CN113481444B - 一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，步骤为：原材料及装置准备，加工出TiAl合金样品，并对样品进行打磨、超声波清洗、晾干，将TiAl合金样品放在感应加热线圈内，调整在感应加热线圈内的高度，样品上下端不能超过感应加热线圈高度范围，实验过程中保证TiAl合金样品处于真空或Ar气环境中；加热至1360～1420℃并保温2～10min；过冷α相低温等温处理至低温1120～1280℃，等温时间为10～50min；进一步控温至700℃冷却。本发明的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，步骤简单，不受到包晶凝固铸态TiAl合金成分影响，不需要添加细化剂元素，不需要熔化TiAl合金，也不需要对TiAl合金进行变形，所有过程在固相下实现，可以制备出近片层细晶组织，预期具有良好的力学性能。

Description

一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法

技术领域

本发明涉及TiAl合金组织细化领域，尤其涉及一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法。

背景技术

TiAl合金具有低密度、优良的高温强度、抗蠕变性和耐氧化腐蚀，作为一种高温结构材料，被认为是650-1000℃范围内可以取代高温合金的唯一候选合金，是当前航空航天关注的热点，展现出了良好的应用潜力。然而，由于金属间化合物的本征脆性，TiAl合金室温塑形和加工性能较差，严重制约了其工程化发展。

目前来看，TiAl合金细化是改善其塑形、韧性的最重要途径，且近片层细晶组织展现出更为优异的综合性能。Kim等人2018年在《JOM》上发表文章《Advances in GammalloyMaterials–Processes–Application Technology:Successes,Dilemmas,andFuture》，明确指出细晶组织是TiAl合金设计指导、性能提升、应用发展的重要方向。陈林等人2020年在《中国材料进展》发表文章《快速冷却细化TiAl合金组织研究进展》，介绍了快速冷却方法对TiAl合金组织细化的影响，主要包括合金熔体快速凝固、β相和α相快速冷却三种途径。陈玉勇等人2008年在《金属学报》发表文章《TiAl合金显微组织细化》，介绍了通过包套轧制和板材轧制手段，来对TiAl合金进行细化，这种通过变形来细化TiAl合金的手段非常有效，而且可以降低偏析，是TiAl合组织细化领域的研究热点。苏美科等人2010年在《材料热处理学报》发表文章《热处理对铸态TiAl基合金组织细化的影响》，讨论了循环热处理对Ti-47Al-2Cr-2Nb铸态合金组织的影响，通过在高温α单相区反复温度循环，实现了明显的片层组织细化。以上工作均是针对成分一定的TiAl合金，此外，通过添加细化剂也是常用的TiAl合金细化途径。哈尔滨工业大学方虹泽2018年博士论文《原位自生Ti2AlC增强TiAl合金的凝固组织演变与力学性能》，系统研究了碳元素对TiAl合金组织的细化规律和物理机制，以及带来的性能变化。西北工业大学刘懿文2017年博士论文《原位自生Ti2AlN/TiAl基复合材料组织演变及强韧化机制》，详细讨论了氮元素对TiAl合金组织细化的影响规律和作用机理。

通过上述材料可以发现，合金成分、热处理和热加工是细化TiAl合金、获得近片层组织的主要手段。按凝固路径不同，TiAl合金可分为β凝固和包晶凝固两类。需要注意的是，相比于β凝固铸态TiAl合金，对于包晶凝固铸态TiAl合金，其组织细化难度更大，这主要是由于β凝固合金在高温会发生β→α相变，多个α相晶粒在β相中形核，其相变路径具有自细化特征，而包晶凝固TiAl合金不存在β→α相变，因此往往形成粗大的片层团。

针对包晶凝固铸态TiAl合金组织细晶化技术：申请号为CN200810064794.2的“一种铸态TiAl基合金晶粒的细化方法”专利中公开了，在铸态TiAl合金熔体中引入脉冲电流，得到了10-30μm晶粒尺寸的铸态组织。申请号为CN201010594268.4的“一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法”专利中公开了，通过在液相线以下5-20℃半固态保温，然后再进行后续固溶时效处理，获得了细小近片层组织。申请号为CN201310400551.2的“一种TiAl合金晶粒细化方法”专利中公开了，通过对包晶凝固Ti-50Al合金在固液两相区进行温度循环处理，使固相枝晶反复重熔，得到了细化的等轴晶组织。申请号为CN201410038432.1的“一种γ-TiAl合金细小全片层组织制备方法”专利中公开了，通过α单相区固溶处理，结合α+γ两相区变形，制备出片层团晶粒尺寸150μm的组织，相较于原始铸态组织减小80％左右。申请号为CN202010749541.X的“一种控制TiAl合金细晶组织的形变热处理方法”专利中公开了，基于使用预变形+等温热处理手段，通过对变形量，变形速率，保温温度控制，获得了TiAl合金细晶近片层组织，片层团尺寸小于50μm。

综上，虽然相关文献和专利公开了有关包晶凝固铸态TiAl合金组织细化的方法，但是仍存在以下问题：(1)当合金中不含C、N、B等细化元素时，不能通过改变化学成分来实现TiAl合金组织细化；(2)当存在TiAl合金熔体时，由于TiAl的化学活性高，会造成坩埚材料污染合金、引入杂质和提高氧含量；(3)当需要变形时，不仅会增加工序，而且对于TiAl合金铸件，是不能应用的(变形会改变构件尺寸)；(4)由于相变路径不一样，β凝固铸态TiAl的热处理细化手段，难以使用在包晶凝固铸态TiAl合金上。

因此，有必要提出一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，已解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有的制备TiAl合金细晶组织的方法，需要改变合金化学成分、需要熔化合金以及需要对合金进行变形处理，不仅工艺复杂，而且还不可控的问题，提出了一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法。

本发明提供的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法包括：

步骤一：原材料及装置准备：加工出圆柱状的TiAl合金样品，并对样品进行打磨、超声波清洗、晾干，将TiAl合金样品放在感应加热线圈内，调整在感应加热线圈内的高度，样品上下端不能超过感应加热线圈高度范围，实验过程中保证TiAl合金样品处于真空或Ar气环境中；

步骤二，加热并保温：开启加热电源，通过感应加热线圈，将TiAl合金控温加热至α单相区，加热速率为50～100℃/s，加热至1360～1420℃，此温度区间为α单相区温度范围靠下位置，然后进行2～10min保温；

步骤三，过冷α相低温等温处理：将处于高温α单相区保温的TiAl合金样品进行控温过冷的等温处理，控温冷却速率为80～100℃/s，冷却至低温1120～1280℃，此温度范围是α+γ两相区下部分，然后进行等温处理，等温时间为10～50min；

步骤四，进一步控温冷却：将处于α+γ两相区等温处理后的TiAl合金样品进行进一步的冷却，控温冷却速率为10～20℃/min，冷却至700℃时关闭加热电源，结束制备过程。

其中，步骤一中的装置包括石英管以及竖直设置的感应加热线圈，石英管的底部设置有螺纹连接的可旋转升高降低的底托，底托表面涂覆有Y₂O₃层，底托上放置TiAl合金样品，石英管的顶部以及底托的底部分别连接进气管和出气管，进气管连接Ar气源瓶，石英管外包裹耐火棉，插设于感应加热线圈内，并保证TiAl合金样品的上下端不超过感应加热线圈的高度范围，感应加热线圈与加热控制器连接；实验开始前，预先通过进气管向石英管内持续通入Ar气，至实验结束停止。

其中，步骤一中的装置包括加热炉，其内中部设置有感应加热线圈，与加热控制器连接，陶瓷底座设置于感应加热线圈的中间位置，固定于加热炉的底壁上，陶瓷底座表面涂覆有Y₂O₃层，陶瓷底座上放置TiAl合金样品，加热炉的顶部设置有测温探头，与加热控制器连接，加热炉的侧壁上还设置有进出气口；实验开始前，先对加热炉进行抽真空至10^-3Pa，反冲氩气至500Pa，抽气/反冲过程反复进行4次。

其中，感应加热线圈的长度为TiAl合金样品长度的至少2倍及以上，所述感应加热线圈的内径为TiAl合金样品直径的4-6倍。

其中，感应加热线圈长80mm，内径为45mm，石英管长200mm，外径为30mm，样品直径和高度均为8-15mm。

其中，经过所述包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法调控后的所述TiAl合金样品，获得了细化的α₂/γ片层团和细小弥散的γ相晶粒组成的近片层组织，α₂/γ片层团和γ相晶粒尺寸分别为80～130μm和3～5μm。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，针对包晶凝固铸态TiAl合金，可以制备出近片层细晶组织，预期具有良好的力学性能；不受到包晶凝固铸态TiAl合金成分影响，不需要添加细化剂元素；设备工序简易，特别是不需要熔化TiAl合金，也不需要对TiAl合金进行变形，所有过程在固相下实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的步骤一中装置的第一实施例的结构示意图；

图2为本发明提供的步骤一中装置的第二实施例的结构示意图；

图3为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样初始状态的扫描电镜背散射照片；

图4为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样加热至1420℃保温0min的高温激光共聚焦显微镜照片；

图5为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样加热至1420℃保温9min的高温激光共聚焦显微镜照片；

图6为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样过冷至1280℃等温6s后的高温激光共聚焦显微镜照片；

图7为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样过冷至1280℃等温40min后的扫描电镜背散射照片；

图8为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样过冷至冷却至700℃时的扫描电镜背散射照片。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，该包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法包括以下步骤：

步骤一：原材料及装置准备：加工出圆柱状的TiAl合金样品，并对样品进行打磨、超声波清洗、晾干，将TiAl合金样品放在感应加热线圈内，调整在感应加热线圈内的高度，样品上下端不能超过感应加热线圈高度范围，实验过程中保证TiAl合金样品处于真空或Ar气环境中。其中，感应加热线圈的长度为TiAl合金样品长度的至少2倍及以上，感应加热线圈的内径为TiAl合金样品直径的4-6倍。优选为，感应加热线圈长80mm，内径为45mm，石英管长200mm，外径为30mm，样品直径和高度均为8-15mm。

步骤二，加热并保温：开启加热电源，通过感应加热线圈，将TiAl合金控温加热至α单相区，加热速率为50～100℃/s，加热至1360～1420℃，此温度区间为α单相区温度范围靠下位置，然后进行2～10min保温。

步骤三，过冷α相低温等温处理：将处于高温α单相区保温的TiAl合金样品进行控温过冷的等温处理，控温冷却速率为80～100℃/s，冷却至低温1120～1280℃，此温度范围是α+γ两相区下部分，然后进行等温处理，等温时间为10～50min。

步骤四，进一步控温冷却：将处于α+γ两相区等温处理后的TiAl合金样品进行进一步的冷却，控温冷却速率为10～20℃/min，冷却至700℃时关闭加热电源，结束制备过程。

其中，步骤一中的装置可以设计为多种模式，以下列举两个实施例。

实施例1

请参加图1，图1为本发明提供的步骤一中装置的第一实施例的结构示意图。装置包括石英管1以及竖直设置的感应加热线圈2，石英管1的底部设置有螺纹连接的可旋转升高降低的底托3，底托3表面涂覆有Y₂O₃层，底托3上放置TiAl合金样品4。石英管1的顶部以及底托3的底部分别连接进气管5和出气管6，进气管5连接Ar气源瓶，石英管1外包裹耐火棉7，插设于感应加热线圈2内，并保证TiAl合金样品4的上下端不超过感应加热线圈2的高度范围，感应加热线圈2与加热控制器8连接。实验开始前，预先通过进气管5向石英管1内持续通入Ar气，使Ar气全部充满石英管1内后再开始实验，至实验结束停止。

实施例2

请参见图2，图2为本发明提供的步骤一中装置的第二实施例的结构示意图。装置包括加热炉11，其内中部设置有感应加热线圈12，与加热控制器13连接。陶瓷底座14设置于感应加热线圈12的中间位置，固定于加热炉11的底壁上，陶瓷底座14表面涂覆有Y₂O₃层，陶瓷底座14上放置TiAl合金样品15。加热炉11的顶部设置有测温探头16，与加热控制器13连接，加热炉11的侧壁上还设置有进出气口17。实验开始前，先通过进出气口17对加热炉11进行抽真空至10^-3Pa，反冲氩气至500Pa，抽气/反冲过程反复进行4次，再开始后续实验。

经过包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法调控后的TiAl合金样品，获得了细化的α₂/γ片层团和细小弥散的γ相晶粒组成的近片层组织，α₂/γ片层团和γ相晶粒尺寸分别为80～130μm和3～5μm。

TiAl合金包括多种合金，下面选择TiAl合金样品以Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样为例：

请参见图3，图3为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样初始状态的扫描电镜背散射照片。从图3中可以看出片层团粗大，且存在较为严重的凝固偏析。

请参见图4-5，图4为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样加热至1420℃保温0min的高温激光共聚焦显微镜照片；图5为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样加热至1420℃保温9min的高温激光共聚焦显微镜照片。在从室温升温到1420℃的过程中，Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样发生了α₂+γ→α+γ→α相变过程，在1420℃下试样表面有很多形状不均匀的褶皱，这是因为α相和γ相的膨胀系数不一致，导致在高温下存在α+γ的片层结构，即形成热蚀沟。之后随着保温时间的延长，褶皱逐渐减少，从图4到图5，可以看到明显的晶粒细化，即一个γ相在升温的过程中析出多个α相，如图4、图5中圆圈区域内容所示。

请参见图6-7，图6为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样过冷至1280℃等温6s后的高温激光共聚焦显微镜照片；图7为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样过冷至1280℃等温40min后的扫描电镜背散射照片。过冷α相在1280℃等温，会迅速发生α→α+γ转变并析出片层组织。在1280℃下保温6s时，γ相优先在已经析出的γ板条以及α相界面处形核，如图6中箭头所示。然后有较多的不同取向的细密片层结构形成，γ片层不断析出并生长，片层组织会覆盖之前析出的γ板条并迅速覆盖至整个α晶粒内部，直至片层结构基本全部行成，没有新γ片层形核长大。形成的γ片层在高温停留的时间不断增长，片层的横向生长也就越充分，最后出现片层结构连续粗化现象。Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样在1280℃保温40min后空冷至室温，呈现为近片层组织，在片层团的边界处会有少量γ片层等轴化得到的γ等轴晶，尺寸为3～5μm。其析出机制主要是片层团边界处不连续粗化胞的等轴化，片层团为80～130μm。

请参见图8，图8为Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样过冷至冷却至700℃时的扫描电镜背散射照片，从图中可以看出，Ti-48Al-4Nb-2Cr合金试样已经形成了很明显的片层结构，近片层细晶组织。

本包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法的原理为：

首先，将包晶凝固铸态TiAl合金样品进行快速加热(加热速率为50～100℃/s)，这是为了尽量减小消耗合金原始组织中的储存能，这些储存能可以对后续相变形核提供驱动力。加热温度设定在α单相区靠下位置(1360～1420℃)，且保温时间较短(2～10min)，这一方面是为了避免α相粗化长大，另一方面是为了消除原有γ相，获得单一α相组织。

然后，对α相单相进行快速过冷处理(冷却速率为80～100℃/s)，冷却至α+γ两相区下部分(1120～1280℃)，这由于TiAl合金在大的过冷度下，其γ片层相形核率增加，产生片层细化效果。通过等温过程(10～50min)，细小的γ相晶粒在大过冷提供的驱动力下形成，进一步产生细化效果。

进一步，进行适中冷速(10～20℃/min)的控温冷却，一方面，过慢冷却会造成组织出现粗化，包括片层结构的粗化和晶粒的粗化；另一方面，过快冷却会使TiAl合金在通过韧脆转变区温度范围(700～900℃)时产生积累较高应力，对合金塑形不利。因此，为了兼顾细化和低应力的目的，采用适中冷速。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，其特征在于，所述包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法包括以下步骤：

步骤一：原材料及装置准备：加工出圆柱状的TiAl合金样品，并对样品进行打磨、超声波清洗、晾干，将TiAl合金样品放在感应加热线圈内，调整在感应加热线圈内的高度，样品上下端不能超过感应加热线圈高度范围，实验过程中保证TiAl合金样品处于真空或Ar气环境中；

步骤二，加热并保温：开启加热电源，通过感应加热线圈，将TiAl合金控温加热至α单相区，加热速率为50～100℃/s，加热至1360～1420℃，此温度区间为α单相区温度范围靠下位置，然后进行2～10min保温；

步骤三，过冷α相低温等温处理：将处于高温α单相区保温的TiAl合金样品进行控温过冷的等温处理，控温冷却速率为80～100℃/s，冷却至低温1120～1280℃，此温度范围是α+γ两相区下部分，然后进行等温处理，等温时间为10～50min；

步骤四，进一步控温冷却：将处于α+γ两相区等温处理后的TiAl合金样品进行进一步的冷却，控温冷却速率为10～20℃/min，冷却至700℃时关闭加热电源，结束制备过程；

经过上述所述包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法调控后的所述TiAl合金样品，获得了细化的α₂/γ片层团和细小弥散的γ相晶粒组成的近片层组织，α₂/γ片层团和γ相晶粒尺寸分别为80～130μm和3～5μm。

2.根据权利要求1所述的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，其特征在于，所述步骤一中的装置包括石英管以及竖直设置的感应加热线圈，所述石英管的底部设置有螺纹连接的可旋转升高降低的底托，底托表面涂覆有Y₂O₃层，底托上放置TiAl合金样品，所述石英管的顶部以及底托的底部分别连接进气管和出气管，所述进气管连接Ar气源瓶，所述石英管外包裹耐火棉，插设于所述感应加热线圈内，并保证TiAl合金样品的上下端不超过所述感应加热线圈的高度范围，所述感应加热线圈与加热控制器连接；实验开始前，预先通过进气管向石英管内持续通入Ar气，至实验结束停止。

3.根据权利要求1所述的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，其特征在于，所述步骤一中的装置包括加热炉，其内中部设置有感应加热线圈，与加热控制器连接，陶瓷底座设置于感应加热线圈的中间位置，固定于加热炉的底壁上，陶瓷底座表面涂覆有Y₂O₃层，陶瓷底座上放置TiAl合金样品，加热炉的顶部设置有测温探头，与加热控制器连接，加热炉的侧壁上还设置有进出气口；实验开始前，先对加热炉进行抽真空至10^-3Pa，反冲氩气至500Pa，抽气/反冲过程反复进行4次。

4.根据权利要求2或3所述的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，其特征在于，所述感应加热线圈的长度为TiAl合金样品长度的至少2倍及以上，所述感应加热线圈的内径为TiAl合金样品直径的4-6倍。

5.根据权利要求4所述的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，其特征在于，所述感应加热线圈长80mm，内径为45mm，石英管长200mm，外径为30mm，样品直径和高度均为8-15mm。

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