CN116240476A - 一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变形TiAl合金的组织均匀化调控方法，属于航空航天及汽车制造领域用的铝钛合金。本发明主要针对变形TiAl合金的组织形态以及片层团、片层间尺寸进行调控。变形TiAl合金随热处理炉从室温加热至(α+γ)双相区中上部温区保温7～24h，随后快速转移至γ固溶温度以上0～50℃的高温炉中保温5～60min，再快速转移至共析转变温度附近另一高温炉保温0～60min，随后控温冷却得到微观组织分布均匀的TiAl合金。本发明通过多步热处理，可以获得微观组织分布均匀、尺寸细小的全片层或近全片层组织，片层团尺寸可控制在40～100μm。本方法流程短、工艺简单、可操作性强，无需淬火处理避免产生微裂纹，为变形TiAl合金组织的均匀化提供方法。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天及车辆等领域用TiAl合金，更具体地，特别涉及一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法。
背景技术
TiAl合金由于具有轻质高强、高温力学性能优良、抗氧化性能突出等优势，是未来航空航天实现轻量化的研究热点。TiAl合金密度是现役高温合金的一半，为4.1～4.3g/cm3，其在600-900℃的高温区间能够保持良好的高温性能。由此，该合金成为航空航天及车辆发动机增加推重比、提升燃油效率、实现轻量化的最佳迭代材料，目前有报道已在PW1100G-JM型号的航空发动机应用。
TiAl合金具有四种典型的微观组织，近γ组织(Near gamma,NG)、双态组织(Duplex,DP)、近片层组织(Nearly full lamellar,NL)以及全片层组织(Full lamellar,FL)。其中，全片层组织相较于其它组织具有更高的高温强度、抗蠕变性能和断裂韧性，是TiAl合金应用的理想组织。根据Hall-etch关系，晶粒的逐步减小对合金强度和塑性有提升作用，因此细小均匀的全片层组织是该类合金应用的最佳组织，所以众多研究者致力于对细小均匀全片层组织的研究。
“刘亮亮，刘冬，刘仁慈，崔玉友，杨锐.热处理对TiAl合金挤压方棒组织与拉伸性能的影响.稀有金属材料与工程,2017,46:95-98”研究了变形后热处理工艺对挤压Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.15B棒材微观组织的影响，发现在1150～1350℃温度区间热处理时，发生了近γ组织→双态组织→片层组织的转变。在共析点温度热处理时，挤压产生的残余片层组织会限制等轴γ相的长大，使得合金的微观组织保留变形时的形貌。因此，对挤压态TiAl合金的均匀化处理，应当以消除残余片层组织为目的，通过热处理工艺获得不同的微观组织形态，在此基础上进行合理优选。
“Bolz S,Oehring M,Lindemann J,et al.Microstructure and mechanicalproperties of a forgedβ-solidifyingγTiAl alloy in different heat treatmentconditions.Intermetallics,2015,58:71-83.”基于TNM合金进行热处理实验的尝试，提出了高温固溶-低温时效的两级热处理工艺得到了近片层组织，但其目的也是为了消除变形后的残余片层。
本发明通过分步式热处理，针对变形材料组织不均匀问题，设计了热处理制度，获取细小均匀的全片层组织，片层团尺寸可控制在100μm以内。本发明避免采用过大冷速(如淬火)的工艺，可为大尺寸变形TiAl合金的均匀化热处理提供合理的工艺。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足，提供用于改善变形TiAl合金微观组织杂乱且不均匀的问题，获取组织均匀的TiAl合金坯料，提高TiAl合金的综合性能，适应后续热/机械加工的一种TiAl合金变形后组织均匀化调控的三级热处理工艺。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括以下步骤：
步骤一、取热变形后的TiAl合金坯料作为TiAl合金热处理试样，保温介质为空气；
步骤二、将所述的热处理试样放入热处理炉中，随炉升温至(α+γ)双相区的中上部温区。保温一段时间后，迅速转移至另一热处理炉，转移时间尽量短。
步骤三、热处理炉温度设置为γ固溶温度以上保温一段时间后，迅速转移至另一热处理炉，转移时间尽量短；
步骤四、热处理炉温度设置为共析转变温度附近保温后用不同冷速冷却(炉冷/空冷/控冷)，可以获得组织均匀的全片层组织或近全片层组织，片层团尺寸可控制在100μm以内。
相较于原始微观组织，第一步热处理可以有效地消除原始变形组织中的残余片层以及扭曲的粗大层片，有效消除形变产生的内应力，利用再结晶等过程，一定程度球化变形γ晶粒，获得组织均匀的双态组织。第二步热处理，采用α单相区短时热处理，获取均匀的α晶粒，通过此步骤的时间来控制α晶粒的尺寸。第三步热处理，Teu温度附近保温，通过控制冷却过程中的α→γ相变过程，按照需求合理控制α2/γ片层组织的间距。
进一步的，在所述步骤一中，所述的TiAl合金变形坯料元素原子百分比为：Ti-(40～45)Al-X-Y，其中其中X元素是由β相稳定元素Cr、Mo、Nb、V、W的一种或者多种组成，Y元素是由C、B、Si、N、Re元素组成，所述X元素原子比总含量不超过10％，Y元素原子比总含量不超过1％，其余为杂质元素。
进一步的，在所述步骤一中，所述变形TiAl合金的变形量≥50％且组织破碎，微观组织由扭曲及残余α2/γ片层、等轴的γ晶粒和部分α2、βo晶粒组成。
进一步的，在所述步骤二中，所述的TiAl合金热处理试样放入热处理炉中，随炉升温至(α+γ)双相区的中上部温区，具体为γ固溶温度以下20～60℃(Tγsolve-(20～60℃))，保温时间为7～24h，到时后迅速转移至另一热处理炉，转移时间尽量短转炉时间控制在20s之内。
进一步的，在所述步骤三中，所述的TiAl合金热处理试样快速转移到炉温为γ固溶温度以上0～50℃(Tγsolve+(0～50℃))的热处理炉中，保温5～60min，到时后迅速转移，转移时间同上。
进一步的，在所述步骤四中，所述的TiAl合金热处理试样迅速转入炉温为共析转变温度附近0～50℃(Teu±(0～50℃))的热处理炉中，保温0～60min，不同冷速冷却(炉冷/空冷/控冷)，可以获得组织均匀的层片距离可控的全片层或者近全片层组织。
进一步的，步骤二至四中热处理炉为空气介质的普通热处理炉。
进一步的，所述的步骤二中，所述试样随炉升温，到达设定温度后开始计时。
进一步的，所述的步骤三、四中，将所述的热处理试样放入热处理炉的均温区，待热处理炉的温度回升至设定温度后开始计时。
本发明提出了一种变形TiAl合金材料的组织均匀化调控方法，该方法可以通过简单工艺达到对不同尺寸变形材料的组织均匀化调控的目的。
本发明的有益效果如下：本发明通过TiAl变形合金组织均匀化调控方法，可以获得组织均匀分布，片层团尺寸、片层间距可控的全片层或近全片层组织，α+γ双相区的中上部温区保温，均匀化合金组织、得到双态组织。进而采用α单相区短时热处理，控制处理时间从而控制片层团尺寸。再利用共析转变温度附近0～50℃(Teu±(0～50℃))保温及冷却的手段控制片层间距的大小，最终得到组织均匀的全片层组织或近全片层组织。全程热处理采用分步工艺，可以避免特别快速的冷却产生微裂纹。该方法工艺流程简便、周期短，为TiAl合金后续热/机械加工的顺利实施提供了理想的微观组织。同时，工艺所需设备简单、操作方便、成本低廉，可适用于大小尺寸变形坯料的组织均匀化。
附图说明
图1为挤压变形合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B的变形后的组织，微观组织主要由扭曲及残余α2/γ片层、等轴的γ晶粒和部分α2、βo晶粒组成。
图2为挤压变形合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B经过实施例1三步热处理中的第一步后得到的组织。
图3为挤压变形合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B经过实施例1三步热处理后得到的组织。
图4为挤压变形合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B经过实施例2中的三步热处理后得到的组织。
图5为挤压变形合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B经过实施例3中的三步热处理后得到的组织。
具体实施方案
下面结合实施例对本发明的技术方案进一步说明。
实施例1
本实施例以合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B为例，通过对合金进行形变、热处理。变形方式采用常规包套挤压，累计挤压比14，变形后的原始组织如图1所示，主要以混杂的组织组成，存在着残留粗化的片层、等轴的γ晶粒和α晶粒。该合金的共析转变温度Teu＝1134℃，γ固溶温度Tγsolve＝1280℃。
步骤一，采用电火花线切割获取方形15*15mm的块状样品，进行热处理，高温炉型号为SX-G12163，低温炉型号为ZK-9XY-14TP；
步骤二，将所述的热处理试样放入炉中，随着炉升温至1240℃，保温24h后，得到的均匀的组织如图2所示。
步骤三：样品转运至1290℃高温炉，转运耗时约15s；
步骤四，1290℃的高温炉中，保温5min后，
步骤五，样品转运至1050℃高温炉中，转运耗时约15s。
步骤六，1100℃的高温炉中保温5min后，空冷。得到如图3所示的片层均匀的近全片层组织，片层团平均尺寸为60μm。
实施例2
本实施例以合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B为例，通过对合金进行形变、热处理。变形方式采用常规包套挤压，累计挤压比14，变形后的原始组织如图1所示，主要以混杂的组织组成，存在着残留粗化以及扭折的片层、等轴的γ晶粒和βo晶粒。该合金的共析转变温度Teu＝1134℃，γ相固溶温度Tγsolv＝1280℃。
步骤一，采用电火花线切割获取方形15*15mm的块状样品，进行热处理，高温炉型号为SX-G12163，低温炉型号为ZK-9XY-14TP；
步骤二，将所述的热处理试样放入炉中，随着炉升温至1235℃，保温17h后，迅速转炉，转炉时间为15s。
步骤三：样品转运至1295℃高温炉，转运耗时约15s；
步骤四，1295℃的高温炉中，保温35min后，
步骤五，样品转运至1100℃高温炉中，转运耗时约15s。
步骤六，1100℃的高温炉中保温5min后，空冷。得到如图5所示的片层均匀的全片层组织，片层团平均尺寸为100μm，片层间距较小。
实施例3
本实施例以合金Ti44.5Al4Nb0.5Mo0.1B为例，通过对合金进行形变、热处理。变形方式采用常规包套挤压，累计挤压比14，变形后的原始组织如图1所示，主要以混杂的组织组成，存在着残留粗化以及扭折的片层、等轴的γ晶粒和βo晶粒。该合金的共析转变温度Teu＝1134℃，γ固溶温度Tγsolv＝1280℃。
步骤一，采用电火花线切割获取方形15*15mm的块状样品，进行热处理，高温炉型号为SX-G12163，低温炉型号为ZK-9XY-14TP。
步骤二，将所述的热处理试样放入炉中，随着炉升温至1235℃，保温15h后，迅速转炉，转炉时间为15s。
步骤三：样品转运至1285℃高温炉，转运耗时约15s；
步骤四，1295℃的高温炉中，保温20min后，
步骤五，样品转运至1150℃高温炉中，转运耗时约15s。
步骤六，1150℃的高温炉中保温5min后，炉冷。得到如图5所示的片层均匀的全片层组织，片层团平均尺寸100μm，片层间距较大。
Claims (10)
1.一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、热塑性变形后的TiAl合金坯料作为TiAl合金热处理试样，所述TiAl合金热处理试样截面形状不限；
步骤二、将所述的TiAl合金热处理试样放入箱式热处理炉中，升温至α+γ双相区中上部温区；
步骤三、将步骤二得的TiAl合金热处理试样迅速转入热处理炉中保温；
步骤四、将步骤三得的TiAl合金热处理试样迅速转入热处理炉中保温，通过不同冷速冷却，获得片层间距可控的组织均匀的全片层或近全片层组织。
2.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，所述TiAl合金成分的元素原子百分比为：Ti-(40～45)Al-X-Y，其中X元素是由β相稳定元素Cr、Mo、Nb、V、W的一种或者多种组成，Y元素是由C、B、Si、N、Re元素组成，所述X元素原子比总含量不超过10％，Y元素原子比总含量不超过1％，其余为杂质元素。
3.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，所述变形材料的热塑性变形量≥50％且组织破碎；微观组织是由扭曲及残余α2/γ片层、等轴γ晶粒和部分α2、βo晶粒组成。
4.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，在所述步骤二中，TiAl合金热处理时炉温处在α+γ双相区的中上部温区即γ固溶温度以下20～60℃(Tγsolve-(20～60℃))，温度设定需要参照平衡相图或者淬火试验结果，保温时间为7～24h，迅速转炉，转移时间0～20s。
5.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，在所述步骤三中，TiAl合金热处理时炉温为γ固溶温度以上0～50℃(Tγsolve+(0～50℃))，保温时间为5～60min，迅速转炉，转移时间0～20s。
6.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，在所述步骤四中，TiAl合金热处理时炉温处在共析转变温度附近0～50℃(Teu±(0～50℃))，保温时间为0～60min，冷却方式可依据需求调节，片层团尺寸可控制在100μm以内。
7.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，步骤二至四中热处理炉为空气介质的普通热处理炉。
8.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，所述的步骤二中，所述试样随炉升温，到达设定温度后开始计时。
9.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，所述的步骤三、四中，将所述的热处理试样放入热处理炉的均温区，待热处理炉的温度回升至设定温度后开始计时。
10.如权利要求1所述一种变形TiAl合金组织均匀化调控方法，其特征在于，所述的步骤四中，冷却方式可以根据最终的组织需求选择炉冷、空冷或控温冷却。
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