一种含τ3相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理方法

摘要

一种含τ

说明书

技术领域

本发明涉及一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理方法。

背景技术

γ-TiAl基合金是一种新型的高温结构材料，具有高熔点、低密度、高弹性模量以及较好 的高温强度、阻燃能力、抗氧化性等优点，是一种具有广阔应用前景的新型轻质耐热高温结 构材料，被认为是极具竞争潜力的下一代航空发动机用结构材料之一。然而，TiAl金属间化 合物粗大的组织及低的室温塑性限制了其广泛应用。针对TiAl基合金室温塑性差的问题，从 目前的研究现状看，室温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 间的共价键结合特性；(二)微观变形方式较少和变形机制复杂；(三)显微组织粗大和界面 结合强度低等。研究结果表明，TiAl基合金的显微组织显著影响着其室温力学性能，细小、 均匀的显微组织可以使合金在保持较高高温力学性能的同时，获得较高的室温力学性能。数 十年来，国内外学者在TiAl金属间化合物的组织和性能方面做了大量的探索与研究。结果显 示，通过加入一定量的合金元素，改变合金的凝固路径，可以细化γ-TiAl的铸态组织。含β相 γ-TiAl基合金就是利用这种方法，通过添加足够量的β稳定元素使合金由传统的L→L+β→α… 变为L→L+β→β→…，得到细小的铸态组织。通过研究Ti-Al-Ni三元相图发现，通过添加少 量的合金元素Ni也可以改变合金凝固路径，使合金由传统的L→L+β→α…变为 L→L+β→α+τ₃→…，得到细小的铸态组织。对于含τ₃相的新型γ-TiAl基合金而言，τ₃相的引 入使合金组织具有较小的晶粒尺寸(～100μm)，但是也在一定程度上影响了组织的均匀性。 如何获得细小均匀的全片层组织是获得良好力学性能的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对含τ₃相的γ-TiAl基合金，通过热处理获得细小均匀全片层组织， 进而优化组织提高合金性能，而提供一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理方 法。

本发明一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理方法是按以下步骤进行：

从尺寸为Φ50×60mm的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的芯部切割出尺寸为 (10×10×10)mm～(20×20×20)mm的合金试样，将合金试样装入坩埚后放入热处理炉中，在温度 为1350℃～1400℃的条件下保温1h～4h，然后转移至炉温为900℃～1000℃的热处理炉中，在 温度为900℃～1000℃的条件下保温30min～50min后，随炉冷却至室温，得到热处理后的合金 试样；将热处理后的合金试样进行退火处理，得到片层晶团平均晶粒尺寸在100～200μm的均 匀全片层组织，即完成含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理；所述含τ₃相γ-TiAl 金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和 余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。

本发明的有益效果是：

本发明中合金经熔炼后直接通过热处理获得细小均匀的全片层组织，所获得的片层团组 织分布均匀、尺寸细小，没有经过热机械加工工艺细化组织，极大地增大了材料的利用率， 同时也降低了铸态合金应用前的加工成本。

附图说明

图1为含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭未处理前的原始背散射照片；

图2为实施例一中热处理后的合金试样的组织背散射照片；

图3为实施例一中热处理后的合金试样的组织透射电子显微照片；

图4为实施例三中热处理后的合金试样的组织背散射照片；

图5为实施例三中热处理后的合金试样的组织透射电子显微照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理方法 是按以下步骤进行：

从尺寸为Φ50×60mm的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的芯部切割出尺寸为 (10×10×10)mm～(20×20×20)mm的合金试样，将合金试样装入坩埚后放入热处理炉中，在温度 为1350℃～1400℃的条件下保温1h～4h，然后转移至炉温为900℃～1000℃的热处理炉中，在 温度为900℃～1000℃的条件下保温30min～50min后，随炉冷却至室温，得到热处理后的合金 试样；将热处理后的合金试样进行退火处理，得到片层晶团平均晶粒尺寸在100～200μm的均 匀全片层组织，即完成含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理；所述含τ₃相γ-TiAl 金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和 余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆制成。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述含τ₃相γ-TiAl金属间化 合物铸锭的制备方法是按以下步骤进行：

一、按各元素摩尔百分比为Al：47％～48％、Nb：2％、Cr：2％、Ni：2％～3％和余量的 Ti，分别称取海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆；

二、将步骤一称取的金属通过金属压块机进行压块成型，压块时自下而上各层分别为海 绵钛层、高纯铝层、铝铌中间合金层、电解纯铬层、镍豆层和海绵钛层，得到金属压块；

三、将水冷铜坩埚感应熔炼炉中的金属铸型预热至300～400℃，然后将步骤二得到的金 属压块放入水冷铜坩埚感应熔炼炉中，抽真空至1.0×10^-3～3.0×10^-3mbar，再以10～15kW/min 速率将熔炼功率升至80～90kW后熔炼300～400s得熔体，然后将熔体浇铸到预热的金属铸型 中，并随炉冷却，即得到含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭；

其中，海绵钛的质量纯度为99.7％，高纯铝质量纯度为99.99％，铝铌中间合金的质量纯 度为99.8％，电解铬的质量纯度为99.99％，镍豆的质量纯度为99.99％；各原料为市售产品。 其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：在温度为1360℃的条件 下保温4h。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：在温度为1400℃的 条件下保温2h。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：然后转移至炉温为 950℃的热处理炉中。其他与具体实施方式一至四之一相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理方法是按以下步骤进行：

从尺寸为Φ50×60mm的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的芯部切割出尺寸为 (10×10×10)mm的合金试样，将合金试样装入坩埚后放入热处理炉中，在温度为1360℃的条 件下保温2h，然后转移至炉温为900℃的热处理炉中，在温度为900℃的条件下保温30min 后，随炉冷却至室温，得到热处理后的合金试样；将热处理后的合金试样进行退火处理，得 到片层晶团平均晶粒尺寸在100～200μm的均匀全片层组织，即完成含τ₃相γ-TiAl金属间化合 物铸锭的全片层热处理；所述含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al：48％、 Nb：2％、Cr：2％、Ni：3％和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆 采用水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼而成。

热处理后的合金试样经金相砂纸从60目磨到2000目，再用电解抛光机精抛；X射线衍 射试样经水洗砂纸从180目磨到1000目，再用无水乙醇清洗表面；透射样品为0.5mm的薄 片，用砂纸磨到60μm厚，再采用双喷减薄技术制备。实验结果表明，合金试样在1360℃保 温4h，在温度为900℃的条件下保温30min后可以获得均匀细小的全片层组织。利用扫描电 子显微镜进行分析，图1为含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭未处理前的原始背散射照片；图2 为实施例一中热处理后的合金试样的组织背散射照片；从图2与图1中的组织相比可以看出， 热处理后的合金试样获得了衬度一致的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸为150μm。利用透 射电子显微镜进行分析，图3为实施例一中热处理后的合金试样的组织透射电子显微照片； 从图3可以看出热处理后的合金试样合金层片团内部板条界面平直无析出物。

实施例二：一种含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的全片层热处理方法是按以下步骤进行：

从尺寸为Φ50×60mm的含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭的芯部切割出尺寸为 (20×20×20)mm的合金试样，将合金试样装入坩埚后放入热处理炉中，在温度为1360℃的条 件下保温4h，然后转移至炉温为950℃的热处理炉中，在温度为950℃的条件下保温30min 后，随炉冷却至室温，得到热处理后的合金试样；将热处理后的合金试样进行退火处理，得 到片层晶团平均晶粒尺寸在100～200μm的均匀全片层组织，即完成含τ₃相γ-TiAl金属间化合 物铸锭的全片层热处理；所述含τ₃相γ-TiAl金属间化合物铸锭按各元素摩尔百分比为Al：48％、 Nb：2％、Cr：2％、Ni：3％和余量的Ti，由海绵钛、高纯铝、铝铌中间合金、电解铬和镍豆 采用水冷铜坩埚真空感应凝壳熔炼而成。

实验结果表明，热处理后的合金试样得到均匀细小的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸 为180μm。

实施例三：本实施例与实施例一不同之处在于：在温度为1400℃的条件下保温1h，然后 转移至炉温为950℃的热处理炉中，在温度为950℃的条件下保温30min。其他与实施例一相 同。

图4为实施例三中热处理后的合金试样的组织背散射照片；从图4与图1中的组织相比 可以看出，热处理后的合金试样获得了衬度一致的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸为 150μm。利用透射电子显微镜进行分析，图5为实施例三中热处理后的合金试样的组织透射 电子显微照片；从图5可以看出热处理后的合金试样合金层片团界面光滑无析出物。

实施例四：本实施例与实施例二不同之处在于：在温度为1400℃的条件下保温2h，然后 转移至炉温为950℃的热处理炉中，在温度为950℃的条件下保温50min。其他与实施例二相 同。

实验结果表明，热处理后的合金试样得到均匀细小的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸 为200μm。