钛铝合金模具、钛铝合金外包套的制备方法及应用钛铝合金模具进行放电等离子烧结的方法

摘要

本申请涉及一种钛铝合金模具、钛铝合金外包套的制备方法及应用钛铝合金模具进行放电等离子烧结的方法，其经过三次真空自耗电弧熔炼后锻造制备出TiAl合金，并切削加工成满足服役要求的TiAl合金模具，且该模具采用高温TiAl合金层和石墨内衬层紧配合的套筒组合方式，并在TiAl合金与石墨内衬层接触面涂覆阻断剂，防止石墨与钛之间发生反应，提高模具的使用寿命；该模具可以使得放电等离子和热压烧结在1300摄氏度时施加140MPa压力，解决了石墨环向抗拉能力差(<40～70MPa)，高温施加压力不足，导致试样不致密的问题，并且保证了模具的导电导热性能。

说明书

技术领域

本申请属于TiAl合金铸造加工技术领域，尤其涉及一种钛铝合金模具、钛铝合金外包套的制备方法及应用钛铝合金模具进行放电等离子烧结的方法。

背景技术

放电等离子烧结是一种新型的粉末冶金烧结设备，不同于传统热压炉，其特征是通过上下压头施加脉冲高能电流束流，通过粉末之间放电升温；因此，放电等离子设备一般采用导电导热性能高、高温硬质的石墨材料，而石墨的环向抗拉强度差(<40～70MPa)，烧结过程中难以施加较高的压力使得材料致密。而TiAl合金是已被用于飞机发动机一类耐高温材料，其在1300℃时可以承受140MPa以上的压力，但其导电导热性能差，活泼易反应的特性不适宜直接作为模具使用。

公开号为CN101797646B的中国专利，公开了一种真空热压炉用高强碳/碳热压模具的制备方法，采用碳布环向连续缠绕，化学气象渗透于树脂压力浸渍制备成型，可以有效的降低模具厚度，提高环向抗拉强度，但是环向抗拉强度提升有限<60～80MPa，无法突破高压高温瓶颈。

公开号为104148630A的中国专利，公开了一种真空热压烧结模具，该模具可以一次制备多种成分的试样，结构简单，但采用传统石墨模具，极大的限制了其烧结压力。

发明内容

为解决上述背景技术中存在的问题，本申请采用TiAl合金外包套和石墨内衬的新型配合方式，并将其应用在放电等离子烧结工艺中，克服了放电等离子烧结高温压力不足的问题。

具体的，本申请第一方面提供一种TiAl合金模具，包括：高温高压服役性的TiAl合金外包套和石墨内衬；所述TiAl合金模具能够满足热压烧结在1300摄氏度时施加140MPa压力。

作为本申请的进一步说明，所述TiAl合金外包套的内径为渐变内径，所述石墨内衬的外径为与所述TiAl合金外包套内径相配合的渐变外径。

作为本申请的进一步说明，所述石墨内衬的内外壁均涂覆阻断剂；所述阻断剂的名义成分为氧化铱、阻燃型粘结剂，且m(氧化铱):m(阻燃型粘结剂)＝1：5。

本申请第二方面提供一种上述的TiAl合金外包套的制备方法，包括如下步骤：

配制TiAl合金生胚料；

将所述TiAl合金生胚料经真空自耗电弧熔炼，然后进行热等静压处理；

将所述热等静压处理后的TiAl合金胚料锻造多次，并保温处理；

将所述锻造完成的TiAl合金进行切削加工处理，得满足使用条件的TiAl合金外包套。

作为本申请的进一步说明，所述TiAl合金生胚料中：m(Ti):m(Al)＝1:1、m(Cr):m(Nb)＝1:1；且Ti和Al总量占所述生胚料总质量分数的96％；Cr和Nb总量占所述生胚料总质量分数的4％。

作为本申请的进一步说明，所述TiAl合金生胚料经三次真空自耗电弧熔炼，然后热等静压1280℃，压力140MPa,保温4h。

作为本申请的进一步说明，所述锻造和所述保温处理过程具体包括：所述热等静压处理后的TiAl合金胚料沿着铸棒锻造4次，每锻一次回炉保温1h，锻造温度1280℃，变形速率0.2～0.3mm/s，锻完后1280℃保温1h，炉冷900℃保温6h。

作为本申请的进一步说明，所述切削加工处理过程具体包括：将所述锻造完成的TiAl合金按需求加工成渐变内径，并对所述TiAl合金内壁进行刨铣处理，内壁光洁度<50μm。

本申请第三方面提供一种应用上述的TiAl合金模具进行放电等离子烧结的方法，包括如下步骤：

在所述石墨内衬的外壁涂覆阻断剂，并将所述石墨内衬装配入所述TiAl合金外包套组成所述模具整体；

在所述石墨内衬的内壁涂覆阻断剂，并内壁依附紧贴一层石墨纸；

将涂覆有阻断剂的压头压入所述模具内并装料；

液压机施加压力压实粉料，将所述TiAl合金模具套上保温石墨毛毡包裹整个外壁后装入放电等离子烧结炉烧结。

作为本申请的进一步说明，当烧结材料为TC4粉料时，所述烧结的温度为1000℃，所述烧结的压力为80MPa，所述烧结的时间为10min；

当烧结材料为纯铝粉料时，所述烧结的温度为500℃，所述烧结的压力为<110MPa,所述烧结的时间为10min。

与现有技术相比，本申请具有以下有益的技术效果：

(1)本申请中的外包套主要采用的合金体系是航空发动机高温TiAl合金，通过改变其热加工方式获得所需高温高压服役性能材料。

(2)本申请中的TiAl合金外包套加工设计成渐变内径，可以使内外两层模具紧密配合，转移环向分切应力，延长模具寿命。

(3)本申请提供的TiAl合金模具在应用在烧结炉上时配合使用阻断剂，其保护模具的同时能够弥补不同模具材料之间热膨胀差造成的间隙，防止内衬过早破裂。

(4)本申请提供的TiAl合金模具可以在1300℃时施加140MPa压力，远超现有石墨模具3倍强度。

附图说明

图1是本申请中TiAl合金模具的高温拉伸图；

图2是本申请中TiAl合金模具结构示意图；

图3是本申请中石墨内衬(a)和TiAl合金外包套(b)的剖视结构示意图；

图4是本申请中经放电等离子烧结的纯铝密度；

图5是本申请中TiAl合金外包套实物效果图，(a)-加压至110MPa时石墨压头碎裂图，(b)-经放电等离子烧结后的TiAl合金模具图，(c)-放电等离子烧结的钛合金试样，(d)-脱模后的TiAl合金外包套。

附图标记说明

1-TiAl合金外包套；2-阻断剂；3-石墨内衬；4-压头；5-石墨纸；6-粉料。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将结合具体实施例对本申请的技术方案加以解释。

实施例1

一种TiAl合金模具，包括：高温高压服役性的TiAl合金外包套1和石墨内衬3；所述TiAl合金模具能够满足热压烧结在1300摄氏度时施加140MPa压力。

进一步的，所述TiAl合金外包套1的内径为渐变内径，所述石墨内衬3的外径为与所述TiAl合金外包套1内径相配合的渐变外径。

更进一步的，所述石墨内衬3的内外壁均涂覆阻断剂2；所述阻断剂2的名义成分为氧化铱(99.97％)、阻燃型粘结剂，且m(氧化铱):m(阻燃型粘结剂)＝1：5。

实施例2

一种实施例1所述的TiAl合金外包套的制备方法，包括如下步骤：

步骤201：配制TiAl合金生胚料；其中所述TiAl合金生胚料中：m(Ti):m(Al)＝1:1、m(Cr):m(Nb)＝1:1；且Ti和Al总量占所述生胚料总质量分数的96％；Cr和Nb总量占所述生胚料总质量分数的4％；

步骤202：所述TiAl合金生胚料经三次真空自耗电弧熔炼，然后热等静压1280℃，压力140MPa，保温4h；

步骤203：所述热等静压处理后的TiAl合金胚料沿着铸棒锻造4次，每锻一次回炉保温1h，锻造温度1280℃，变形速率0.2～0.3mm/s，锻完后1280℃保温1h，炉冷900℃保温6h；

步骤204：将所述锻造完成的TiAl合金按需求切削加工成渐变内径，为保证内壁光滑，对所述TiAl合金内壁进行刨铣处理，内壁光洁度<50μm。

实施例3

一种应用实施例1所述的TiAl合金模具进行放电等离子烧结的方法，包括如下步骤：

步骤301：在所述石墨内衬3的外壁涂覆阻断剂，并将所述石墨内衬3装配入所述TiAl合金外包套1组成所述模具整体；

步骤302：在所述石墨内衬3的内壁涂覆阻断剂2，并内壁依附紧贴一层石墨纸5；

步骤303：将涂覆有阻断剂2的压头4压入所述模具内并装粉料6；

步骤304：液压机施加30MPa的压力压实粉料6，将所述TiAl合金模具套上保温石墨毛毡包裹整个外壁后装入放电等离子烧结炉烧结。

其中，当烧结材料为TC4粉料时，所述烧结的温度为1000℃，所述烧结的压力为80MPa，所述烧结的时间为10min；当烧结材料为纯铝粉料时，所述烧结的温度为500℃，所述烧结的压力为<110MPa,所述烧结的时间为10min。

此外，实施例3中所使用阻断剂的名义成分为氧化铱(99.97％)、阻燃型粘结剂，且m(氧化铱):m(阻燃型粘结剂)＝1：5，将上述成分的组分混合并充分搅拌得阻断剂。

以上给出的实施例是实现本申请较优的例子，本申请不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本申请技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本申请的保护范围。