CN104480347A - 一种TiAl基合金及其热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TiAl基合金及其热处理工艺。本发明TiAl基合金成分按原子百分比表示为Ti-(40-50)Al-2Nb-2Cr-aV，a为原子百分比，0＜a≤4，余量为Ti。制备上述晶粒细小、组织均匀TiAl基合金，包括以下步骤：采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼母合金，将母合金放置于HTF型高温电炉中，在保护性气体氩气下，将母合金进行热处理；母合金在1310-1330℃退火10-30min，接着在1310-1330℃保温10-30min，炉冷至室温。本发明与现有热处理制度相比，热处理过程中材料不需要进行淬火，避免了显微裂纹；不需要昂贵的热加工设备，降低了成本,扩大了TiAl基合金的应用范围。

Description

一种TiAl基合金及其热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种晶粒细小、组织均匀TiAl基合金及其热处理工艺，具体涉及一种节能环保，具有20-30μm晶粒尺寸TiAl基合金的热处理工艺，可用作航空航天发动机涡轮叶片材料。
背景技术
TiAl基金属间化合物具有独特的富有吸引力的综合性能,即低密度、高强度、高熔点和优良的抗蠕变、抗氧化性能及抗燃烧性能,在高温航空结构材料方面得到了广泛的关注。TiAl基合金的潜在价位还在于它的比刚度高,即具有高的弹性模量与密度比。高模量的重要之处在于发动机的许多静态零件的设计准则是尽量减少它们在工作温度下承载时的弹性挠度。这些零件的设计应力很低,它们中许多并不处于断裂的危险部位,决定性的设计指标是这些零件在工作环境中是否具有足够的刚度以保持它们的形状。此外,TiAl基合金的导热系数高,可通过外部冷却方法而进一步提高使用温度。而且,这种合金的热膨胀系数随温度的变化趋势与一些典型结构材料一致,从而可选用不同的材料与TiAl基合金相配合,更方便地设计、制造所需要的高性能部件。
TiAl基合金在最初的一段时间内的发展较为缓慢,其原因是二元TiAl铸造合金的室温塑性很低,断裂韧性很差。合金Ti-48Al-1V-0.3C(at％)是第一代TiAl基合金的代表,它是由美国空军材料实验室和P&W(普惠)公司在19世纪七十年代末到八十年代初共同开发的。该合金设计时的主要目的是改善合金的室温塑性,提高合金的高温抗蠕变能力,但是最终其综合性能仍无法满足航空发动机零部件的苛刻的性能要求,因此其发展只停留在了实验室研究阶段。4822(Ti-48Al-2Cr-2Nb)铸造合金是第二代TiAl基合金中最具代表性的,它是由美国空军和美国GE公司(通用电气公司)共同开发的。该合金的室温塑性、高温强度以及抗氧化性能等比第一代的Ti-48Al-lV-0.3C合金有了一定程度提高。现在该合金己经以用于许多零部件,并且进行了发动机装机试验,并且目前已经在波音787上到了实际应用。除了4822(Ti-48Al-2Cr-2Nb)合金外,第二代TiAl基合金中比较著名的还有Howmet公司于十九世纪九十年代初开发的Ti-(45-47)Al-2Mn-2Nb铸造合金,其中含有0.8vol％TiB2。在760℃时第二代TiAl基合金的大多数高温力学性能包括高温抗蠕变性能、高温强度、抗高温氧化腐烛性能等,按密度比计算,均不亚于或者优于镍基高温合金,从这里来看,TiAl基合金很有希望取代镍基高温合金。
但是与大多数金属间化合物一样，室温脆性是阻碍TiAl基合金作为高温结构材料实际应用的最大障碍，无法通过塑性加工的方法制备成形出结构材料。因此净型成形技术将是解决TiAl基合金取得工业应用的首要技术途径。此外，由于铸态的TiAl基合金组织通常是粗大的层片团结构，室温塑性几乎为零，必须经过一些后续的加工处理细化显微组织，才能将铸态合金用作高温结构材料。
常用的组织细化方法主要有三个方面：合金化，热机械处理和直接热处理。与其它方法相比，直接热处理方法既可以在合金成型之前进行组织细化，又可直接对成型的铸件进行组织细化，具有更大的优越性，加上其工艺简单、成本低廉、显微组织易于控制等优点，可以有效的改善TiAl基合金力学性能。因此利用直接热处理制度细化铸态TiAl基合金具有重要的实际应用价值。
专利CN200510086726.2公开了一种细化TiAl合金铸锭显微组织的热加工工艺，存在以下弊端，第一，工艺步骤较多且需要循环处理，需要大量的时间；第二，需要盐浴，限制了其应用范围；第三，需要高温锻造，需要昂贵的设备；第四，不能对直接成型的铸件进行热加工，降低了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节能环保，具有20-30μm晶粒尺寸TiAl基合金的热处理工艺，用于要求高的抗蠕变性能、高的疲劳抗力的高温涡轮发动机叶片材料的制备上。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种TiAl基合金，按原子百分比计，合金成分如下：Ti-(40-50)Al-2Nb-2Cr-aV，a为原子百分比，0＜a≤4，余量为Ti。
上述TiAl基合金的热处理工艺，所述热处理工艺包括以下步骤：
第一步：按照合金成分配比将原料放入水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉中熔炼母合金；
第二步：采用HTF型高温电炉，对第一步制备出来的母合金进行第一次热处理，热处理后随炉冷却至室温再进行第二次热处理。
其中，第一步的熔炼母合金中，真空抽至10-3Pa以下，再充入惰性气体氩气至常压，熔炼功率为19-20kW，熔炼时间为2-3min，反复熔炼3次，使合金熔炼均匀。
第二步中所述的第一次热处理和第二次热处理的温度均为1310-1330℃，第一次热处理和第二次热处理的保温时间均为10-30min。
本发明设计原理如下：
本发明主要是通过α→α2+γ共析相变，从而细化铸态TiAl基合金，以获得晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的热处理工艺。铸态TiAl基合金为粗大的全片层组织，由Hall-Petch关系可知其塑性与强度较低，尤其是接近于零的塑性大大限制了铸态TiAl基合金的应用。根据已知晶体学关系,α相从γ相中析出时有两种方式,12种位向关系,因此从α相向γ相转变会使晶粒变小。利用α→α2+γ共析相变可以明显细化TiAl基合金，提高TiAl基合金的塑性与强度，有利于扩大TiAl基合金的应用范围。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)本发明不需要对材料进行淬火，有效避免了显微裂纹，有利于工业应用；(2)本发明不需要昂贵的设备，降低了加工成本。(3)本发明既可以在合金成型之前进行组织细化，又可直接对成型的铸件进行组织细化，具有巨大的优势。(4)本发明工艺简单，很容易在实际生产中得到应用；
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明Ti-48Al-2Nb-2Cr-0.1V合金原始铸态组织的显微组织图。
图2是实施例1(Ti-48Al-2Nb-2Cr-0.1V合金)热处理后的显微组织图。
具体实施方式
实施例1
(1)合金成分设计
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：
Ti-48Al-2Nb-2Cr-1V，余量为Ti。
(2)母合金熔炼
按照成分(1)所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb、Cr、V原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10-3Pa以下，再通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。由于采用了悬浮熔炼，所以有效的避免了高温TiAl熔体与坩埚发生反应所带来的污染。熔炼功率按照如下增加步骤：5kw→10kw→15kw→20kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在20kw，熔炼时间为2min。重复以上步骤，反复熔炼3次，使合金熔炼均匀。
(3)制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的热处理工艺
采用HTF型高温电炉制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的，具体制备方法如下：将母合金放入刚玉管中,封闭好刚玉管，之后进行抽真空,再通入高纯氩气,然后关闭刚玉管顶端的阀门,封闭刚玉管。HTF型高温电炉温度升至1310℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出刚玉管。待HTF型高温电炉温度升至1310℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出母合金。
由图1可知，铸态组织晶粒粗大，晶粒尺寸在400-500μm，导致铸态的塑性为0，表现为脆性断裂，无法通过塑性加工的方法制备成形出结构材料，大大降低了合金的应用范围。
由图2可知，热处理后的晶粒尺寸在20-30μm；与铸态组织相比，合金的晶粒得到了数量级的细化。由Hall-Petch关系，晶粒尺寸决定材料的强度与塑性，随着晶粒尺寸的减小，材料的强度与塑性提高；因此，经过热处理之后，Ti-48Al-2Nb-2Cr-Vr合金的晶粒尺寸减小，强度与塑性提高，大大扩大了其应用范围。
实施例2
(1)合金成分设计
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：
Ti-40Al-2Nb-2Cr-1V，余量为Ti。
(2)母合金熔炼
按照成分(1)所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb、Cr、V原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10-3Pa以下，再通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。由于采用了悬浮熔炼，所以有效的避免了高温的TiAl熔体与坩埚发生反应所带来的污染。熔炼功率按照如下增加步骤：5kw→10kw→15kw→20kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在20kw，熔炼时间为2min。重复以上步骤，反复熔炼3次，使合金熔炼均匀。
(3)制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的热处理工艺
采用HTF型高温电炉制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的，具体制备方法如下：将母合金放入刚玉管中,封闭好刚玉管，之后进行抽真空,通入高纯氩气,然后关闭刚玉管顶端的阀门,封闭刚玉管。HTF型高温电炉温度升至1310℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出刚玉管。待HTF型高温电炉温度升至1320℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出母合金。
实施例3
(1)合金成分设计
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：
Ti-43Al-2Nb-2Cr-2V，余量为Ti。
(2)母合金熔炼
按照成分(1)所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb、Cr、V原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。由于采用了悬浮熔炼，所以有效的避免了高温的TiAl熔体与坩埚发生反应所带来的污染。熔炼功率按照如下增加步骤：5kw→10kw→15kw→20kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在20kw，熔炼时间为2min。重复以上步骤，反复熔炼3次，使合金熔炼均匀。
(3)制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的热处理工艺
采用HTF型高温电炉制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的，具体制备方法如下：将母合金放入刚玉管中,封闭好刚玉管，之后进行抽真空,通入高纯氩气,然后关闭刚玉管顶端的阀门,封闭刚玉管。HTF型高温电炉温度升至1310℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出刚玉管。待HTF型高温电炉温度升至1330℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出母合金。
实施例4
(1)合金成分设计
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：
Ti-50Al-2Nb-2Cr-3V，余量为Ti。
(2)母合金熔炼
按照成分(1)所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb、Cr、V原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。由于采用了悬浮熔炼，所以有效的避免了高温的TiAl熔体与坩埚发生反应所带来的污染。熔炼功率按照如下增加步骤：5kw→10kw→15kw→20kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在20kw，熔炼时间为2min。重复以上步骤，反复熔炼3次，目的使合金熔炼均匀。
(3)制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的热处理工艺
采用HTF型高温电炉制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的，具体制备方法如下：将母合金放入刚玉管中,封闭好刚玉管，之后进行抽真空,通入高纯氩气,然后关闭刚玉管顶端的阀门,封闭刚玉管。HTF型高温电炉温度升至1320℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出刚玉管。待HTF型高温电炉温度升至1310℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出母合金。
实施例5
(1)合金成分设计
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：
Ti-45Al-2Nb-2Cr-2V，余量为Ti。
(2)母合金熔炼
按照成分(1)所设计的合金各元素原子百分比，采用高纯Ti、Al、Nb、Cr、V原材料配置出所需的合金。采用水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉熔制母合金，先将真空抽至10-3Pa以下，在通入高纯Ar保护气至压强表读数为0Pa。由于采用了悬浮熔炼，所以有效的避免了高温的TiAl熔体与坩埚发生反应所带来的污染。熔炼功率按照如下增加步骤：5kw→10kw→15kw→20kw，各步骤停留时间15-20s之间，最后稳定在20kw，熔炼时间为2min。重复以上步骤，反复熔炼3次，目的使合金熔炼均匀。
(3)制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的热处理工艺
采用HTF型高温电炉制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金的，具体制备方法如下：将母合金放入刚玉管中,封闭好刚玉管，之后进行抽真空,通入高纯氩气,然后关闭刚玉管顶端的阀门,封闭刚玉管。HTF型高温电炉温度升至1320℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温。待HTF型高温电炉温度升至1320℃时，将刚玉管从炉子顶部插入炉体,样品置于炉体的恒温区内，保温10min，炉冷至室温，取出母合金。
实施例6
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-48Al-2Nb-2Cr-4V，余量为Ti。采用与实施例1相同的热处理工艺制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金。
实施例7
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-42Al-2Nb-2Cr-0.1V，余量为Ti。采用与实施例1相同的热处理工艺制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金。
实施例8
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-45Al-2Nb-2Cr-3.5V，余量为Ti。采用与实施例2相同的热处理工艺制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金。
实施例9
本发明晶粒细小、组织均匀TiAl基合金按原子百分比计，合金成分设计如下：Ti-43Al-2Nb-2Cr-1.2V，余量为Ti。采用与实施例3相同的热处理工艺制备晶粒细小、组织均匀TiAl基合金。

Claims (7)

1.一种TiAl基合金，其特征在于，按原子百分比计，合金成分如下：
Ti-(40-50)Al-2Nb-2Cr-aV，a为原子百分比，0＜a≤4，余量为Ti。
2.如权利要求1所述的TiAl基合金，其特征在于，所述TiAl基合金由以下步骤制备：
第一步：按照合金成分配比将原料放入水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉中熔炼母合金；
第二步：采用HTF型高温电炉，对第一步制备出来的母合金进行第一次热处理，热处理后随炉冷却至室温再进行第二次热处理。
3.如权利要求2所述的TiAl基合金，其特征在于，第一步的熔炼母合金中，真空抽至10-3Pa以下，再充入惰性气体氩气至常压，熔炼功率为19-20kW，熔炼时间为2-3min，反复熔炼3次，使合金熔炼均匀。
4.如权利要求2所述的TiAl基合金，其特征在于，第二步中，所述的第一次热处理和第二次热处理的温度均为1310-1330℃，第一次热处理和第二次热处理的保温时间均为10-30min。
5.一种TiAl基合金的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺包括以下步骤：
第一步：按照合金成分配比将原料放入水冷铜坩埚真空感应悬浮熔炼炉中熔炼母合金；
第二步：采用HTF型高温电炉，对第一步制备出来的母合金进行第一次热处理，热处理后随炉冷却至室温再进行第二次热处理。
6.如权利要求5所述的TiAl基合金的热处理工艺，其特征在于，第一步的熔炼母合金中，真空抽至10-3Pa以下，再充入惰性气体氩气至常压，熔炼功率为19-20kW，熔炼时间为2-3min，反复熔炼3次，使合金熔炼均匀。
7.如权利要求5所述的TiAl基合金的热处理工艺，其特征在于，第二步中，所述的第一次热处理和第二次热处理的温度均为1310-1330℃，第一次热处理和第二次热处理的保温时间均为10-30min。
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