一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法

摘要

本发明公开了一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，该方法在均匀细化TiAl基合金铸态组织的同时，有效地控制硼化物形态和尺寸的制造方法。该方法是在合金液相线温度以下5～20℃进行半固态等温保温处理，之后再进行固态时效热处理进一步细化合金组织，得到具有细小片层团的近全片层组织。本发明的工艺不需要经过多步包套锻造的热机械加工，极大地增加了合金材料的可利用尺寸，降低了铸态合金应用前的加工成本。

说明书

技术领域

本发明属于金属间化合物合金制备技术领域，特别是提供了一种如何获得铸态含硼TiAl基合金细小均匀的近全片层组织，并控制硼化物形态、尺寸和均匀分布的工艺方法。

背景技术

γ-TiAl合金密度小于4g/cm³，具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力，这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料。

然而铸造γ-TiAl合金的强烈的柱状晶生长倾向和粗大的片层团组织特征，导致室温塑性差和性能各向异性，所以铸态组织的晶粒或片层团细化尤为重要。同时，能否制备出具有细小均匀片层团初始组织、良好的塑性和断裂韧性相匹配的γ-TiAl基合金铸锭也是后续热机械处理的关键。硼是细化铸造γ-TiAl基合金片层团的最有效的合金化元素，可以有效的消除粗大柱状晶引起的各向异性。但是硼化物存在的形态、尺寸和分布均匀性严重影响材料的性能，当硼化物尺寸细小并且形态为短棒状或块状时，室温脆性得到显著改善。但在通常的凝固条件下，铸态γ-TiAl基合金中的硼化物形态为弯曲的条带状，长度可达几百微米，成为后续的变形和使用过程中的主要裂纹源，明显降低γ-TiAl基合金的室温塑性。因此采用硼细化γ-TiAl基合金的同时，如何控制硼化物形态和尺寸已成为解决含硼γ-TiAl基铸造合金室温脆性问题的关键所在。采用等温锻造或者热挤压等热机械变形方法，能够达到改善硼化物形态、尺寸及细化晶粒的目的，但是对于铸造γ-TiAl基合金铸件，在无法进行热机械变形处理的条件下，仅仅依靠热处理方法无法改善硼化物形态、尺寸及分布。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在无热机械变形处理的条件下，在均匀细化γ-TiAl基合金铸态组织的同时，有效地控制硼化物形态和尺寸的制造方法。利用铝当量换算公式将多元体系合金换算为TiAl二元合金，根据TiAl二元相图得到合金的液相线温度，或者试验确定合金的液相线温度，将合金在液相线温度以下5～20℃进行近液相线等温保温处理，之后再进行固态时效热处理进一步细化合金组织，得到具有细小片层团的近全片层组织。

本发明的一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，其包括有下列的步骤：

步骤一：近液相线等温处理

将铸态γ-TiAl合金试样置于真空热处理炉里，在保温温度下保温0.5～2小时，然后淬入液态金属中进行冷却处理，得到第一试样；

所述的保温温度为低于合金液相线温度Tm以下5～20℃；

步骤二：时效热处理

将第一试样置于真空热处理炉里，在1000℃～1150℃下均匀化处理10～20小时，取出，置于空气中自然冷却，得到第二试样；

将第二试样在1340℃～1360℃下保温1～2小时，随炉冷却至900℃～1000℃后取出，置于空气中自然冷却，得到第三试样；

将第三试样在950℃～1050℃下保温2～6小时之后，置于空气中进行自然冷却，得到具有细小片层团和小尺寸硼化物的TiAl合金。

本发明控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态方法的优点在于：

①所获得的近片层团组织分布均匀、晶粒尺寸细小，球化明显，胞晶尺寸在150～250μm；经过后续热处理后，合金试样的显微组织为晶粒尺寸100μm左右的近全片层组织，片层团尺寸分布均匀，片层团界面上分布着尺寸更为细小的γ等轴晶。

②长条带状硼化物转变为尺寸细小、弥散分布的短棒状或块状硼化物。

③热处理工艺简单，合金材料的可利用尺寸大，加工成本低。

附图说明

图1是铸态TiAl基合金试样未经任何处理前的原始组织的金相照片。

图1A是铸态TiAl基合金试样未经任何处理前的硼化物的SEM图片。

图2是铸态TiAl基合金试样经本发明近液相线等温处理后组织的金相照片。

图2A是铸态TiAl基合金试样经本发明近液相线等温处理后硼化物的SEM图片。

图3是本发明TiAl基合金半固态凝固试样经过时效热处理后的显微组织的金相照片。

图3A是本发明TiAl基合金半固态凝固试样经过时效热处理后的硼化物的SEM图片。

图4是Ti-Al二元相图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是将铸造γ-TiAl合金在近液相线附近的温度保温处理，目的是获得尺寸细小、弥散分布的短棒状或块状硼化物，使柱状枝晶结构转变为尺寸细小的等轴晶组织；通过后续时效热处理获得晶粒尺寸细小均匀的近全片层组织。不需要经过多步包套锻造的热机械加工工艺(孙红亮，叶飞，等温热锻对铌锆TiAl合金组织和力学性能的影响，稀有金属，2009.8，33(4))，极大地增加了合金材料的可利用尺寸，降低了铸态合金应用前的加工成本。

本发明采用的细化铸态TiAl基合金组织和控制硼化物形态的方法，包括有下两个步骤：

步骤一：近液相线等温处理

将铸态γ-TiAl合金试样置于真空热处理炉里，在保温温度下保温0.5～2小时，然后淬入液态金属(如镓铟锡合金液、镓铟合金液)中进行冷却处理，得到第一试样，第一试样为半固态的TiAl合金凝固组织；

所述的保温温度为低于合金液相线温度Tm以下5～20℃；合金液相线温度Tm如图4所示，

步骤二：时效热处理

将第一试样置于真空热处理炉里，在1000℃～1150℃下均匀化处理10～20小时，取出，置于空气中自然冷却，得到第二试样；

将第二试样在1340℃～1360℃下保温1～2小时，随炉冷却至900℃～1000℃后取出，置于空气中自然冷却，得到第三试样；

将第三试样在950℃～1050℃下保温2～6小时之后，置于空气中进行自然冷却，得到具有细小片层团和小尺寸硼化物的TiAl合金。

实施例1

实验所用合金的名义成分为Al：47，Cr：2，Nb：2，B：0.8，余量为Ti(原子百分比at.％)，选用纯度为99.76％的零级海绵钛、纯度为99.99％的高纯铝锭、纯度为99.90％纯铬颗粒、纯度为99.9％的铌片和Ti-3B中间合金为原料。将原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至6×10^-3Pa，充入高纯氩气至0.5×10⁵Pa，反复熔炼4次，熔炼电流为400～1200A，制备重量1.2Kg的母合金锭。采用线切割的方法切取Φ14mm×80mm的合金试样，装入Al₂O₃-Y₂O₃双层结构陶瓷管中放入真空热处理炉中保温30分钟，保温温度为液相线温度以下20℃，然后以100mm/min的速度快速淬入镓铟锡合金液中得到半固态组织，称为I号合金试样。

随后将I号合金试样进行后续的热处理，所采用的热处理制度为：1150℃下均匀化处理12小时，置于空气中冷却，之后在1340℃下保温2小时后，随炉冷却至900℃后置于空气中冷却，最后在1000℃下保温4小时之后，置于空气中进行冷却。观察近液相线等温处理及后续热处理合金试样组织的演变过程。

实验结果表明：经过半固态等温热处理后，I号合金试样的微观组织呈现明显的半固态组织特征，组织球化明显，胞晶尺寸由原始铸态的500～1000μm(如图1所示)细化至150～250μm(如图2所示)，铸态试样中的大约100μm长条带状硼化物(如图1所示)转变为尺寸为2～5μm的短棒状或块状硼化物(如图2A所示)；经过后续热处理后，I号合金试样的显微组织为晶粒尺寸100μm左右的近全片层组织(如图3所示)，片层团尺寸分布均匀，片层团界面上分布着尺寸更为细小的γ等轴晶；经过后续热处理后的硼化物形态、尺寸和分布与半固态等温处理试样中的相似(如图3A所示)，说明后续热处理不会影响硼化物的形态。

采用化学分析得到熔炼物的成分见下表，其中Ti、Al、Nb、用ICP-AES方法测得，O用惰气脉冲-红外导热法测得。

  Ti  Al  Cr  Nb  B  O(wtppm)  测量成分(at％)  48.44  46.64  2.11  1.91  0.81  500

  设计成分(at％)  余量  47  2  2  0.8  -

实施例2

实验所用合金的名义成分为Al：47，Cr：2，Nb：2，B：0.8，余量为Ti(原子百分比at.％)，选用纯度为99.76％的零级海绵钛、纯度为99.99％的高纯铝锭、纯度为99.90％纯铬颗粒、纯度为99.9％的铌片和Ti-3B中间合金为原料。将原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至6×10^-3Pa，充入高纯氩气至0.5×10⁵Pa，反复熔炼4次，熔炼电流为400～1200A，制备重量1.2Kg的母合金锭。采用线切割的方法切取Φ14mm×80mm的合金试样，装入Al₂O₃-Y₂O₃双层结构陶瓷管中放入真空热处理炉中保温30分钟，保温温度为液相线温度以下20℃，然后以100mm/min的速度快速淬入镓铟锡合金液中得到半固态组织，称为Ⅱ号合金试样。

随后将Ⅱ号合金试样进行后续的热处理，所采用的热处理制度为：1000℃下均匀化处理10小时，置于空气中冷却，之后在1350℃下保温1.5小时后，随炉冷却至950℃后置于空气中冷却，最后在950℃下保温2小时之后，置于空气中进行冷却。观察半固态保温处理及后续热处理合金试样组织的演变过程。

实验结果表明：经过半固态等温热处理后，Ⅱ号合金试样的微观组织呈现明显的半固态组织特征，组织球化明显，胞晶尺寸由原始铸态的500～1000μm细化至150～250μm，铸态试样中大约100μm的长条带状硼化物转变为尺寸为2～5μm的短棒状或块状硼化物形态；经过后续时效热处理，合金试样的显微组织为晶粒尺寸90μm左右的近全片层组织，片层团尺寸分布均匀，片层团界面上分布着尺寸更为细小的γ等轴晶；经过后续热处理后的硼化物形态、尺寸和分布与半固态等温处理试样中的相似，说明后续热处理不会影响硼化物的形态。

实施例3

实验所用合金的名义成分为Al：47，Cr：2，Nb：2，B：0.8，余量为Ti(原子百分比at.％)，选用纯度为99.76％的零级海绵钛、纯度为99.99％的高纯铝锭、纯度为99.90％纯铬颗粒、纯度为99.9％的铌片和Ti-3B中间合金为原料。将原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至6×10^-3Pa，充入高纯氩气至0.5×10⁵Pa，反复熔炼4次，熔炼电流为400～1200A，制备重量1.2Kg的母合金锭。采用线切割的方法切取Φ14mm×80mm的合金试样，装入Al₂O₃-Y₂O₃双层结构陶瓷管中放入真空热处理炉中保温30分钟，保温温度为液相线温度以下20℃，然后以100mm/min的速度快速淬入镓铟锡合金液中得到半固态组织，称为Ⅲ号合金试样。

随后将Ⅲ号合金试样进行后续的热处理，所采用的热处理制度为：1110℃下均匀化处理20小时，置于空气中冷却，之后在1360℃下保温1小时后，随炉冷却至1000℃后置于空气中冷却，最后在1050℃下保温6小时之后，置于空气中进行冷却。观察半固态保温处理及后续热处理合金试样组织的演变过程。

实验结果表明：经过半固态等温热处理后，Ⅲ号合金试样的微观组织呈现明显的半固态组织特征，组织球化明显，胞晶尺寸由原始铸态的500～1000μm细化至150～250μm，铸态试样中的大约100μm长条带状硼化物转变为尺寸为2～5μm的短棒状或块状硼化物形态；经过后续热处理后，合金试样的显微组织为晶粒尺寸70μm左右的近全片层组织，片层团尺寸分布均匀，片层团界面上分布着尺寸更为细小的γ等轴晶；经过后续热处理后的硼化物形态、尺寸和分布与半固态等温处理试样中的相似，说明后续热处理不会影响硼化物的形态。