CN102400074A

CN102400074A - 一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺

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Publication number: CN102400074A
Application number: CN2011103951880A
Authority: CN
Inventors: 李永胜; 于延洲; 陈�光
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-04-04

Abstract

一种减少定向凝固高铌钛铝合金偏析的热处理工艺。将包含微量元素W、B、Y、Mn等的高铌钛铝合金成分按原子百分比Ti-(44~46)Al-(6~9)Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)配制，利用电弧熔炼得到纽扣锭，并吸铸成合金试棒，采用Bridgeman方法制备定向凝固高铌钛铝合金试样。定向凝固技术使合金晶粒沿受力方向生长，消除横向晶界，提高了高温性能，但是由于铸态高铌钛铝合金普遍存在的S偏析、β偏析、α偏析，造成组织缺陷，最终影响了合金的力学性能。本发明通过对定向凝固试样在1250-1290oC下保温6-24h，待试样随炉冷却至890-910oC并保温30-35min，大幅减少β偏析、α偏析，同时未出现再结晶与晶粒长大现象，有效提高合金力学性能。该方法工艺简单可靠，成本低，实用性强，获得的高强韧定向凝固高铌TiAl合金在航空航天领域有广泛的应用前景。

Description

一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺

技术领域

本发明属于高性能合金材料制备领域，特别是涉及一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺。

背景技术

钛铝（TiAl）基合金以其较低的密度，高的比强度和比弹性模量，高温强度和刚度，以及良好的抗蠕变及抗氧化性等优点，成为航天航空及汽车发动机高温结构件用极具竞争力的材料。与普通TiAl基合金相比，高铌TiAl合金由于高熔点难熔金属Nb元素的加入，提高了合金的高温强度，改善了高温抗蠕变和抗氧化性能，同时使合金使用温度提高了60-100oC，又兼顾了普通TiAl合金密度小的特点。高铌TiAl合金密度不及镍基高温合金的一半，同时高温性能接近镍基高温合金。目前，已成为国内外TiAl基高温合金发展的重要方向，是最有应用潜力的新一代轻质高温结构材料。

由于TiAl合金的本质脆性，高铌含量的加入也未能使室温塑性及热加工性能得到改善，因而限制了其工业化应用。目前，主要采用定向凝固的方式改善钛铝合金显微组织，进而发挥其性能潜力。即通过利用凝固时热传导方向的控制，在凝固金属与未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，达到控制晶体取向，消除横向晶界，获得特定片层方向的目的。研究表明(TiAl金属间化合物的定向凝固和晶向控制，中国有色金属学报，797-809，13，2003)：外加载荷平行于片层界面可以获得最佳的强度与塑性的综合，所以对于某些转动部件，如发动机叶片，使受力方向平行于TiAl合金片层取向，是发挥材料性能优势的最佳选择。定向凝固技术能极大提高TiAl合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，为其广泛应用提供了基础。但是，凝固过程不可避免产生各种偏析，从而影响其性能。其中宏观偏析是由于定向凝固属于近平衡凝固，凝固时溶质的分凝系数不同，从而造成试棒左端至右端的宏观范围内存在成分不均匀，这种偏析在随后的加工和热处理中难以消除。另一类普遍存在的偏析为显微偏析。

高铌TiAl合金铸锭经组织分析表明，合金铸锭中存在三种显微偏析：

(1)根据含8-10Nb的TiAl相图，Al含量为44-46%合金的凝固过程为：L→L+β→β。初生的β相Al含量较低，从Al偏析到枝晶间液相区形成液相偏析, 称S偏析。其特点为富Al而低Ti和Nb。在扫描电镜背散射模式(BSE-SEM)下观察，S偏析为黑色衬度, 以不规则块状和蠕虫状存在于灰色基体中。

(2)随着温度的下降，发生β→α相转变，相变过程中向晶界排出的Ti、Nb、W元素来不及扩散均匀，结果形成β相, 冷却到室温时留在晶界处而形成的偏析，称为β偏析。其特点为β相中富 Nb 和 W 而低 Al。在BSE-SEM下观察，β偏析穿插于灰色基体间的白色衬度的网状区组织，主要分布在片层团晶界处和片层内。

(3)在α相内由于其元素分布不均匀致使有些区域达到β相成分，发生α→α₂+γ+β相变，冷却到室温时出现在片层团内而形成的偏析, 称为α偏析。α偏析出现在片层内，出现的几率较β偏析少，在BSE-SEM下观察，α偏析表现为白色片状出现在片层内。

铸态组织中这三种偏析的存在给合金的组织优化带来了很大的困难，影响了合金的力学性能。S偏析区域内片层团晶粒明显粗化，而β相的存在会降低合金的室温延性和断裂韧性。研究表明，这几种显微偏析在定向凝固TiAl合金试样也会同时存在。只有消除或减少这些显微偏析，才能提高定向凝固TiAl合金的综合力学性能。

通过多道次等温包套锻造可以有效地消除β偏析和α偏析, 但并不能消除S偏析。该类合金铸锭经过二次包套锻造后的组织分析表明β相仍然存在，需要三次或三次以上多步包套锻造才可以，但多步包套锻造降低了可利用材料的尺寸，并增加了制造成本(On the microsegregation of Ti–45Al–(8–9)Nb–(W, B, Y) alloy, Materials Letters, 369-373, 61, 2007)。相对于热加工优化组织来说，热处理是一种更为有效的组织优化工艺。研究表明，在α相变温度以上(1350oC-1400oC)进行12-24h高温退火，可以同时消除定向凝固高铌TiAl合金中的S偏析、β偏析、α偏析，但发生了再结晶与晶粒长大现象，从而最终影响定向凝固TiAl合金的综合力学性能，同时热处理温度的提高也使得设备要求与能耗大大提高(热处理对大尺寸铸态高Nb-TiAl合金组织中S-偏析的影响, 航空材料学报，28-32, 27, 2007)。

因此，开发适合工业应用的定向凝固高铌TiAl合金热处理技术有非常必要。虽然定向凝固技术可以增加TiAl合金的塑性，但增加幅度有限，热处理方法可进一步提高合金的塑性。在保证不发生再结晶与晶粒长大的前提下，尽量减少微观偏析，从而提高定向凝固高铌TiAl合金综合力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺，通过在α+γ两相区保温适当时间以达到消除β偏析、α偏析，该方法工艺简单可靠，可显著提高定向凝固高铌钛铝合金力学性能。

本发明的原理依据是：

本发明涉及的热处理工艺可以在热处理温度下消除β偏析、α偏析，其主要基于β相中富Ti低Al，γ相中富Al低Ti，片层团L (α₂+γ)中的Ti和Al含量介于这两相之间，根据高Nb钛铝合金相图，在两相区(α+γ)高温退火时，这三种组织进入两相区(α+γ)的顺序是β>L(α₂+γ)>γ，所以β相先发生溶解。热处理温度介于共析温度与α相变温度之间，热处理提供了W、Nb 等偏析元素扩散所需的激活能，枝晶中和枝晶间的亚稳态β相都会分解直至基本消除。同时因为α偏析伴随着β相生成，所以此热处理工艺也较大程度的消除了α偏析。片层内β相经热处理后的结果是其周围的α₂板条变粗，原来与其交替分布存在的γ相的含量也减少了，这两方面说明了β相的消除伴随着γ相的溶解，且两者都转变为α相。而经890-910oC/30-35min 稳定化处理后空冷至室温最终得到了片层厚度细小的片层组织。

根据本发明的原理依据，实现本发明目的的技术解决方案按以下步骤进行：

步骤1、使用电弧熔炼或悬浮熔炼方法熔炼高铌钛铝合金纽扣锭，使用吸铸方法将纽扣锭铸造成圆柱形试棒，将试棒放进涂有氧化钇涂层的氧化铝管，在一定保温温度下，通过Bridgeman方法进行抽拉，得到高铌钛铝合金试样；

步骤2、截取所得定向凝固高铌钛铝合金试样的中间段；

步骤3、将试棒装入涂有氧化钇涂层的氧化铝管，通氩气，在电炉中进行低真空高温处理；

步骤4、冷却至一定温度后进行一定时间的保温处理；

步骤5、从炉中取出试样空冷至室温，进行表面打磨处理。

步骤1所述的高铌钛铝合金纽扣锭的成分为Ti-(44~46)Al-(6~9)Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)，所述的圆柱形试棒的尺寸为Ф(4-10)×L(50-100)mm，所述的保温温度为1650oC－1700oC，所述的抽拉速率为5μm-100μm/s；

所述的氧化钇涂层制作工艺方法为：将PEG-20000:Y₂O₃为1:3比例调配，加水至糊状，倒入氧化铝管或氧化铝坩埚，在110oC下烘干30min，取出后加热到1200oC保温30分钟后随炉冷却。

步骤3所述的真空度为0.01-0.03Pa，所述的通氩气后压强为600-650Pa，所述的处理温度为1250-1290oC，升温速率为10-12oC/min，所述的处理时间为6-24h且随着处理温度的增加递减。

步骤4所述的冷却温度为890-910oC，冷却时间为30-35min。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）工艺简单，易于操作。（2）对定向凝固获得的试样在1250-1290oC保温6-24h后，试样随炉冷却至890-910oC后保温30-35min，可以消除β偏析、α偏析，减少S偏析，同时未发现明显晶粒长大现象，并大幅提高高铌钛铝合金的强度和塑性等力学性能指标。（3）通过本发明热处理工艺的实施，改善了高温钛铝金属间合物材料的室温脆性问题，提高了高温强度，有望满足航空航天等领域高温合金材料的需求。

附图说明

图1是本发明实施例1热处理前Ti-44Al-6Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)合金显微组织图像。

图2是本经发明实施例1所述热处理后的Ti-44Al-6Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)合金显微组织图像。

具体实施方式

一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺，包括以下步骤：

步骤1、使用电弧熔炼或悬浮熔炼方法熔炼成分为Ti-(44~46)Al-(6~9)Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)的高铌钛铝合金纽扣锭，使用吸铸方法将纽扣锭铸造成Ф(4-10)×L(50-100)mm的圆柱形试棒。将试棒放进涂有氧化钇涂层的氧化铝管，在保温温度1650oC－1700oC，抽拉速率5μm-100μm/s下，通过Bridgeman方法进行抽拉，得到高铌钛铝合金试样；

步骤2、截取所得定向凝固高铌钛铝合金中间段，即定向凝固柱晶的稳态生长区域，以确保热处理的部分是定向凝固柱状晶组织；

步骤3、将步骤2获得的定向凝固高铌钛铝合金放入涂有氧化钇的氧化铝坩埚，放置在实验电炉中，抽真空至0.01-0.03Pa，通入氩气至600-650Pa。调节升温速率为10-12oC/min，升温至1250-1290oC，保温6-24h；

步骤4、设定电炉温度至890-910oC，试样随炉冷却，待温度降至890-910oC后保温30-35min，关闭电炉电源；

步骤5、往炉内通入空气，待炉内压强达到一个大气压后，取出试棒。待试样空冷至室温，用砂纸打磨去除试棒表面氧化皮即可。

实施例1

使用电弧熔炼法熔炼成分为Ti-44Al-6Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)的高铌钛铝合金纽扣锭，使用吸铸方法将纽扣锭铸造成Ф4×L50mm的圆柱形试棒。将试棒放进涂有氧化钇涂层的氧化铝管，在保温温度1650oC，抽拉速率5μm/s下，通过Bridgeman方法进行抽拉，得到定向凝固高铌钛铝合金试样。截取定向凝固试样的中间段，将其放入涂有氧化钇保护层的氧化铝坩埚，置于电炉中，抽真空至0.01Pa，再通入氩气至600Pa，升温速率为10oC/min，升温至1250oC，保温24h。设定电炉温度至910oC，试样随炉冷却，待温度降至910oC后保温30min，关闭电炉电源。往炉内通入空气，待炉内压强达到一个大气压后，取出试棒。待试样空冷至室温，用砂纸打磨去除试棒表面氧化皮，最终得到消除α偏析、β偏析的定向凝固高铌钛铝合金。本发明实施效果可从图1和图2中热处理前后的对比看出。图1中显微组织为 Ti-44Al-6Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)合金热处理前定向凝固试样纵截面的组织图像，图1中箭头所示为片层团晶界处存在明显的β相偏析聚集，图2可以看出片层团晶界处基本不存在β和α相偏析。表1所示为热处理前后合金试样的轴向屈服强度及延伸率对比，每个试样重复检测三遍，取平均值，通过表1可知：通过本发明所述的热处理，定向凝固高铌钛铝合金的屈服强度和延伸率都有较大幅度提高。

实施例2

使用悬浮熔炼法熔炼成分为Ti-45Al-7Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y) 的高铌钛铝合金纽扣锭，使用吸铸方法将纽扣锭铸造成Ф7×L80mm的圆柱形试棒。将试棒放进涂有氧化钇涂层的氧化铝管，在保温温度1680oC，抽拉速率20μm/s下，通过Bridgeman方法进行抽拉，得到定向凝固高铌钛铝合金试样。截取定向凝固试样的中间段，将其放入涂有氧化钇保护层的氧化铝坩埚，置于电炉中，抽真空至0.02 Pa，再通入氩气至620Pa，升温速率为11oC/min，升温至1270oC，保温12h，设定电炉温度至900oC，试样随炉冷却，待温度降至900oC后保温32min，关闭电炉电源。往炉内通入空气，待炉内压强达到一个大气压后，取出试棒。待试样空冷至室温，用砂纸打磨去除试棒表面氧化皮，最终得到消除α偏析、β偏析的定向凝固高铌钛铝合金。实施效果见表1，从表1可知：通过本发明所述的热处理，定向凝固高铌钛铝合金的屈服强度和延伸率得到提高。

实施例3

使用电弧熔炼法熔炼成分为Ti-46Al-9Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y) 的高铌钛铝合金的纽扣锭，使用吸铸方法将纽扣锭铸造成Ф10×L100mm的圆柱形试棒。将试棒放进涂有氧化钇涂层的氧化铝管，在保温温度1700oC，抽拉速率100μm/s下，通过Bridgeman方法进行抽拉，得到定向凝固高铌钛铝合金试样。截取定向凝固试样的中间段，将其放入涂有氧化钇保护层的氧化铝坩埚，置于电炉中，抽真空至0.03Pa，再通入氩气至650Pa，升温速率为12oC/min，升温至1290oC，保温6h，设定电炉温度至890oC，试样随炉冷却，待温度降至890oC后保温35min，关闭电炉电源。往炉内通入空气，待炉内压强达到一个大气压后，取出试棒。待试样空冷至室温，用砂纸打磨去除试棒表面氧化皮，最终得到消除α偏析、β偏析的定向凝固高铌钛铝合金。实施效果见表1，从表1可知：通过本发明所述的热处理，定向凝固高铌钛铝合金的屈服强度和延伸率都有较大幅度提高。

表1热处理前后合金试样的屈服强度和延伸率对比

热处理方式	屈服强度(MPa)	延伸率(%)
			定向凝固原始试样	624	0.91
实施例1(1250oC/24h+910oC/30min)	758	1.51
			实施例2(1270oC/12h+900oC/32min)	751	1.48
实施例3(1290oC/6h+890oC/35min)	743	1.46

Claims

1. 一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺，其特征是所述工艺按以下步骤进行：

步骤1、使用电弧熔炼或悬浮熔炼方法熔炼高铌钛铝合金纽扣锭，使用吸铸方法将纽扣锭铸造成圆柱形试棒，将试棒放进涂有氧化钇涂层的氧化铝管并保温，通过Bridgeman方法进行抽拉，得到高铌钛铝合金试样；

步骤2、截取所得定向凝固高铌钛铝合金试样的中间段；

步骤4、冷却后并进行保温处理；

步骤5、从炉中取出试样空冷至室温，进行表面打磨处理。

2.根据权利要求1所述的一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺，其特征是步骤1中所述的高铌钛铝合金纽扣锭的成分为Ti-(44~46)Al- (6~9)Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)，所述的圆柱形试棒的尺寸为Ф(4-10)×L(50-100)mm，所述的保温温度为1650oC-1700oC，所述的抽拉速率为5μm-100μm/s。

3.根据权利要求1所述的一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺，其特征是步骤1中所述的氧化钇涂层制作工艺方法为：将PEG-20000:Y₂O₃为1:3比例调配，加水至糊状，倒入氧化铝管或氧化铝坩埚，在110oC下烘干30min，取出后加热到1200oC保温30分钟后随炉冷却。

4.根据权利要求1所述的一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺，其特征是步骤3中所述的真空度为0.01-0.03Pa，所述的通氩气后压强为600-650Pa，所述的处理温度为1250-1290oC，所述的升温速率为10-12oC/min，所述的处理时间为6-24h且随着处理温度的增加递减。

5.根据权利要求1所述的一种减少定向凝固高铌钛铝合金显微偏析的热处理工艺，其特征是步骤4中所述的冷却温度为890-910oC，所述的冷却时间为30-35min。