CN112941438A - 一种提高β-γ-TiAl合金高温强度的热处理方法 - Google Patents

一种提高β-γ-TiAl合金高温强度的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高β‑γ‑TiAl的高温强度的热处理方法，属TiAl合金制备技术领域。本发明通过一定的固溶+时效工艺调控β‑γ‑TiAl合金在全片层组织中析出二次β0相，使合金在600℃下的屈服强度提高了25~85MPa，在650℃的屈服强度提高了30~95MPa，在700℃下的屈服强度提高了15~48MPa。

Description

一种提高β-γ-TiAl合金高温强度的热处理方法
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种提高第三代β-γ-TiAl合金高温强度的热处理方法
背景技术
随着航空航天的不断发展，要求发动机的推重比不断提高。提高先进发动机的推重比主要有两种方式：一是提高涡轮进口温度；二是减轻发动机重量。基于航空航天发动机的真实服役环境和条件，通过减轻发动机的重量更具有现实意义。飞机发动机要求材料不仅具有良好的抗蠕变、抗氧化等高温性能，同时还要有足够高的比强度和比模量。而TiAl金属间化合物兼具轻质、耐高温、优异的抗氧化性能和抗蠕变性能等诸多优点，是一种非常有潜力的轻质高温结构材料。并且它的比强度在600℃-750℃优势明显，密度不到镍基高温合金的一半，是目前唯一能够在>600℃氧化环境长期使用的轻质合金材料。用TiAl合金替代镍基高温合金，减重效益巨大。
第一代、第二代TiAl合金存在650℃以上高温强度不足的问题，无法应用于更高使用温度的涡轮发动机叶片上，因此更有潜力的第三代TiAl合金(β-γ-TiAl)合金成为研究重点。β-γ-TiAl合金通过加入一定量的β相稳定元素来提高合金的高温变形能力，通过热加工工艺细化合金组织，进一步提高合金的强度。TiAl合金有四种典型组织，其中拥有细小全片层组织的TiAl合金综合性能最优异，因此具有细小全片层组织的β-γ-TiAl是第三代TiAl合金中最具潜力的。
研究表明，β-γ-TiAl由于存在大量的β稳定元素，因此在锻造完成以后会残留大量的β0相，β0相在高温下属于软相，大量的β0相的存在，直接导致TiAl合金高温强度的下降，限制了其在更高温度范围替代Ni基高温合金的应用。
发明内容
针对以上背景技术的实际应用需求，本发明旨在提供一种在细小全片层组织上析出二次β0相的热处理方法，从而提高β-γ-TiAl的高温强度。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种提高β-γ-TiAl的高温强度的热处理方法，包括以下步骤：
步骤1，包套锻造：将β-γ-TiAl合金试样进行包套，在马弗炉中保温一定时间之后，将包套试样取出，在室温下进行自由锻造，之后去除包套取出样品，使合金获得平均晶粒尺寸为25～35μm的近γ组织的合金样品；
步骤2，固溶热处理：在惰性气氛下，将步骤1的合金样品在一定温度下保温，之后取出空冷，得到平均晶粒尺寸为25～35μm的细小全片层组织的合金样品；
步骤3，时效热处理：在惰性气氛下，将步骤2的合金样品在在Teut(共析温度)以下150～180℃区间保温3-6h，随炉冷却至室温，获得全片层组织的平均晶粒尺寸在25～35μm，同时在片层团晶界上析出了二次β0相的合金。
进一步的，步骤1中，将β-γ-TiAl合金试样包套，在1250～1350℃下保温15～40min。
进一步的，步骤1中，在室温下进行2道次的自由锻造，控制变形量为65％。
进一步的，步骤2中，在惰性气氛下，将步骤1的合金样品在Tγsolve以上40～50℃保温30min。
进一步的，步骤2和步骤3中的惰性气氛包括氩气、氦气、氖气。
进一步的，任一项所述的方法制备的高温强度TiAl合金。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过包套锻造+固溶热处理，获得了细小的全片层组织，保证了合金良好的室温强度和塑性。
(2)通过时效热处理，在片层团晶界处析出了二次β0相，进一步提高了合金的高温强度。
附图说明
图1为实施例一中包套锻造后的TiAl合金SEM-BSE组织图。
图2为实施例一中固溶后的TiAl合金SEM-BSE组织图。
图3为实施例一中时效后的TiAl合金SEM-BSE组织图。
图4为实施例二中时效后的TiAl合金SEM-BSE组织图。
图5为实施例三中时效后的TiAl合金SEM-BSE组织图。
图6为对比例一中时效后的TiAl合金SEM-BSE组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进一步阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明通过一定的固溶热处理制度消除或减少β0相的存在，再利用一定的时效工艺在片层组织和晶界处析出针状细小的二次β0相，从而提高合金的高温强度，以满足其在更苛刻的条件下工作。
实施例一：
步骤1，包套锻造：将Ti-42Al-5Mn合金试样进行包套，在1300℃中保温20min之后，将包套试样取出，在室温下进行自由锻造，之后去除包套取出样品，使合金获得平均晶粒尺寸为26μm的近γ组织，如图1所示，锻态时的Ti-42Al-5Mn合金在600℃、650℃、700℃的屈服强度见表1；
步骤2，固溶热处理：将样品放入真空管式炉中通入氩气，在Tγsolve以上40℃保温30min，之后取出空冷，得到平均晶粒尺寸为27μm的细小全片层组织，如图2所示；
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下180℃保温6h，随炉冷却至室温，保持全片层组织的平均晶粒尺寸在27μm的同时，在片层团晶界上析出了二次β0相，如图3所示，固溶时效后片层团界面处有明显的二次β0相析出，通过计算得出二次β0相的体积分数为2.2％，固溶时效后的Ti-42Al-5Mn合金在600℃、650℃、700℃的屈服强度见表1。
表1 Ti-42Al-5Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000031
从表1和图3中分析，产生这种差异的原因是，细小弥散分布的二次β0相主要分布于片层组织的晶界处，当位错进行滑移时，受到针状β0相的阻碍作用，位错绕过或切过二次β0相时，需要施加更多的外力作用，表现为合金强度的提高。
实施例二
实施例二的步骤1与步骤2同实施例一的步骤1和步骤2。
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下180℃保温3h，随炉冷却至室温，保持全片层组织的平均晶粒尺寸在27μm的同时，在片层团晶界上析出了二次β0相，如图4所示。通过计算得出二次β0相的体积分数为1.8％，固溶时效后的Ti-42Al-5Mn合金在600℃、650℃、700℃的屈服强度见表2。
表2 Ti-42Al-5Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000032
Figure BDA0002917641650000041
实施例三
实施例三的步骤1同实施例一的步骤1。
步骤2，固溶热处理：将样品放入真空管式炉中通入氩气，在Tγsolve以上45℃保温30min，之后取出空冷，得到平均晶粒尺寸为28μm的细小全片层组织；
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下150℃保温6h，随炉冷却至室温，保持全片层组织的平均晶粒尺寸在28μm的同时，在片层团晶界上析出了二次β0相，如图5所示，固溶时效后片层团界面处有明显的二次β0相析出，通过计算得出二次β0相的体积分数为2.5％，固溶时效后的Ti-42Al-5Mn合金在600℃、650℃、700℃的屈服强度见表3。
表3 Ti-42Al-5Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000042
实施例四
实施例四的步骤1同实施例一的步骤1。
步骤2，固溶热处理：将样品放入真空管式炉中通入氩气，在Tγsolve以上50℃保温30min，之后取出空冷，得到平均晶粒尺寸为27μm的细小全片层组织；
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下160℃保温3h，随炉冷却至室温，保持全片层组织的平均晶粒尺寸在28μm的同时，在片层团晶界上析出了二次β0相，固溶时效后片层团界面处有明显的二次β0相析出，通过计算得出二次β0相的体积分数为1.9％，固溶时效后的Ti-42Al-5Mn合金在600℃、650℃、700℃的屈服强度见表4。
表4 Ti-42Al-5Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000043
实施例五
步骤1，将Ti-43Al-4Mn合金试样进行包套，在1300℃马弗炉中保温20min之后，将包套试样取出，在室温下进行自由锻造，之后去除包套取出样品，使合金获得平均晶粒尺寸为26μm的近γ组织，锻态时的Ti-43Al-4Mn合金在600℃、650℃、700℃的屈服强度见表5；
步骤2，固溶热处理：将样品放入真空管式炉中通入氩气，在Tγsolve以上50℃保温30min，之后取出空冷，得到平均晶粒尺寸为27μm的细小全片层组织；
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下150℃保温3h，随炉冷却至室温，保持全片层组织的平均晶粒尺寸在27μm的同时，在片层团晶界上析出了二次β0相。通过计算得出固溶时效后二次β0相的体积分数为1.1％，将固溶时效后的Ti-43Al-4Mn合金与锻态合金的高温力学性能进行比较，如表5所示。
表5 Ti-43Al-4Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000051
实施例六
步骤1，将Ti-42Al-7Mn合金试样进行包套，在1300℃马弗炉中保温20min之后，将包套试样取出，在室温下进行自由锻造，之后去除包套取出样品，使合金获得平均晶粒尺寸为26μm的近γ组织，锻态时的Ti-42Al-7Mn合金在600℃、650℃、700℃的屈服强度见表6；
步骤2，固溶热处理：将样品放入真空管式炉中通入氩气，在Tγsolve以上45℃保温30min，之后取出空冷，得到平均晶粒尺寸为27μm的细小全片层组织；
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下180℃保温3h，随炉冷却至室温，保持全片层组织的平均晶粒尺寸在27μm的同时，在片层团晶界上析出了二次β0相。通过计算得出固溶时效后二次β0相的体积分数为2.1％，将固溶时效后的Ti-42Al-7Mn合金与锻态合金的高温力学性能进行比较，如表6所示。
表6 Ti-42Al-7Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000052
对比例一
对比例一的步骤1和步骤2同实施例一的步骤1和步骤2。
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下190℃保温3h，随炉冷却至室温，保持全片层组织的平均晶粒尺寸在27μm的同时，在片层团晶界上析出了二次β0相。通过计算得出固溶时效后二次β0相的体积分数仅为0.01％，含量极少，如图6所示。将固溶时效的Ti-42Al-5Mn合金与锻态合金的高温力学性能进行比较，如表7所示，从表中可以看出，在二次β0相析出量极少的情况下，高温屈服强度变化不明显。
表7 Ti-42Al-5Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000061
对比例二
对比例二的步骤1和步骤2同实施例一的步骤1和步骤2。
步骤3，时效热处理：将固溶热处理后的样品放入真空管式炉中通入氩气，在Teut以下140℃保温3h，随炉冷却至室温，全片层组织的平均晶粒尺寸在27μm，在片层团晶界上没有析出二次β0相。将固溶时效的Ti-42Al-5Mn合金与锻态合金的高温力学性能进行比较，如表8所示，从表中可以看出，性能变化不大。
表8 Ti-42Al-5Mn合金的高温屈服强度
Figure BDA0002917641650000062

Claims (6)

1.一种提高β-γ-TiAl的高温强度的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，包套锻造：将β-γ-TiAl合金试样进行包套，保温一定时间之后，将包套试样取出，在室温下进行自由锻造，去除包套，获得平均晶粒尺寸为25~35μm的近γ组织的合金样品；
步骤2，固溶热处理：在惰性气氛下，将步骤1的合金样品在一定温度下保温，之后取出空冷，得到平均晶粒尺寸为25~35μm的细小全片层组织的合金样品；
步骤3，时效热处理：在惰性气氛下，将步骤2的合金样品在Teut以下150~180℃区间保温3-6h，随炉冷却至室温，获得全片层组织的平均晶粒尺寸在25~35μm，同时在片层团晶界上析出了二次β0相的合金。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，将β-γ-TiAl合金试样包套，在马弗炉中1250~1350℃下保温15~40min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，在室温下进行2道次的自由锻造，控制变形量为65%。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，在惰性气氛下，将步骤1的合金样品在Tγsolve以上40~50℃保温30min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，惰性气氛包括氩气、氦气、氖气。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法制备的高温强度TiAl合金。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114150242A (zh) * 2021-11-25 2022-03-08 南京理工大学 一种抑制轻质高强TiAl合金片层粗化的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102828067A (zh) * 2012-09-28 2012-12-19 哈尔滨工业大学 一种beta-gamma TiAl合金及其制备方法
CN104550956A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 哈尔滨工业大学 beta-gamma TiAl预合金粉放电等离子烧结制备构件的方法
EP3266888A1 (en) * 2016-07-07 2018-01-10 United Technologies Corporation Enhanced temperature capability gamma titanium aluminum alloys
CN107746989A (zh) * 2017-09-27 2018-03-02 西安交通大学 一种超高强度Ti‑Al‑Zr‑Mo‑Cr系β钛合金及其热处理工艺
CN112831708A (zh) * 2019-11-12 2021-05-25 新疆大学 一种钛铝基多晶耐热钛合金及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102828067A (zh) * 2012-09-28 2012-12-19 哈尔滨工业大学 一种beta-gamma TiAl合金及其制备方法
CN104550956A (zh) * 2015-01-20 2015-04-29 哈尔滨工业大学 beta-gamma TiAl预合金粉放电等离子烧结制备构件的方法
EP3266888A1 (en) * 2016-07-07 2018-01-10 United Technologies Corporation Enhanced temperature capability gamma titanium aluminum alloys
CN107746989A (zh) * 2017-09-27 2018-03-02 西安交通大学 一种超高强度Ti‑Al‑Zr‑Mo‑Cr系β钛合金及其热处理工艺
CN112831708A (zh) * 2019-11-12 2021-05-25 新疆大学 一种钛铝基多晶耐热钛合金及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI，XB ETAL.: "Phase Transformation Behavior of a β-Solidifying γ-TiAl-Based Alloy from Different Phase Regions with Various Cooling Methods", 《METALS》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114150242A (zh) * 2021-11-25 2022-03-08 南京理工大学 一种抑制轻质高强TiAl合金片层粗化的方法
CN114150242B (zh) * 2021-11-25 2023-07-18 南京理工大学 一种抑制轻质高强TiAl合金片层粗化的方法

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