一種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法

2023-05-31 01:44:11 1

專利名稱：一種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法
技術領域：
本發明 屬於金屬間化合物合金製備技術領域，特別是提供了一種如何獲得鑄態 含硼TiAl基合金細小均勻的近全片層組織，並控制硼化物形態、尺寸和均勻分布的工藝 方法。
背景技術：
y -TiAl合金密度小於4g/cm3，具有高的比強度和比彈性模量，在高溫時仍可 以保持足夠高的強度和剛度，同時它還具有良好的抗蠕變及抗氧化能力，這使其成為航 天、航空及汽車用發動機耐熱結構件極具競爭力的材料。然而鑄造Y-TiAl合金的強烈的柱狀晶生長傾向和粗大的片層團組織特徵，導致 室溫塑性差和性能各向異性，所以鑄態組織的晶粒或片層團細化尤為重要。同時，能否 製備出具有細小均勻片層團初始組織、良好的塑性和斷裂韌性相匹配的Y-TiAl基合金鑄 錠也是後續熱機械處理的關鍵。硼是細化鑄造Y-TiAl基合金片層團的最有效的合金化 元素，可以有效的消除粗大柱狀晶引起的各向異性。但是硼化物存在的形態、尺寸和分 布均勻性嚴重影響材料的性能，當硼化物尺寸細小並且形態為短棒狀或塊狀時，室溫脆 性得到顯著改善。但在通常的凝固條件下，鑄態Y-TiAl基合金中的硼化物形態為彎曲 的條帶狀，長度可達幾百微米，成為後續的變形和使用過程中的主要裂紋源，明顯降低 Y-TiAl基合金的室溫塑性。因此採用硼細化Y-TiAl基合金的同時，如何控制硼化物形 態和尺寸已成為解決含硼Y-TiAl基鑄造合金室溫脆性問題的關鍵所在。採用等溫鍛造 或者熱擠壓等熱機械變形方法，能夠達到改善硼化物形態、尺寸及細化晶粒的目的，但 是對於鑄造Y-TiAl基合金鑄件，在無法進行熱機械變形處理的條件下，僅僅依靠熱處理 方法無法改善硼化物形態、尺寸及分布。

發明內容
本發明的目的在於提供一種在無熱機械變形處理的條件下，在均勻細化Y-TiAl 基合金鑄態組織的同時，有效地控制硼化物形態和尺寸的製造方法。利用鋁當量換算公 式將多元體系合金換算為TiAl 二元合金，根據TiAl 二元相圖得到合金的液相線溫度，或 者試驗確定合金的液相線溫度，將合金在液相線溫度以下5 20°C進行近液相線等溫保 溫處理，之後再進行固態時效熱處理進一步細化合金組織，得到具有細小片層團的近全 片層組織。本發明的一種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法，其包括有下 列的步驟步驟一近液相線等溫處理將鑄態Y -TiAl合金試樣置於真空熱處理爐裡，在保溫溫度下保溫0.5 2小 時，然後淬入液態金屬中進行冷卻處理，得到第一試樣；所述的保溫溫度為低於合金液相線溫度Tm以下5 20°C ；
步驟二 時效熱處理將第一試樣置於真空熱處理爐裡，在1000°C 1150°C下均勻化處理10 20小
時，取出，置於空氣中自然冷卻，得到第二試樣；將第二試樣在1340°C 1360°C下保溫1 2小時，隨爐冷卻至900°C 1000°C
後取出，置於空氣中自然冷卻，得到第三試樣；將第三試樣在950°C 1050°C下保溫2 6小時之後，置於空氣中進行自然冷 卻，得到具有細小片層團和小尺寸硼化物的TiAl合金。本發明控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態方法的優點在於①所獲得的近片層團組織分布均勻、晶粒尺寸細小，球化明顯，胞晶尺寸在 150 250μιη;經過後續熱處理後，合金試樣的顯微組織為晶粒尺寸100 μ m左右的近全 片層組織，片層團尺寸分布均勻，片層團界面上分布著尺寸更為細小的Y等軸晶。②長條帶狀硼化物轉變為尺寸細小、彌散分布的短棒狀或塊狀硼化物。③熱處理工藝簡單，合金材料的可利用尺寸大，加工成本低。


圖1是鑄態TiAl基合金試樣未經任何處理前的原始組織的金相照片。圖IA是鑄態TiAl基合金試樣未經任何處理前的硼化物的SEM圖片。圖2是鑄態TiAl基合金試樣經本發明近液相線等溫處理後組織的金相照片。圖2A是鑄態TiAl基合金試樣經本發明近液相線等溫處理後硼化物的SEM圖 片。圖3是本發明TiAl基合金半固態凝固試樣經過時效熱處理後的顯微組織的金相 照片。圖3A是本發明TiAl基合金半固態凝固試樣經過時效熱處理後的硼化物的SEM 圖片。圖4是Ti-Al 二元相圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。本發明是將鑄造Y-TiAl合金在近液相線附近的溫度保溫處理，目的是獲得尺 寸細小、彌散分布的短棒狀或塊狀硼化物，使柱狀枝晶結構轉變為尺寸細小的等軸晶組 織；通過後續時效熱處理獲得晶粒尺寸細小均勻的近全片層組織。不需要經過多步包套 鍛造的熱機械加工工藝(孫紅亮，葉飛，等溫熱鍛對鈮鋯TiAl合金組織和力學性能的影 響，稀有金屬，2009.8，33(4))，極大地增加了合金材料的可利用尺寸，降低了鑄態合 金應用前的加工成本。本發明採用的細化鑄態TiAl基合金組織和控制硼化物形態的方法，包括有下兩 個步驟步驟一近液相線等溫處理將鑄態Y -TiAl合金試樣置於真空 熱處理爐裡，在保溫溫度下保溫0.5 2小 時，然後淬入液態金屬(如鎵銦錫合金液、鎵銦合金液)中進行冷卻處理，得到第一試樣，第一試樣為半固態的TiAl合金凝固組織；所述的保溫溫度為低於合金液相線溫度Tm以下5 20°C ；合金液相線溫度Tm 如圖4所示，步驟二 時效熱處理將第一試樣置於真空熱處理爐裡，在1000°C 1150°C下均勻化處理10 20小
時，取出，置於空氣中自然冷卻，得到第二試樣；將第二試樣在1340°C 1360°C下保溫1 2小時，隨爐冷卻至900°C 1000°C
後取出，置於空氣中自然冷卻，得到第三試樣；將第三試樣在950°C 1050°C下保溫2 6小時之後，置於空氣中進行自然冷 卻，得到具有細小片層團和小尺寸硼化物的TiAl合金。實施例1實驗所用合金的名義成分為Al 47，Cr: 2，Nb 2, B 0.8，餘量為Ti(原 子百分比at.%)，選用純度為99.76%的零級海綿鈦、純度為99.99%的高純鋁錠、純度為 99.90%純鉻顆粒、純度為99.9%的鈮片和Ti_3B中間合金為原料。將原料放入非自耗真 空電弧爐內，抽真空至6X10_3Pa，充入高純氬氣至0.5 X IO5Pa,反覆熔煉4次，熔煉電流 為400 1200A，製備重量1.2Kg的母合金錠。採用線切割的方法切取Φ 14mmX80mm 的合金試樣，裝入Al2O3-Y2O3雙層結構陶瓷管中放入真空熱處理爐中保溫30分鐘，保溫 溫度為液相線溫度以下20°C，然後以lOOmm/min的速度快速淬入鎵銦錫合金液中得到半 固態組織，稱為I號合金試樣。隨後將I號合金試樣進行後續的熱處理，所採用的熱處理制度為1150°C下均勻 化處理12小時，置於空氣中冷卻，之後在1340°C下保溫2小時後，隨爐冷卻至900°C後 置於空氣中冷卻，最後在1000°C下保溫4小時之後，置於空氣中進行冷卻。觀察近液相 線等溫處理及後續熱處理合金試樣組織的演變過程。實驗結果表明經過半固態等溫熱處理後，I號合金試樣的微觀組織呈現明顯的 半固態組織特徵，組織球化明顯，胞晶尺寸由原始鑄態的500 ΙΟΟΟμιη(如圖1所示) 細化至150 250 μ m(如圖2所示)，鑄態試樣中的大約100 μ m長條帶狀硼化物(如圖 1所示)轉變為尺寸為2 5μιη的短棒狀或塊狀硼化物(如圖2Α所示)；經過後續熱處 理後，I號合金試樣的顯微組織為晶粒尺寸100 μ m左右的近全片層組織(如圖3所示)， 片層團尺寸分布均勻，片層團界面上分布著尺寸更為細小的Y等軸晶；經過後續熱處理 後的硼化物形態、尺寸和分布與半固態等溫處理試樣中的相似(如圖3A所示)，說明後 續熱處理不會影響硼化物的形態。採用化學分析得到熔煉物的成分見下表，其中Ti、Al、Nb、用ICP-AES方法測 得，O用惰氣脈衝-紅外導熱法測得。
權利要求
1.一種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法，其特徵在於包括有下列 的步驟步驟一近液相線等溫處理將鑄態Y-TiAl合金試樣置於真空熱處理爐裡，在保溫溫度下保溫0.5 2小時，然 後淬入液態金屬中進行冷卻處理，得到第一試樣；所述的保溫溫度為低於合金液相線溫度Tm以下5 20°C ；步驟二時效熱處理將第一試樣置於真空熱處理爐裡，在1000°C 1150°C下均勻化處理10 20小時， 取出，置於空氣中自然冷卻，得到第二試樣；將第二試樣在1340°C 1360°C下保溫1 2小時，隨爐冷卻至900°C 1000°C後取 出，置於空氣中自然冷卻，得到第三試樣；將第三試樣在950°C 1050°C下保溫2 6小時之後，置於空氣中進行自然冷卻，得 到具有細小片層團和小尺寸硼化物的TiAl合金。
2.—種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法，其特徵在於所述的第 一試樣為半固態的TiAl合金凝固組織。
3.—種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法，其特徵在於所述的液 態金屬為鎵銦錫合金液或者鎵銦合金液。
4.一種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法，其特徵在於製得的具 有細小片層團和小尺寸硼化物的TiAl合金的顯微組織為晶粒尺寸70 100 μ m的近全片 層組織，片層團尺寸分布均勻，片層團界面上分布著Y等軸晶。
全文摘要
本發明公開了一種控制鑄態TiAl基合金組織細化和硼化物形態的方法，該方法在均勻細化TiAl基合金鑄態組織的同時，有效地控制硼化物形態和尺寸的製造方法。該方法是在合金液相線溫度以下5～20℃進行半固態等溫保溫處理，之後再進行固態時效熱處理進一步細化合金組織，得到具有細小片層團的近全片層組織。本發明的工藝不需要經過多步包套鍛造的熱機械加工，極大地增加了合金材料的可利用尺寸，降低了鑄態合金應用前的加工成本。
文檔編號C22C14/00GK102011077SQ201010594268
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者張虎, 楊莉莉, 王建吉, 鄭立靜 申請人:北京航空航天大學