CN114921735A - 改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种改善铸造用高Nb‑TiAl合金力学性能的热调控方法，该方法包括以下步骤：(1)制备新型合金铸锭；(2)确定α相变温度；(3)热等静压处理；(4)时效热处理。本发明的热调控方法良好地控制了铸造用颗粒增强高Nb‑TiAl合金基体组织演变过程，促进细小碳化物在基体组织均匀弥散析出，有效改善铸造用颗粒增强高Nb‑TiAl合金室温力学性能。经本发明处理后该合金的抗拉强度为471.6MPa～700.1MPa，断后延伸率为0～0.51％，可满足高Nb‑TiAl合金的航空航天应用指标，具有推广价值。

Description

改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法
技术领域
本发明是一种改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，属于金属热处理技术领域。
背景技术
TiAl合金具有较高的比强度、高温强度、抗氧化性能及高温蠕变抗力，是新一代航空航天飞行器用最具潜力的轻质高强高温结构材料。在TiAl合金中添加Nb元素，可以大幅提高TiAl合金的抗氧化性和有序化温度，使其服役温度从650℃提高至850℃，但目前我国航空航天、车辆国防及兵器装备领域飞机发动机热端部件、火箭发动机壳体、超音速飞行器、导弹部件、高速列车等900～1000℃使用的轻质合金材料仍属于空白，急需进一步提高高Nb-TiAl合金的承温能力。
研究表明，C元素的加入能够提升高Nb-TiAl合金的使用温度，其作用在于细化高Nb-TiAl合金片层团尺寸及(α2+γ)片层间距、促使粗大柱状晶转化为细小等轴晶、并且使凝固组织中β偏析及Al元素偏析得到有效改善；更重要的是，C元素的加入使得合金在凝固过程中形成多种不同类型的碳化物，如TiC、Ti2AlC、Ti3AlC等，从而使高Nb-TiAl合金高温强度、韧性及蠕变抗力得到提升。
C元素在高Nb-TiAl合金中存在固溶极限，其固溶度受温度、Al含量及合金元素等因素影响。通过采用合适的热调控工艺，能够控制高Nb-TiAl合金过饱和基体析出尺寸细小且弥散分布的碳化物颗粒，从而为合金带来第二相强化，进一步提升高Nb-TiAl合金高温性能。
添加了C、Si等元素的多组元合金化铸造用高Nb-TiAl合金是填补先进装备900～1000℃使用的轻质合金空白、实现高Nb-TiAl合金复杂构件铸造成形应用的重要发展方向，而均匀弥散析出的碳化物是进一步提高合金高温强度和蠕变抗力的关键因素，但目前针对铸造新型合金的热调控工艺流程还不够完善、方法还不够科学。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其目的是根据高Nb-TiAl合金内部C元素的添加量，制定合适的热调控工艺控制碳化物析出的形态、尺寸、位置及分布，提高高Nb-TiAl合金力学性能，使其具有实际应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法的步骤为：
步骤一、制备高Nb-TiAl合金铸锭：
将海绵钛、高纯铝、纯硅粉、碳化钛粉、铝铌中间合金原料按配比称取后混合均匀，在压力机上压制成电极块，将电极块放入真空自耗电极熔炼炉中进行熔炼，并浇注到水冷铜坩埚中，随炉冷却得到一次合金铸锭，将一次合金铸锭置于水冷铜坩埚真空感应熔炼内进行第二次熔炼，并浇注到陶瓷型壳模具中，经吹砂清壳后得到高Nb-TiAl合金铸锭；
步骤二、确定α相变温度：
在高Nb-TiAl合金铸锭上切取体积为1cm3的试样，根据相图初步确定α相变温度测试的起始温度和最高温度区间，然后自起始温度开始每间隔5℃使用一个试样进行α相变温度测试，测试过程中保温30min，然后放入25℃水中淬火，直至测试到最高温度，而后对每个试样金相组织进行观察，最终确定高Nb-TiAl合金铸锭α相变温度；
步骤三、热等静压处理：
将步骤一得到的高Nb-TiAl合金铸锭放入热等静压炉中，充入氩气，在步骤二测定的α相变温度以下10℃～30℃和140MPa～180MPa的压力下保温保压2h～6h，得到热等静压高Nb-TiAl合金；
步骤四、时效热处理：
将步骤三得到的热等静压高Nb-TiAl合金置于真空管式热处理炉中，充入氩气，以10℃/min～20℃/min的升温速率由室温加热至750℃～950℃，然后在750℃～950℃的温度条件下保温12h～48h，而后随炉冷却至室温，得到碳化物均匀弥散分布的高Nb-TiAl合金。
在实施时，步骤一中配比的高Nb-TiAl合金的化学成分及摩尔百分含量为：Al 43～48at.％，Nb 6～8at.％，C 0.1～0.5at.％，Si 0.1～0.9at.％，余量为Ti及不可避免的杂质。
在实施时，步骤二中测试得到的高Nb-TiAl合金铸锭α相变温度为1240℃～1320℃。
在实施时，步骤一中得到的高Nb-TiAl合金铸锭组织、步骤三中得到的热等静压高Nb-TiAl合金组织、步骤四中得到的高Nb-TiAl合金组织均为全片层组织。
本发明技术方案的特点及有益效果为：
本发明通过确定颗粒增强高Nb-TiAl合金α相变温度，制定α相变温度以下高温热处理制度，并合理控制保温时间，使得碳在高Nb-TiAl合金基体大量固溶的同时铸造基体显微组织不发生明显粗化。此外，本发明通过一步高温热等静压处理同时实现铸造颗粒增强高Nb-TiAl合金缺陷热等静压、成分偏析消除、碳的固溶等多重处理效果，而后通过低温长时时效控制细小碳化物均匀、弥散析出，从而强化基体组织，改善其力学性能。
目前，颗粒增强高Nb-TiAl合金内部弥散强化第二相的析出主要通过热变形的方法，本发明技术方案提出了一种促进细小碳化物在铸态高Nb-TiAl合金基体组织均匀弥散析出的热调控方法，并良好地控制了铸态高Nb-TiAl合金基体组织状态，有效改善铸造用颗粒增强高Nb-TiAl合金室温力学性能，为900～1000℃使用高Nb-TiAl合金复杂构件铸造成形应用奠定了技术基础。经本发明处理后该新型合金的抗拉强度为471.6MPa～700.1MPa，断后延伸率为0～0.51％，可满足高Nb-TiAl合金的航空航天应用指标，具有推广价值。
附图说明
图1为未经本发明方法处理的铸造用高Nb-TiAl合金铸造组织金相图
图2为经本发明方法处理的铸造用高Nb-TiAl合金铸造组织金相图，图中箭头所指为高Nb-TiAl合金内部弥散分布的碳化物相
图3为经本发明方法处理的铸造用高Nb-TiAl合金室温拉伸应力-应变曲线
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
采用本发明所述改善铸造用颗粒增强的高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法中，其步骤从制备合金铸锭开始，具体步骤为：
步骤一、制备高Nb-TiAl合金铸锭：
将海绵钛、高纯铝、纯硅粉、碳化钛粉、铝铌中间合金按配比称取，原料中配比的高Nb-TiAl合金的化学成分及摩尔百分含量为：Al 43～48at.％，Nb 6～8at.％，C 0.1～0.5at.％，Si 0.1～0.9at.％，余量为Ti；将称得原料混合均匀后在压力机上压制成电极块，将电极块放入真空自耗电极熔炼炉中进行熔炼，其熔炼工艺参数为：真空度2Pa，熔炼电流30KA，熔炼电压40V，在恒定功率下熔炼200s，并浇注到水冷铜坩埚中，随炉冷却得到一次合金铸锭；将一次合金铸锭置于水冷铜坩埚真空感应熔炼内进行第二次熔炼，熔炼功率升至500kw后熔炼150s，并浇注到陶瓷型壳模具中，经吹砂清壳后得到高Nb-TiAl合金铸锭；
步骤二、确定α相变温度：
在高Nb-TiAl合金铸锭上切取体积为1cm3的试样，根据相图初步确定α相变温度测试的起始温度和最高温度区间，然后自起始温度开始每间隔5℃使用一个试样进行α相变温度测试，测试过程中保温30min，然后放入25℃水中淬火，直至测试到最高温度，而后对每个试样金相组织进行观察，最终确定高Nb-TiAl合金铸锭α相变温度；本实施例中测试得到的高Nb-TiAl合金铸锭α相变温度为1240℃～1320℃；
步骤三、热等静压处理：
将步骤一得到的高Nb-TiAl合金铸锭放入热等静压炉中，充入氩气，在步骤二测定的α相变温度以下10℃～30℃和140MPa～180MPa的压力下保温保压2h～6h，得到热等静压高Nb-TiAl合金；
步骤四、时效热处理：
将步骤三得到的热等静压高Nb-TiAl合金置于真空管式热处理炉中，充入氩气，以10℃/min～20℃/min的升温速率由室温加热至750℃～950℃，然后在750℃～950℃的温度条件下保温12h～48h，而后随炉冷却至室温，得到碳化物均匀弥散分布的高Nb-TiAl合金。
上述步骤一中得到的高Nb-TiAl合金铸锭组织、步骤三中得到的热等静压高Nb-TiAl合金组织、步骤四中得到的高Nb-TiAl合金组织均为全片层组织。
通过比较图1和图2可以看出，热处理后的铸造用高Nb-TiAl合金为全片层组织，且析出碳化物如图二所示均匀弥散分布。
本实施例中添加了C、Si元素的多组元合金化铸造用高Nb-TiAl合金具有良好的铸造性能及优异的高温强度、蠕变抗力及抗氧化性能，使用温度达到900℃以上。通过本发明方法能够更好地控制该高Nb-TiAl合金铸造组织，提高其强度、韧性及蠕变抗力。对经本发明所述热调控方法处理后的铸造用高Nb-TiAl合金进行力学性能测试，其结果通过附图3可以看出，拉伸速率为1×10-4S-1～5×10-4S-1，得到的抗拉强度为471.6MPa～700.1MPa，断后延伸率为0～0.51％。

Claims (8)

1.一种改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：该热调控方法的步骤为：
步骤一、制备高Nb-TiAl合金铸锭：
将海绵钛、高纯铝、纯硅粉、碳化钛粉、铝铌中间合金、铝钛硼中间合金原料按配比称取后混合均匀，在压力机上压制成电极块，将电极块放入真空自耗电极熔炼炉中进行熔炼，并浇注到水冷铜坩埚中，随炉冷却得到一次合金铸锭，将一次合金铸锭置于水冷铜坩埚真空感应熔炼内进行第二次熔炼，并浇注到陶瓷型壳模具中，经吹砂清壳后得到高Nb-TiAl合金铸锭；
步骤二、确定α相变温度：
在高Nb-TiAl合金铸锭上切取体积为1cm3的试样，根据相图初步确定α相变温度测试的起始温度和最高温度区间，然后自起始温度开始每间隔5℃使用一个试样进行α相变温度测试，测试过程中保温30min，然后放入25℃水中淬火，直至测试到最高温度，而后对每个试样金相组织进行观察，最终确定高Nb-TiAl合金铸锭α相变温度；
步骤三、热等静压处理：
将步骤一得到的高Nb-TiAl合金铸锭放入热等静压炉中，充入氩气，在步骤二测定的α相变温度以下10℃～30℃和140MPa～180MPa的压力下保温保压2h～6h，得到热等静压高Nb-TiAl合金；
步骤四、时效热处理：
将步骤三得到的热等静压高Nb-TiAl合金置于真空管式热处理炉中，充入氩气，以10℃/min～20℃/min的升温速率由室温加热至750℃～950℃，然后在750℃～950℃的温度条件下保温12h～48h，而后随炉冷却至室温，得到碳化物均匀弥散分布的高Nb-TiAl合金。
2.根据权利要求1所述的改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：步骤一中配比的高Nb-TiAl合金的化学成分及摩尔百分含量为：Al 43～48at.％，Nb 6～8at.％，C 0.1～0.5at.％，Si 0.1～0.9at.％，余量为Ti及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：步骤一中得到的高Nb-TiAl合金铸锭组织为全片层组织。
4.根据权利要求1所述的改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：步骤二中测试得到的高Nb-TiAl合金铸锭α相变温度为1240℃～1320℃。
5.根据权利要求1所述的改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：步骤三中得到的热等静压高Nb-TiAl合金组织为全片层组织。
6.根据权利要求1所述的改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：步骤四中得到的高Nb-TiAl合金组织为全片层组织。
7.根据权利要求1所述的改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：步骤一中得到的高Nb-TiAl合金铸锭组织、步骤三中得到的热等静压高Nb-TiAl合金组织、步骤四中得到的高Nb-TiAl合金组织均为全片层组织。
8.根据权利要求1所述的改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法，其特征在于：步骤四中得到的高Nb-TiAl合金抗拉强度为471.6MPa～700.1MPa，断后延伸率为0～0.51％。
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