本發明屬于輕質合金制備與熱加工，具體涉及一種電流輔助tial合金超細納米碳化物顆粒動態析出的方法。

背景技術：

1、tial合金具有輕質耐高溫的優點，被公認為是極具發展潛力的新一代輕質高強葉片材料。對于鑄造tial合金來說，僅在凝固過程對增強顆粒的尺寸、形貌進行調控是遠遠不夠的，因為隨溫度降低，碳元素的分布位置被固定，即使碳化物的尺寸和形貌被成功調控，但由于c元素分布不均引起的偏聚問題無法從根本解決，這對tial合金的力學性能具有不利影響。因此，如何形成均勻細小的碳化物顆粒對改善微觀組織與力學性能至關重要。

2、專利cn202311534868.5公開了“一種納米雙析出相強化低合金超高強度鋼及其制備工藝”，通過將冶煉的鋼錠進行多次墩拔和鍛后熱處理，促進雙納米相析出，實現了低合金鋼的性能強化。但這些程序需要配合多種熱加工設備才能完成，析出相的精準調控很大程度依賴于熱加工工藝，這對熱加工工藝參數的要求很高。專利cn202210364022.0公開了“一種航天用高性能納米碳化tial合金復合材料及其擠壓成型方法”，通過外加納米碳化鈦粉末和擠壓成型相結合，制備出超細剛強的tial合金復合材料，但外加增強顆粒與tial基體之間的結合界面的潔凈度和強度有所下降。通過以上文獻檢索可知，現階段對碳化物及其他增強顆粒的調控主要是通過大塑性變形、熱處理以及元素摻雜等方式進行的。現有tial合金及復合材料調控工藝較為復雜，制備生產周期較長，且原位自生增強顆粒分布不均和尺寸粗大，這導致了tial合金的微觀組織和力學性能下降。

3、因此，對于tial合金這類熱加工性能較差，固態相變較為復雜的金屬間化合物來說，亟需尋求一種穩定的技術，能在較低程度的塑性變形和不改變合金凝固路徑的條件下，實現對增強顆粒形貌尺寸和分布的有效控制。

技術實現思路

1、本發明的目的是克服現有技術的不足而提供一種電流輔助tial合金超細納米碳化物顆粒動態析出的方法，通過在室溫或高溫拉伸情況下對合金試樣通入一定幅度的脈沖電流，促進c元素與tial基體反應形成超細納米碳化物顆粒，制成的tial合金相比原始的鑄態合金具有更均勻的微觀組織和可觀的室溫、高溫拉伸性能。

2、為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、一種電流輔助tial合金超細納米碳化物顆粒動態析出的方法，包括以下步驟：

4、步驟一、準備tial合金原料；

5、步驟二、使用真空非自耗電弧熔煉技術熔煉tial合金鑄錠；

6、步驟三、待tial合金鑄錠冷卻后將其取出并切割成長方體形狀的合金塊體；將合金塊體的兩端固定在拉伸設備上；將合金塊體與脈沖電源連接；

7、步驟四、合金塊體拉伸的同時對其施加脈沖電流。

8、進一步的，步驟四中，合金塊體的長度為45mm～55mm，利用拉伸設備夾在合金塊體的長度兩端對其進行拉伸，合金塊體的拉伸行程為2mm～10mm，拉伸速率為0.1mm/s～1mm/s。

9、進一步的，步驟四中，合金塊體拉伸時所承受的脈沖電流為5～30a，脈沖電流頻率為50～3000hz。

10、進一步的，步驟四中，在室溫條件下，對合金塊體進行拉伸和施加脈沖電流；同時對合金塊體進行強制風冷使其保持室溫溫度。

11、進一步的，步驟四中，在700℃～900℃的條件下，對合金塊體進行拉伸和施加脈沖電流。

12、進一步的，對于尺寸為50mm×30mm×20mm的合金塊體，拉伸行程為2mm～5mm，脈沖電流為10a～20a。

13、進一步的，步驟一中，tial合金原料的原子百分比組成為：al為35～60％，nb為0～10％，cr為0～10％，re為0～5％，c為0～12％，zr為0～5％，v為0～3％，余量為ti。

14、進一步的，步驟二中，使用真空電弧熔煉爐熔煉tial合金鑄錠；熔煉時在真空電弧熔煉爐內抽真空并通入氬氣進行氣氛保護，將電流從0勻速升至550～1000a，保持電流為550～1000a的狀態10～120s，隨后以10～50a/s的速度將電流降為0；待合金熔體凝固后，翻轉合金錠，以相同的工藝重復熔煉4～10次，冷卻后得到合金鑄錠。

15、進一步的，在坩堝內放置tial合金原料時，先將tial合金原料中的粉末烘干、鋁箔包覆后放在坩堝底部；再將尺寸較小的顆粒放在粉末上部，再將大塊海綿鈦放在顆粒最上部。

16、進一步的，熔煉前，先用機械泵和分子泵將爐內抽至負壓，之后通入高純氬氣洗爐；然后再用機械泵和分子泵將真空電弧熔煉爐內抽至真空度低于6×10-2～3×10-4pa，再在真空電弧熔煉爐內沖入氬氣作為氣氛；氬氣氣壓為0.05pa。

17、本發明的原理是，本發明在較快的凝固速度下，使得熔鑄后的微觀組織包含(α2+γ)片層團，少量b2相和等軸γ相，不析出碳化物顆粒，使得c元素處于固溶(c元素含量較少)或過飽和(c元素含量較多)狀態。然后將熔鑄后的合金在700℃～900℃范圍內進行拉伸微變形，在該過程中向合金塊體中通入脈沖電流，在溫度、應力與電流耦合作用下促進晶格持續畸變和納米缺陷不斷積累，從而促進c元素的脫溶析出并與其他元素的快速反應。由于受電流自身的多種效應、位錯運動和相變的影響，碳化物的形核率增加，尺寸大幅降低并趨于球化。這些均勻析出的原位自生超細碳化物顆粒與tial基體具有潔凈的、結合強度較好的相界面；包含了少量的nb、cr等元素，降低了這些元素的偏析程度和脆性b2相的含量；還可以在塑性變形過程中有效釘扎位錯，促進機械孿晶形核，避免了由大尺寸碳化物的偏聚帶來的應力集中，進而提高了tial合金的室溫與高溫力學性能。

18、本發明制備的tial合金中包含(α2+γ)片層團，尺寸僅為十幾納米的碳化物顆粒，少量b2相和等軸的γ相，相比原始的熔鑄態tial合金，對合金塊體施加脈沖電流和拉伸變形(通電拉伸變形)后，拉伸強度有不同程度的增加。

19、本發明的有益效果是：

20、一、本發明巧妙地利用微變形與脈沖電流相結合的方法，將電場、熱場與力場耦合，在室溫和高溫條件下均能有效促進超細納米碳化物顆粒的動態析出；與傳統的熱變形與熱處理工藝相比，該過程不需要大型熱加工設備和多種加工工序，降低了能量消耗和制備周期。

21、二、本發明在拉伸變形過程中通入脈沖電流，電流產生的焦耳熱效應、純電致塑性效應能快速改善tial合金的微觀組織，降低合金的流變應力和能量勢壘；在室溫下，相比于合金的純拉伸變形，脈沖電流作用于tial合金中，能有效激活更多的位錯滑移系統和原子擴散，進而更容易促使納米碳化物動態析出。

22、三、本發明提出的方法使得tial合金中析出了超細納米碳化物顆粒，這些顆粒的尺寸僅為十幾納米，它們與tial基體之間具有良好的結合界面，分布在相界面和相內部可以有效釘扎位錯滑移和晶界遷移，又不會引起嚴重的應力集中，在受力時具有承擔和傳遞載荷作用，顯著提高了tial合金的室溫與高溫拉伸性能。

23、四、本發明提供的這種方法具有適應性廣，不僅對tial合金，對于塑性變形能力較好的或難變形的合金都適用，這種方法不需要使合金發生很高程度的塑性變形，也不需要固溶時效處理等熱處理工藝，便能顯著改善合金的微觀組織，工藝較為簡便，易于操作，節省制備時間和生產成本。