一種含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法

2023-06-01 16:57:41

一種含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法
【專利摘要】一種含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，它涉及一種含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法。本發明的目的在於針對含τ3相的γ-TiAl基合金，通過熱處理獲得細小均勻全片層組織，進而優化組織提高合金性能。方法：將合金試樣裝入坩堝後放入熱處理爐中保溫，然後轉移至爐溫為900℃～1000℃的熱處理爐中，保溫30min～50min後，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理後的合金試樣；將熱處理後的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100～200μm的均勻全片層組織。本發明用於含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的熱處理。
【專利說明】—種含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法。

【背景技術】
[0002]Y-TiAl基合金是一種新型的高溫結構材料，具有高熔點、低密度、高彈性模量以及較好的高溫強度、阻燃能力、抗氧化性等優點，是一種具有廣闊應用前景的新型輕質耐熱高溫結構材料，被認為是極具競爭潛力的下一代航空發動機用結構材料之一。然而，TiAl金屬間化合物粗大的組織及低的室溫塑性限制了其廣泛應用。針對TiAl基合金室溫塑性差的問題，從目前的研究現狀看，室溫塑性差的原因主要有:(一)TiAl基合金中原子排列的有序性和原子間的共價鍵結合特性；(二)微觀變形方式較少和變形機制複雜；(三)顯微組織粗大和界面結合強度低等。研究結果表明，TiAl基合金的顯微組織顯著影響著其室溫力學性能，細小、均勻的顯微組織可以使合金在保持較高高溫力學性能的同時，獲得較高的室溫力學性能。數十年來，國內外學者在TiAl金屬間化合物的組織和性能方面做了大量的探索與研究。結果顯示，通過加入一定量的合金元素，改變合金的凝固路徑，可以細化Y-TiAl的鑄態組織。含β相Y-TiAl基合金就是利用這種方法，通過添加足夠量的β穩定元素使合金由傳統的L — L+β — α…變為L —L+β — β —…，得到細小的鑄態組織。通過研究T1-Al-Ni三元相圖發現，通過添加少量的合金元素Ni也可以改變合金凝固路徑，使合金由傳統的L —L+β — α…變為L —L+β — α + τ3—…，得到細小的鑄態組織。對於含13相的新型γ-TiAl基合金而言，τ3相的引入使合金組織具有較小的晶粒尺寸(?100 μ m)，但是也在一定程度上影響了組織的均勻性。如何獲得細小均勻的全片層組織是獲得良好力學性能的關鍵。


【發明內容】

[0003]本發明的目的在於針對含τ 3相的Y-TiAl基合金，通過熱處理獲得細小均勻全片層組織，進而優化組織提高合金性能，而提供一種含13相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法。
[0004]本發明一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0005]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10X10X10)mm?(20X20X20)mm的合金試樣，將合金試樣裝入坩堝後放入熱處理爐中，在溫度為1350°C?1400°C的條件下保溫lh?4h，然後轉移至爐溫為900°C?1000°C的熱處理爐中，在溫度為900°C?1000°C的條件下保溫30min?50min後，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理後的合金試樣；將熱處理後的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:47%?48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和餘量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆製成。
[0006]本發明的有益效果是:
[0007]本發明中合金經熔煉後直接通過熱處理獲得細小均勻的全片層組織，所獲得的片層團組織分布均勻、尺寸細小，沒有經過熱機械加工工藝細化組織，極大地增大了材料的利用率，同時也降低了鑄態合金應用前的加工成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠未處理前的原始背散射照片；
[0009]圖2為實施例一中熱處理後的合金試樣的組織背散射照片；
[0010]圖3為實施例一中熱處理後的合金試樣的組織透射電子顯微照片；
[0011]圖4為實施例三中熱處理後的合金試樣的組織背散射照片；
[0012]圖5為實施例三中熱處理後的合金試樣的組織透射電子顯微照片。

【具體實施方式】
[0013]【具體實施方式】一:本實施方式一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0014]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10X10X10)mm?(20X20X20)mm的合金試樣，將合金試樣裝入坩堝後放入熱處理爐中，在溫度為1350°C?1400°C的條件下保溫lh?4h，然後轉移至爐溫為900°C?1000°C的熱處理爐中，在溫度為900°C?1000°C的條件下保溫30min?50min後，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理後的合金試樣；將熱處理後的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:47%?48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和餘量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆製成。
[0015]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述含τ 3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的製備方法是按以下步驟進行:
[0016]一、按各元素摩爾百分比為A1:47%?48%、Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和餘量的Ti，分別稱取海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆；
[0017]二、將步驟一稱取的金屬通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解純鉻層、鎳豆層和海綿鈦層，得到金屬壓塊；
[0018]三、將水冷銅坩堝感應熔煉爐中的金屬鑄型預熱至300?400°C，然後將步驟二得到的金屬壓塊放入水冷銅坩堝感應熔煉爐中，抽真空至1.0X10_3?3.0X10_3mbar，再以10?15kW/min速率將熔煉功率升至80?90kW後熔煉300?400s得熔體，然後將熔體澆鑄到預熱的金屬鑄型中，並隨爐冷卻，即得到含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠；
[0019]其中，海綿鈦的質量純度為99.7%，高純鋁質量純度為99.99%，鋁鈮中間合金的質量純度為99.8%，電解鉻的質量純度為99.99%，鎳豆的質量純度為99.99% ;各原料為市售產品。其他與【具體實施方式】一相同。
[0020]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:在溫度為1360°C的條件下保溫4h。其他與【具體實施方式】一或二相同。
[0021]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:在溫度為1400°C的條件下保溫2h。其他與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0022]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:然後轉移至爐溫為950°C的熱處理爐中。其他與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0023]通過以下實施例驗證本發明的有益效果:
[0024]實施例一:一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0025]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10X 10X 10)mm的合金試樣，將合金試樣裝入?甘禍後放入熱處理爐中，在溫度為1360°C的條件下保溫2h，然後轉移至爐溫為900°C的熱處理爐中，在溫度為900°C的條件下保溫30min後，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理後的合金試樣；將熱處理後的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相
Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:3%和餘量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆採用水冷銅坩堝真空感應凝殼熔煉而成。
[0026]熱處理後的合金試樣經金相砂紙從60目磨到2000目，再用電解拋光機精拋；X射線衍射試樣經水洗砂紙從180目磨到1000目，再用無水乙醇清洗表面；透射樣品為
0.5mm的薄片，用砂紙磨到60 μ m厚,再採用雙噴減薄技術製備。實驗結果表明，合金試樣在1360°C保溫4h，在溫度為900°C的條件下保溫30min後可以獲得均勻細小的全片層組織。利用掃描電子顯微鏡進行分析，圖1為含13相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠未處理前的原始背散射照片；圖2為實施例一中熱處理後的合金試樣的組織背散射照片；從圖2與圖1中的組織相比可以看出，熱處理後的合金試樣獲得了襯度一致的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為150 μ m。利用透射電子顯微鏡進行分析，圖3為實施例一中熱處理後的合金試樣的組織透射電子顯微照片；從圖3可以看出熱處理後的合金試樣合金層片團內部板條界面平直無析出物。
[0027]實施例二:一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0028]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(20X20X20)mm的合金試樣，將合金試樣裝入?甘禍後放入熱處理爐中，在溫度為1360°C的條件下保溫4h，然後轉移至爐溫為950°C的熱處理爐中，在溫度為950°C的條件下保溫30min後，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理後的合金試樣；將熱處理後的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相
Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:3%和餘量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆採用水冷銅坩堝真空感應凝殼熔煉而成。
[0029]實驗結果表明，熱處理後的合金試樣得到均勻細小的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為180 μ m。
[0030]實施例三:本實施例與實施例一不同之處在於:在溫度為1400°C的條件下保溫lh,然後轉移至爐溫為950°C的熱處理爐中，在溫度為950°C的條件下保溫30min。其他與實施例一相同。
[0031]圖4為實施例三中熱處理後的合金試樣的組織背散射照片；從圖4與圖1中的組織相比可以看出，熱處理後的合金試樣獲得了襯度一致的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為150 μ m。利用透射電子顯微鏡進行分析，圖5為實施例三中熱處理後的合金試樣的組織透射電子顯微照片；從圖5可以看出熱處理後的合金試樣合金層片團界面光滑無析出物。
[0032]實施例四:本實施例與實施例二不同之處在於:在溫度為1400°C的條件下保溫2h,然後轉移至爐溫為950°C的熱處理爐中，在溫度為950°C的條件下保溫50min。其他與實施例二相同。
[0033]實驗結果表明，熱處理後的合金試樣得到均勻細小的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為200 μ m。
【權利要求】
1.一種含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特徵在於含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行: 從尺寸為O50X60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10 X 10 X 10) mm?(20 X 20 X 20) mm的合金試樣，將合金試樣裝入坩堝後放入熱處理爐中，在溫度為1350°C?1400°C的條件下保溫Ih?4h，然後轉移至爐溫為900°C?1000°C的熱處理爐中，在溫度為900°C?1000°C的條件下保溫30min?50min後，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理後的合金試樣；將熱處理後的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200μπι的均勻全片層組織，即完成含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為Al:47%?48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和餘量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆製成。
2.根據權利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特徵在於所述含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的製備方法是按以下步驟進行: 一、按各元素摩爾百分比為Al:47%?48%、Nb:2%, Cr:2%,N1:2%?3%和餘量的Ti，分別稱取海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆； 二、將步驟一稱取的金屬通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解純鉻層、鎳豆層和海綿鈦層，得到金屬壓塊； 三、將水冷銅坩堝感應熔煉爐中的金屬鑄型預熱至300?400°C，然後將步驟二得到的金屬壓塊放入水冷銅坩堝感應熔煉爐中，抽真空至1.0X10_3?3.0X10_3mbar，再以10?15kff/min速率將熔煉功率升至80?90kW後熔煉300?400s得熔體，然後將熔體澆鑄到預熱的金屬鑄型中，並隨爐冷卻，即得到含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠； 其中，海綿鈦的質量純度為99.7%，高純鋁質量純度為99.99 %，鋁鈮中間合金的質量純度為99.8%，電解鉻的質量純度為99.99%，鎳豆的質量純度為99.99% ;各原料為市售女口廣叩ο
3.根據權利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特徵在於在溫度為1360°C的條件下保溫4h。
4.根據權利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特徵在於在溫度為1400°C的條件下保溫2h。
5.根據權利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特徵在於然後轉移至爐溫為950°C的熱處理爐中。
【文檔編號】C22F1/18GK104388862SQ201410631906
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月11日 優先權日:2014年11月11日
【發明者】陳玉勇, 韓建超, 田竟, 肖樹龍, 徐麗娟, 王曉鵬, 賈燚, 曹守臻 申請人:哈爾濱工業大學