金tial合金發展與應用的瓶頸問題。通常為實現tial合金粉末成形坯致密化，需要加壓燒結或者在靠近液相線溫度燒結，往往導致制品形狀單一，復雜零件無法制備，同時晶粒粗大，制備成本大大增加。本發明是基于瞬時液相燒結理論，提出添加元素sn作為tial基合金粉末的強化燒結助劑，其原理是通過在合金粉末顆粒界面瞬時形成液相來提供快速擴散通道，從而有效促進成形坯燒結致密化過程。添加sn還能夠相應降低合金粉末的燒結溫度，抑制晶粒粗大，有利于改善燒結體性能。同時作為tial基體的合金化元素，sn原子主要傾向于置換al原子，可增加合金中d電子，削弱ti3d-al3p鍵合方向性，使合金塑性得到改善；sn加入也可改善晶胞體積及晶格常數比，細化組織并使片層更為均勻；另外，sn元素是tial高溫抗氧化性能影響的中性元素，sn添加不會對tial合金抗氧化性產生不利影響。

sn作為強化燒結助劑，在燒結致密化初期會與ti、al形成三元共晶液相，液相在毛細管力作用下填充孔隙并鋪展在顆粒表面，從而增加顆粒接觸面積，改善傳質過程，加速粉末燒結致密化過程的進行；在燒結后期傳質過程完成，析出相擴散完全，液相消失，sn元素最終均勻固溶在合金基體中。這種瞬時液相燒結過程可通過改變sn含量、加熱速率以及粉末粒度等來控制，使形成液相總量和遷移行為能夠滿足相應孔隙率要求，以保證強化燒結的良好效果。因此，sn元素添加量是最為關鍵的技術參數，如果含量過低，形成液相總量不足，無法充分填充孔隙促進燒結致密化過程；但sn添加過量則會導致網狀低熔點析出相保留至室溫，導致材料力學性能惡化。為此經大量實驗研究表明，sn含量適宜為0.8～8wt.％范圍內。

此外，在相同的sn含量條件下，燒結速率也會影響到瞬時液相的產生及鋪展過程以及sn和tial基體之間的互擴散及物質遷移行為。為此根據sn-ti-al三元相圖及熱力學計算結果，設計兩步燒結工藝路線，并通過大量實驗優化工藝參數。即在燒結初期快速升溫至三元共晶液相形成溫度，可提高液相總量并促進液相在合金粉末表面的鋪展過程，使生成液相充分填充孔隙，為物質遷移提供快速擴散通道。如所述溫度過低，液相形成總量則較低，而溫度過高則使析出液相過早被基體粉末吸收，均會削弱sn對tial基合金粉末的強化燒結效果，為此適宜的溫度范圍為1100～1300℃，保溫30～60min。隨后為促進元素均勻擴散及收縮變形控制，低速升溫至致密化燒結溫度，完成物質傳輸及致密化過程，根據合金成分的熔點不同，其致密化燒結溫度不同，其適宜的溫度范圍為1400～1520℃，保溫60～120min。

本發明有益效果在于：

(1)創造性的選取sn作為燒結助劑在燒結過程中產生三元瞬時液相促進合金粉末的燒結致密化，降低燒結溫度，縮短燒結時間。

(2)制備工藝簡單、流程短，對設備要求較低，合金成分易于控制，并保持粉末冶金凈近成形的優勢。

(3)添加sn強化燒結的鈦鋁合金材料致密度高，成分均勻，組織細小，其力學性能明顯優于未添加合金。

(4)sn作為燒結助劑對基體高溫力學性能及高溫抗氧化性能無不良影響。

(5)該工藝可使獲得全致密的粉末冶金產品成為可能，此外相比持續液相燒結，可避免由于大量液相出現導致的燒結產品變形大、尺寸精度難以控制等問題，同時亦可節省能源和設備消耗。

附圖說明

通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對于本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1為實施例1添加2.8wt.％sn為燒結助劑和未添加燒結助劑制備的粉末冶金燒結tial基合金的微觀組織掃描電鏡對比圖。

圖2為實施例1添加2.8wt.％sn為燒結助劑和未添加燒結助劑制備粉末冶金燒結tial基合金力學性能曲線對比圖。

圖3為實施例1添加2.8wt.％sn為燒結助劑和未添加燒結助劑制備的粉末冶金燒結tial基合金分別在900℃，氧化0～100小時后的氧化增重對比圖。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本公開的示例性實施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實施方式，然而應當理解，可以以各種形式實現本公開而不應被這里闡述的實施方式所限制。相反，提供這些實施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠將本公開的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。

實施例1

以-400目ti-45al-8.5nb-0.5(b,w,y)(含義為按原子百分比計al45％，nb8.5％，b、w和y的合計含量為0.5％，余量為ti，下同)預合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為2.8wt.％。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制成生坯，生坯相對密度為70％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以7℃/min快速升溫至1100℃，進行保溫，保溫時間為60min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1500℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

性能檢測：

1)微觀組織：與未添加燒結助劑的粉末冶金燒結tial合金分別取試樣進行掃描電鏡觀察，如圖1所示，從圖中可以看出添加燒結助劑的tial合金孔隙度明顯低于未添加燒結制備合金。

2)相對密度測試：添加sn合金相對密度為98.4％，而未添加sn合金相對密度為96.5％；

3)力學性能測試：如圖2所示，制備合金的室溫抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別為2950mpa、790mpa和35％，力學性能指標均高于未添加sn燒結制備的tial基合金2700mpa、640mpa和32％。

4)氧化增重測試：如圖3所示，制備合金在900℃氧化100h后氧化增重為2.13mg/cm²，優于未添加sn燒結制備合金的2.46mg/cm²。

實施例2

以-400目ti-45al-9nb預合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模雙向壓制成生坯，生坯相對密度為75％，隨后將得到的壓坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以10℃/min快速升溫至1300℃，進行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1480℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進行相對密度和力學性能性能檢測，結果為：合金相對密度由未添加的95.8％提升至98.5％；制備合金的抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別由未添加的2700mpa、640mpa和32％提升至2800mpa、680mpa和34％。

實施例3

以-200目ti-45al-5nb預合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為0.8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入軟模冷等靜壓成生坯，生坯相對密度為85％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以10℃/min快速升溫至1150℃，進行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1480℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進行相對密度和力學性能性能檢測，結果為：合金相對密度由未添加的96.8％提升至97.8％；制備合金的抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別由未添加的2266mpa、588mpa和28.6％提升至2700mpa、590mpa和30％。

實施例4

以-200目ti-45al-5nb預合金粉末為原料，添加粒徑-500目篩sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制成生坯，生坯相對密度為75％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以10℃/min快速升溫至1200℃，進行保溫，保溫時間為60min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1450℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進行相對密度和力學性能性能檢測，結果為：合金相對密度由未添加的95.6％提升至97.9％；制備合金的抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別由未添加的2266mpa、588mpa和28.6％提升至2600mpa、550mpa和32％。

實施例5

以-325目ti-47al-2nb-2cr預合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為1.4wt.％sn。將粉末與粘結劑均勻混合后，注射成形并脫脂后獲得生坯，生坯相對密度為80％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以10℃/min快速升溫至1250℃，進行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1460℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進行相對密度和力學性能性能檢測，結果為：合金相對密度由未添加的95.9％提升至98.1％；制備合金的抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別由未添加的1940mpa、518mpa和26.2％提升至2660mpa、540mpa和32％。

實施例6

以-325目ti-47al-2nb-2cr預合金粉末為原料，添加-500目sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為5.4wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制成生坯，生坯相對密度為72％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以10℃/min快速升溫至1300℃，進行保溫，保溫時間為30min；隨后以4℃/min緩慢升溫至1430℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進行相對密度和力學性能性能檢測，結果為：合金相對密度由未添加的94.3％提升至98.6％；制備合金的抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別由未添加的1940mpa、518mpa和26.2％提升至2620mpa、534mpa和28.5％。

實施例7

以-500目ti-43al預合金粉末為原料，添加-800目sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為2.8wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模雙向壓制成生坯，生坯相對密度為76％，隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以10℃/min快速升溫至1180℃，進行保溫，保溫時間為30min；隨后以4℃/min緩慢升溫至1430℃，保溫60min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進行相對密度和力學性能性能檢測，結果為：合金相對密度由未添加的95.5％提升至97.8％；制備合金的抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別由未添加的1860mpa、472mpa和26.15％提升至2130mpa、490mpa和32％。

實施例8

以-500目ti-49al預合金粉末為原料，添加-800目sn粉作為燒結助劑，添加sn后混合粉末中sn元素含量為5.4wt.％sn。將粉末均勻混合后，裝入鋼模單向壓制生坯，生坯相對密度為74％；隨后將得到的生坯置于真空管式爐中進行燒結。燒結工藝為：以10℃/min快速升溫至1260℃，進行保溫，保溫時間為30min；隨后以2℃/min緩慢升溫至1400℃，保溫120min，之后隨爐冷卻至室溫，得到tial基合金塊體材料。

進行相對密度和力學性能性能檢測，結果為：合金相對密度由未添加的93.8％提升至98.6％；制備合金的抗壓強度、屈服強度、壓縮率分別由未添加的1660mpa、410mpa和25％提升至2010mpa、460mpa和31％。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。