CN116065110A - 一种Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，属于材料热处理领域。Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的直径尺寸一般不低于500mm，采用该工艺能够实现Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的整体热处理，将机匣类零件放入热处理炉中，使零件随炉升温至温度T1并保温一段时间，停止加热，冷却至室温出炉；再进行T2温度的热处理，使组织更加均匀，性能更加稳定。本发明可以提高Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的力学性能，使组织更均匀。
Description
技术领域
本发明涉及材料热处理技术领域，具体涉及一种Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺。
背景技术
Ti2AlNb合金具有良好的高温(650℃～750℃)力学性能，密度较低，有望替代高温合金实现部分结构件的减重，因此瞄准实际应用、解决成形工程难题一直是Ti2AlNb合金的研究重点。以Ti2AlNb为名义原子占比的O相被发现和标定后，国内外学者开展了关于O相的形成机理研究，O相可以通过B2(β)或α2以多种相变方式形成，目前基本掌握了相变的温度范围。Ti2AlNb合金的典型组织主要包括等轴、片层和多态组织等。
近些年来，采用粉末冶金热等静压技术、粉末热等静压制坯+环轧技术成功制备了Ti2AlNb机匣类的复杂零件，部分Ti2AlNb机匣类复杂零件在我国的航空发动机中获得了初步考核，未来的应用前景广阔。
以简单试验件为对象，采用锻造加工、粉末热等静压等工艺制备出Ti2AlNb样品，国内外学者开展了热处理和组织性能表征试验，可以获得良好的Ti2AlNb性能匹配。但随着航空发动机机匣类零件的尺寸增加、结构更加复杂，组织性能调控的难度急剧增加。
Ti2AlNb机匣类复杂零件的整件热处理一直是面向工程应用的关键技术难点，保温温度、时间、冷却方式等均会影响零件整体性能。为了满足先进航空发动机对Ti2AlNb机匣类零件的应用需求，通过开展Ti2AlNb机匣零件的热处理调控研究(外形尺寸≥900mm)，进行本体的组织和性能表征，发明了适合于此类机匣类零件的组织性能调控技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，该工艺可以直接通过热处理获得整件的性能提升和均匀的组织。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的热处理工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)准备Ti2AlNb航空发动机机匣类零件，对零件进行表面处理，不允许有杂质、油污、铁锈残留；
(2)环轧处理：处理温度950-1150℃，变形量为30-60％；
(3)T1高温热处理：将步骤(2)处理后的零件放入真空热处理炉中，采用随炉升温的方式达到预定温度T1，保温一段时间，随炉冷却，取出；
(4)T2低温热处理：经步骤(3)热处理后，检查零件表面后，重新装入真空热处理炉加热，升温至T2并保温一段时间，使得材料组织均匀，停止加热后冷却，取出；
(5)观察Ti2AlNb机匣类零件的表面，需光洁无污染，无明显变形。
本发明中机匣类零件是以Ti2AlNb预合金粉末为原料采用热等静压成型或粉末冶金工艺制备而成；所述Ti2AlNb预合金粉末采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法或等离子旋转电极雾化法制备。
上述步骤(1)中，零件的表面处理包括但不限于机械加工、化学清洗、喷砂、磨粒流、酒精擦拭。
上述步骤(3)中，所述预定温度T1的取值范围为960～1020℃，保温时间2～4h。
上述步骤(4)中，所述预定温度T2的取值范围为760～830℃，保温时间12～24h。
上述步骤(3)-(4)中，热处理过程的真空度为1.0×10-2Pa以上。
上述步骤(3)-(4)中，机匣类零件的出炉温度应低于100℃，优选随炉冷却至室温后出炉。
本发明工艺适用于Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控，可以完成整件的热处理，提高合金性能和组织均匀性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明工艺首先对机匣零件进行环轧处理，然后进行两步热处理，第一步是温度T1范围是960～1020℃之间，保温时间2～4h。第二步T2范围在760～830℃，保温时间12～24h，使材料继续致密化且保证材料组织均匀。保温过程完成后，零件随炉保压冷却至室温，可以保证零件整体的性能更优。
2、本发明工艺可以在传统的真空热处理炉内实现，该工艺适用范围为Ti-Al系合金(Ti2AlNb、Ti3Al及TiAl)的整件热处理。
3、本发明简单实用，可提高机匣零件的整体性能。
附图说明
图1为机匣和本体试样环；其中：(a)机匣；(b)本体试样环。
图2为对比例1热处理制度曲线制度1，可以获得更高的强度。
图3为对比例2和实施例1中热处理制度曲线制度2。
图4为实施例1中Ti2AlNb机匣在热处理前后的组织照片；其中：(a)热处理前；(b)热处理后。
具体实施方式
本发明可提高Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的整体性能和组织均匀性，具体如下：
1.采用粉末热等静压或粉末冶金制坯+环轧技术制备出Ti2AlNb航空发动机机匣类零件毛坯；其中环轧处理的处理温度950-1150℃，变形量为30-60％。
采用粗加工或化学洗方法去除飞边、毛刺、模具残留等，采用酒精对零件表面进行清洗和擦拭，保证所有外表面和内部流道光洁，图1是Ti2AlNb机匣和本体试样环的照片，力学性能见表1所示。
2.将步骤1所得Ti2AlNb航空发动机机匣类零件装入真空热处理炉中，装炉需保证零件摆放平整，不存在可能失稳的区域，真空热处理的真空表、热电偶表均在检定有效期内。加热前，先预抽真空，真空度达到1.0×10-2Pa以上后开始升温，升温速度不高于10℃/min，到达设定温度T1后开始保温，保温时间2～4h，保温时间到，开始随炉降温，冷却至室温。
3.第二步完成后，可以选择出炉后重新装炉，也可以继续加热，真空度为1.0×10- 2Pa以后开始升温，升温速度不高于10℃/min，到达设定温度T2后开始保温，保温时间12～24h，保温时间到，开始随炉降温，冷却至室温。
下面结合附图、对比例及实施例对本发明进一步详细说明。
表1 Ti2AlNb机匣的力学性能
对比例1：
本例采用图2中热处理制度1对粉末热等静压成型的机匣进行热处理，热处理条件：1020℃/3小时+800℃/12小时。
对比例2：
与对比例1不同之处在于，本例采用图3所示的热处理制度2对粉末热等静压成型的机匣进行热处理，具体为：980℃/2小时+830℃/24小时。
表2给出了对比例1-2采用两种热处理制度对Ti2AlNb机匣的性能影响结果，可以看到，热处理均改善了机匣的室温性能，制度1处理后的高温强度更高，制度2处理后的高温塑性更佳。可以根据零件的不同需求，调整热处理工艺。
表2.热处理制度1和2对Ti2AlNb机匣的力学性能
实施例1
在研制某Ti2AlNb燃烧室机匣的研制中，对粉末热等静压成型的Ti2AlNb机匣坯料进行1000℃、30％变形量环轧后，α2相的尺寸明显增大，以尺寸更大的块体存在，产生粗化和球化；细小晶粒形貌逐渐消失，晶界特征不明显。采用图3中热处理制度2的热处理工艺后，热处理的作用促进了α2相分解成O相，微小晶粒的形貌被保留，晶界位置由O相占据。组织更加均匀，变化情况见图4所示。热处理后的材料性能优于未做热处理的性能。
表3.热处理制度2的力学性能
实施例结果表明，本发明工艺可以提高粉末Ti2AlNb合金机匣类零件的性能和组织均匀性，根据热处理制度范围内的筛选，可以调整强度和塑性的合理变化，实施例的结果也完全印证了这些。零件的尺寸越小，热处理过程越容易实现均匀，因而，本发明工艺可以直接应用于Ti2AlNb机匣类零件的组织性能调控。
Claims (7)
1.一种Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：
(1)准备Ti2AlNb航空发动机机匣类零件，对零件进行表面处理，不允许有杂质、油污、铁锈残留；
(2)环轧处理：处理温度950-1150℃，变形量为30-60％；
(3)T1高温热处理：将步骤(2)处理后的零件放入真空热处理炉中，采用随炉升温的方式达到预定温度T1，保温一段时间，随炉冷却；
(4)T2低温热处理：经步骤(3)热处理后，检查零件表面后，重新装入真空热处理炉加热，升温至T2并保温一段时间，使得材料组织均匀，停止加热后冷却，取出；
(5)观察Ti2AlNb机匣类零件的表面，表面需光洁无污染，无明显变形。
2.根据权利要求1所述的Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，其特征在于：步骤(1)中，零件的表面处理为机械加工、化学清洗、喷砂、磨粒流和酒精擦拭中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述预定温度T1的取值范围为960～1020℃，保温时间2～4h。
4.根据权利要求1所述的Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，其特征在于：步骤(4)中，所述预定温度T2的取值范围为760～830℃，保温时间12～24h。
5.根据权利要求3或4所述的Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，其特征在于：步骤(3)-(4)中，热处理过程的真空度为1.0×10-2Pa以上。
6.根据权利要求3或4所述的Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，其特征在于：步骤(3)-(4)中，机匣类零件的出炉温度应低于100℃。
7.根据权利要求1所述的Ti2AlNb航空发动机机匣类零件的组织性能调控工艺，其特征在于：该工艺适用于Ti2AlNb航空发动机机匣类零件(直径D≥500mm)，该工艺可以提高Ti2AlNb机匣零件本体的力学性能，改善组织均匀性。
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