CN106498323A - 一种短时高效变形TiAl合金热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种短时高效的变形TiAl合金热处理方法。对变形TiAl合金通过施加高能电脉冲的方式进行热处理，从而改善其微观组织，提高力学性能。通过控制电脉冲参数的方法控制热处理温度。所施加高能电脉冲频率60‑500Hz，脉宽10‑300μs，峰值电流密度20‑500A·mm‑2，温度最高可达到1330℃，满足四种典型TiAl合金显微组织热处理温度要求，同时可使变形TiAl合金组织达到均匀细小的效果，提高塑性和强度。采用本方法处理变形TiAl合金可极大缩短热处理时间，提高能源利用效率，具有广阔的应用前景。

Description

一种短时高效变形TiAl合金热处理方法
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种短时高效的变形TiAl合金热处理方法。
技术背景
TiAl合金密度仅为Ni基高温合金的一半，具有优异的高温比刚度、比强度，以及良好的高温抗氧化性，在600-900℃温度区间替代高温合金制作航空航天结构件以及地面动力系统转动或往复运动结构件，可实现推重比和燃油效率的大幅度提升，在航空、航天及车辆工程等方面具有广阔的应用前景。TiAl合金构件主要通过铸造和变形的方法进行制备。TiAl合金力学性能与其显微组织关系密切，细小的全片层组织是目前发展的方向，因为该组织不仅具有较好的高温强度，还具备较好的室温塑性。
对于变形TiAl合金，其变形方式主要有锻造、挤压和轧制方法。变形加工一般在α+γ双相区进行，因此变形TiAl合金主要由γ+片层团，即双态组织构成。该组织具有较好的韧塑性，但高温强度、蠕变性能差，实际应用时需热处理成全片层组织。因为全片层TiAl合金组织具有较高的高温强度和断裂韧性，同时具有较好的高温蠕变性能。
全片层TiAl合金组织的热处理方法，需要将TiAl合金加热到单相α相区进行单相处理。变形TiAl合金在加热到α单相区后，晶粒尺寸对热处理温度和时间非常敏感，全片层处理后的片层团一般较大。另外，由于板材热处理过程中表面及心部温度差异，导致热处理过程中晶粒尺寸不均匀，心部和表面的组织及力学性能存在一定的差异。同时，由于α单相区温度较高，工件在高温下氧化较为严重，因此对高温热处理气氛环境具有较高要求。
对于变形合金热处理后片层团尺寸过大的问题，需要严格控制热处理工艺参数等手段进行控制，例如热处理温度、保温时间、加热及冷却方式等。然而在实际热处理过程当中，很难做到表面、心部同时加热。同时由于凝固偏析使得TiAl合金微观组织不均匀，要想得到全片层组织必须进行较长时间的高温热处理后，在这一过程中容易引起部分晶粒异常长大，因此热处理后很难得到细小均匀的全片层组织。可以看出，目前的热处理方法不仅需要的热处理温度高，而且热处理时间长，热处理过程中能量损耗较大，且试样表面氧化较严重，一方面恶化了试样的力学性能，另一方面提高了后续加工的难度。
电脉冲(Electropulsing)是由电容或者是间歇性电源产生的非稳态电流场，是在很短时间内变一次电压的过程。高能电脉冲作用于材料的附加效应主要有焦耳热效应、磁压缩效应、集肤效应和磁致伸缩效应等方面。热效应是指焦耳热引起的温度升高，非热效应是指电子与原子之间的周期性相互作用力(电子风力)。材料在变形的过程中受到高能电流脉冲的作用，使得材料变形抗力急剧下降，塑性明显提高，此效应即为电致塑性效应。现代的电脉冲技术越来越向高频、高能量的趋势发展，并且在材料领域有着广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短时高效的变形TiAl合金热处理方法。对于通过锻造、挤压、轧制等塑性变形的TiAl合金，通过施加高能电脉冲的方法，对其进行热处理，从而改善其微观组织，提高使用力学性能。利用此方法热处理可以大大节约热处理时间，提高热处理的效率，同时可使变形TiAl合金组织达到均匀细小的效果，提高塑性和强度。
一种利用高能电脉冲对变形TiAl合金进行热处理的方法。TiAl基合金一般由85-98％的γ和15-2％的α2相组成，成分范围一般为Ti-(43-48)Al-(0-9)Nb-(0-9)(Mn,Cr,Mo,V)-(0-0.4)(B,C,Y)。其方法为对塑性变形后的TiAl合金板材，利用高能电脉冲对其进行热处理。电脉冲频率60-500Hz，脉宽10-300μs，峰值电流密度20-500A·mm-2，处理时间3-60s。高能电脉冲处理可以促进变形TiAl再结晶，同时通过高温热处理改善微观组织，促进片层组织的生成，提高力学性能。该热处理时间很短，在数秒至几十秒就可以处理完毕，大大的提高了热处理的效率，同时节约能源。
利用高能电脉冲，在高于共析温度的α+γ两相区退火并随后缓慢冷却至室温可形成近γ组织，冷却后它由γ等轴晶和少量分布在γ相晶界的α2相组成；当在合金α+γ两相区热处理，α和γ相体积分数大致相等时，冷却后形成由γ晶粒和α2/γ层片组成的双态组织；当热处理温度达到α转变温度以下10℃左右时，经冷却后形成近片层组织，这时组织中γ晶粒体积分数很少，为α2+γ片层和少量分布于片层团间的等轴γ晶粒组成的近片层组织；在α转变温度以上，即α单相区进行热处理并缓慢冷却可形成全层片组织。
对变形TiAl合金板材施加高能电脉冲进行热处理，可以促进片层组织生成，显著增加其强度，提高其使用性能。本发明的优点在于：
对于变形TiAl合金，变形温度一般选择在(α+γ)两相区，变形后的组织一般是双态组织，一般需进行相应的热处理，提高其使用性能。常规热处理情况下，如要得到全片层组织，需在α单相区热处理。此时热处理温度较高，且没有第二相的钉扎作用，α相会迅速长大，最终得到完全由α2+γ片层构成的FL组织片层团尺寸较大，导致塑性变得很差。本发明利用高能电脉冲对变形TiAl合金进行热处理，加热迅速，处理时间短，避免了TiAl合金在α相区的长时间保温，可以大大节约热处理所需能量，是一种节能的热处理方法。该方法由于具有高效率、低能耗、连续化热处理的特点，具有广阔的工程应用前景。
例如对高Nb-TiAl合金热轧板，热轧后板材厚度2mm，对其进行电脉冲热处理。经过处理后，材料微观组织发生了显著的变化，力学性能得到提高。在不同的电脉冲处理参数下，板材热处理时间、温度不同，导致材料组织不同，因此可以通过这种短时高效的电脉冲热处理方法调控这种变形TiAl的组织，从而影响其力学性能。铸态高Nb-TiAl表面硬度为344HV，热轧后硬度升高为402HV，在电脉冲频率200-300Hz，脉宽60μs，峰值电流密度350-450A·mm-2，保温时间40s，试样表面温度随着峰值电流密度的增大而升高，试样表面硬度也随之增大。900℃处理后硬度为399HV，1300℃处理后硬度为444HV。温度越高，热处理后TiAl合金硬度提高越大。随着试样表面温度不同显微硬度变化如图1所示。
附图说明
图1为高能电脉冲热处理后试样显微硬度与热处理温度关系图。
具体实施方式
以高Nb-TiAl合金为例，合金名义成分为Ti-45Al-8.5Nb-0.3B-0.3W-0.03Y(原子百分比)，经等离子冷床炉熔炼制成合金锭。从合金锭中切取坯料，等温锻造后切取热轧坯料，或者从合金锭中直接切取热轧坯料，进行包套热轧。包套材料选用304不锈钢，采用三明治结构包裹后进行焊接包套。包套热轧后得到厚度为1-2mm的高Nb-TiAl合金板材，对其施加高能电脉冲进行热处理。具体实施方案如下：
实施例1
电脉冲频率200Hz，脉宽60μs，峰值电流密度350A·mm-2，处理温度达到900℃，保温时间40s。处理后板材显微组织变化不大，为轧态的双态组织，硬度较热轧态硬度略有下降，达到399HV。
实施例2
电脉冲频率300Hz，脉宽60μs，峰值电流密度380A·mm-2，处理温度达到1000℃，保温时间40s。处理后板材显微组织变化不大，为轧态的双态组织，硬度达到401HV。
实施例3
电脉冲频率200Hz，脉宽60μs，峰值电流密度400A·mm-2，处理温度达到1150℃，保温时间40s。处理后板材显微组织发生显著变化，组织为近γ组织，伴随少量片层团出现，体积分数增大，硬度达到412HV。
实施例4
电脉冲频率300Hz，脉宽60μs，峰值电流密度420A·mm-2，处理温度达到1200℃，保温时间40s。处理后板材显微组织发生明显变化，组织为双态组织，片层团尺寸增大，体积分数增大，硬度达到422HV。
实施例5
电脉冲频率200Hz，脉宽60μs，峰值电流密度380A·mm-2，处理温度达到1240℃，保温时间40s。处理后板材显微组织发生明显变化，为近片层组织，硬度达到437HV。
实施例6
电脉冲频率300Hz，脉宽60μs，峰值电流密度400A·mm-2，处理温度达到1330℃，保温时间40s。处理后板材显微组织发生明显变化，为全片层组织，硬度达到444HV。

Claims (3)

1.一种短时高效的变形TiAl合金热处理方法，其特征在于TiAl基合金由85-98％的γ和15-2％的α2相组成，成分范围为Ti-(43-48)Al-(0-9)Nb-(0-9)(Mn,Cr,Mo,V)-(0-0.4)(B,C,Y)；其方法为对塑性变形后的TiAl合金板材，通过控制高能电脉冲参数的方法控制热处理温度；能满足四种典型TiAl合金显微组织热处理温度要求。
2.一种短时高效的变形TiAl合金热处理方法，其特征在于高能电脉冲频率60-500Hz，脉宽10-300μs，峰值电流密度20-500A·mm-2，处理时间3-60s，极大缩短变形TiAl合金热处理时间，能源利用效率大幅提升，同时使变形TiAl合金组织达到均匀细小的效果，提高塑性和强度。
3.如权利要求1所述的短时高效的变形TiAl合金热处理方法，其特征在于四种典型TiAl合金显微组织包括近γ、双态、近片层和全片层组织。
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