TWI807483B - 鈦鋁介金屬的熱處理方法及其熱處理設備 - Google Patents

Abstract

一種鈦鋁介金屬的熱處理方法包括下列步驟：提供一鈦鋁介金屬鑄材；以及將該鈦鋁介金屬鑄材進行第一階段熱處理，加熱至該鈦鋁介金屬鑄材的金相組織轉變為α+γ相，經冷卻至室溫後形成一過渡鑄材；以及將該過渡鑄材進行第二階段熱處理，加熱至該過渡鑄材的金相組織轉變為α單相，經冷卻至室溫後形成一鈦鋁介金屬。

Description

鈦鋁介金屬的熱處理方法及其熱處理設備

本發明是有關於一種鈦鋁介金屬的熱處理方法，且特別是有關於一種具有第一及第二階段熱處理之鈦鋁介金屬的熱處理方法，其鈦鋁介金屬的全層狀組織具有比鈦鋁介金屬鑄材更小的晶粒。

全球汽車產量仍在持續增長，由於降低油耗和改善城市空氣品質的要求，對低能耗高性能發動機需求量也在日益增大，渦輪增壓器能顯著提高發動機功率、改善排放、降低油耗，因而採用帶渦輪增壓器的小型發動機來替代自然吸氣的發動機是現代汽車工業的一個基本趨勢，由於渦輪葉片承受的是發動機高溫高壓的廢氣，乘用車柴油機排放廢氣溫度最高大約為850℃，而汽油機則可達1050℃，增壓器葉輪和渦輪尺寸不大，一般直徑不超過100mm，但轉速很高，最高達250000r/min，在惡劣的工作環境下連續高速工作，所以對材料和性能的要求非常高，因此開發一種高性能汽車發動機的轉子及葉片材料非常有必要。

相較其他介金屬化合物而言，鈦鋁(TiAl)介金屬的綜合性能良好，其具有低密度、高熔點、高的抗氧化性以及優良的高溫強度及剛度等性質， 同時鈦鋁介金屬彈性模量遠高於其它結構材料，作為結構工件使用可以明顯提高高頻振動的承受；與Ni基合金相比，鈦鋁介金屬又有較高的高溫抗蠕變性及良好的阻燃性能。

然而，鈦鋁介金屬具有低斷裂韌性、塑性較低和抗高溫氧化性能差是限制其使用的主要瓶頸。當前的鈦鋁介金屬使用溫度在680~750℃，當使用溫度超過750℃時，抗氧化性明顯下降。高溫使用受到差的高溫抗氧化能力限制。一方面，氧化產物的生成降低了零件的承載截面積並最終限制在使用溫度下能夠保持完整性的時間。另一方面，在高溫熱暴露過程中高濃度的氧溶入合金表面形成破碎的富氧層，大大降低合金的塑性。

大陸專利(公開號CN100445415C)公開一種細化TiAl基合金片層間距的熱處理製程，該熱處理製程包括預處理和循環時效處理兩部分，其特徵在於所述的循環時效處理是在α+γ雙相區進行的，具體製程步驟為：第一步：將經預處理後的TiAl基合金加熱至α+γ雙相區的第一溫度區1200±20℃，保溫2~5min；第二步：以加熱速度vh將經第一步驟處理後的TiAl基合金加熱至第二溫度區1300±20℃，保溫15~30min；所述加熱速度vh=1.0×10^-3~2.0×10^-1℃/s；第三步：以冷卻速度vc將經第二步驟處理後的TiAl基合金降溫至第一溫度區1200±20℃，並保溫2~5min；所述冷卻速度vc=1.0×10^-3~9.0×10^-1℃/s；第四步：重複第二步驟和第三步驟2~6次，然後隨爐冷卻至室溫、取出，得到片層間距細化的TiAl基合金。上述專利文獻之細化TiAl基合金片層間距的熱處理製程適用於Al含量45at%~51at%的TiAl基合金的片層間距細化、或者Al含量42at%~46at%、鈮含量5at%~10at%的高鈮TiAl基合金的片層間距細化。本專利文獻的熱處理製程針對經過澆鑄或凝殼成型的全片層TiAl基合金鑄錠，首先進行均勻化 和熱等靜壓處理，然後在α+γ雙相區進行循環時效處理，通過控制加熱速度、冷卻速度、保溫溫度、保溫時間等相應參數，可有效控制並細化TiAl基合金組織的片層間距，同時保持TiAl基合金的宏觀片層形態。然而，上述專利文獻所提及之細化TiAl基合金片層間距的熱處理製程過於複雜。

因此，便有需要提供一種鈦鋁介金屬的熱處理方法能夠解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種具有第一及第二階段熱處理之鈦鋁介金屬的熱處理方法，其鈦鋁介金屬的全層狀組織具有比鈦鋁介金屬鑄材更小的晶粒。

依據上述之目的，本發明提供一種鈦鋁介金屬的熱處理方法，包括下列步驟：提供一鈦鋁介金屬鑄材；以及將該鈦鋁介金屬鑄材進行第一階段熱處理，加熱至該鈦鋁介金屬鑄材的金相組織轉變為α+γ相，經冷卻至室溫後形成一過渡鑄材；以及將該過渡鑄材進行第二階段熱處理，加熱至該過渡鑄材的金相組織轉變為α單相，經冷卻至室溫後形成一鈦鋁介金屬。

本發明更提供一種鈦鋁介金屬的熱處理設備，用以所述之鈦鋁介金屬的熱處理方法，包括：一熱處理料管；一第一爐，可移動的設置於該熱處理料管的一側；以及，一第二爐，可移動的設置於該熱處理料管的另一側；其中，該熱處理料管可選擇性的伸入該第一爐或該第二爐。

本發明之鈦鋁介金屬的全層狀組織(晶粒尺寸

250μm)具有比鈦鋁介金屬鑄材(晶粒尺寸為1~3mm)更小的晶粒，進而擁有較高之強度，並兼具不錯的高溫抗潛變與低溫延展性。

10:鈦鋁介金屬鑄材

10’:鈦鋁介金屬

2:熱處理設備

21:第一爐

22:第二爐

23:熱處理料管

24:軌道

S1~S2:步驟

圖1為本發明之一實施例之鈦鋁介金屬的熱處理方法之流程圖。

圖2為本發明之一實施例之鈦鋁介金屬鑄材之切片的剖面示意圖。

圖3為本發明之一實施例之鈦鋁介金屬的熱處理設備的立體示意圖。

圖4為本發明之一實施例之鈦鋁介金屬之金相組織的示意圖。

圖5為本發明之鈦鋁介金屬之全層狀組織晶粒尺寸與鈦鋁介金屬鑄材晶粒尺寸的比較示意圖。

圖6為Ti-Al二元相圖。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

圖1為本發明之一實施例之鈦鋁介金屬的熱處理方法之流程圖。該鈦鋁介金屬的熱處理方法主要包括下列步驟：鈦鋁介金屬鑄材之提供步驟S1；以及，兩階段式熱處理步驟S2。該鈦鋁介金屬鑄材之提供步驟S1可包括熔煉步驟：將鈦鋁介金屬之多個熔煉原料放置在一感應熔煉設備內，將該些熔煉原料熔融成一具有鑄造流動性的鈦鋁介金屬熔湯；以及，澆鑄固化步驟：將該鈦鋁介金屬熔湯進行澆鑄，以固化成一鈦鋁介金屬鑄材。該兩階段式熱處理步驟S2：將該鈦鋁介金屬鑄材進行第一及第二階段熱處理，以形成一鈦鋁介金屬。

舉例，本發明之熔煉步驟是指在抽真空後，將含鈦(Ti)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、錳(Mn)、鎳(Ni)、矽(Si)、鐵(Fe)或硼(B)等的熔煉材料置入感應熔煉設備(例如水冷式銅坩堝凝殼熔煉設備)進行真空熔煉，使該些熔煉材料熔融混合成具有特定配比之鈦鋁介金屬熔湯。例如，真空度：10²~10⁴torr，保護氣體：0.3~0.7Mpa(氬氣或氦氣)。含鈦(Ti)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、錳(Mn)、鎳(Ni)、矽(Si)、鐵(Fe)或硼(B)等的該些熔煉材料包括鋁鈮合金、二硼化鈦及其餘為純元素。在熔煉步驟之熔煉溫度範圍約為1550~1650℃，進行5~10分鐘的持溫熔煉。本發明之澆鑄固化步驟，將該鈦鋁介金屬熔湯進行澆鑄(澆鑄溫度約為：1550~1650℃)，經過冷卻後，可固化成一種鈦鋁介金屬鑄材10(如圖2所示)，藉此使固化後之鈦鋁介金屬鑄材10包括下列以原子百分比計，Al：40~50at%、Cr：1~8at%、Nb：1~8at%、Mo：1~5at%、Mn：1~6at%、Ni+Si+Fe：1~15at%及B：0.05~0.8at%，其餘部分為Ti及不可避免之雜質。詳言之，當前述熔煉材料加入感應熔煉設備以形成熔融合金後，接著便取樣測量該感應熔煉設備中熔融合金之原子成分比例，以確定該熔融混合之鈦鋁介金屬熔湯之組成原子百分比維持在，Al：40~50at%、Cr：1~8at%、Nb：1~8at%、Mo：1~5at%、Mn：1~6at%、Ni+Si+Fe：1~15at%及B：0.05~0.8at%，其餘部分為Ti及不可避 at%，其餘部分為Ti及不可避免之雜質。在Ni+Si+Fe：1~15at%的條件下，Ni

8at%，Si

8at%，Fe

8at%。此時，鈦鋁介金屬鑄材10之晶粒大小約：1~3mm，如圖2所示。

圖3為本發明之一實施例之鈦鋁介金屬的熱處理設備的立體示意圖。該鈦鋁介金屬的熱處理設備2可為一種雙爐式精準真空熱處理爐，其結合真空處理與熱處理兩個技術。該鈦鋁介金屬的熱處理設備2用以執行所述之鈦鋁介金屬的熱處理方法，包括：一熱處理料管23、一第一爐21及一第二爐22。該第一爐21可移動的設置於該熱處理料管23的一側。該第二爐22可移動的設置於該熱處理料管23的另一側；其中該熱處理料管23(石英管材質)可選擇性的伸入該第一爐21或該第二爐22，且該第二爐22之熱處理溫度高於該第一爐21之熱處理溫度。本發明之兩階段式熱處理步驟S2，將該鈦鋁介金屬鑄材置入該鈦鋁介金屬的熱處理設備2進行第一及第二階段熱處理，以形成一鈦鋁介金屬10’，其金相組織的晶粒尺寸約

250μm，如圖4所示。

舉例，當執行該第一階段熱處理時，該第一爐21沿一軌道24移動，用以使裝填有該鈦鋁介金屬鑄材的該熱處理料管23位於該第一爐21內，待該第一階段熱處理完成後，該第一爐21則移動至初始位置。該第一階段熱處理使該鈦鋁介金屬鑄材的金相組織轉變為α+γ相，經冷卻至室溫後形成一過渡鑄材。然後，當執行該第二階段熱處理時，該第二爐22沿該軌道移動，用以使裝填有該鈦鋁介金屬鑄材的該熱處理料管23移動，使該該熱處理料管23位於該第二爐22內，待該第二階段熱處理完成後，該第二爐22則移動至初始位置。該第二階段熱處理使該過渡鑄材的金相組織轉變為α單相，經冷卻至室溫後形成一鈦鋁介金屬。

該第一階段熱處理是由室溫加熱至第一階段熱處理的溫度範圍(1000~1250℃)，該第一階段熱處理的溫度範圍是指鈦鋁介金屬鑄材的金相組織 目的為：於α+γ相區進行再結晶(γ相佔比大於α相)，使γ相穩定化，並且有均質化之功效能使材料易加工。

該第二階段熱處理是由室溫加熱至第二階段熱處理的溫度範圍(1300~1450℃)，該第二階段熱處理的溫度範圍是指該過渡鑄材的金相組織轉變為α單相的溫度範圍，持溫時間10~20min，然後爐冷至室溫。第二階段熱處理之目的則是使γ相相變至α相可進行細晶化之相變路徑，持溫後進行爐冷可得到全層狀組織，該鈦鋁介金屬10’之全層狀組織(晶粒尺寸

250μm)具有比鈦鋁介金屬鑄材10(晶粒尺寸為1~3mm)更小的晶粒，如圖5所示。

圖6為Ti-Al二元相圖，一般γ-TiAl超合金之Al含量在42~48at.%之間，高溫約1300℃以上時為α相，隨溫度降低進入α+γ雙相區，降至約1000℃以下時為α2+γ雙相區。因此，如果由α單相區熱處理後降溫至α2+γ雙相區，能夠獲得全層狀(full lamella)結構，其高溫抗潛變性能優異，但是其晶粒粗大導致常溫之延展性不佳。若先熱處理於α+γ雙相區後降溫至α2+γ雙相區，則會產生層狀集團(lamella colony)與γ晶粒之雙相組織(duplex)，其高溫抗潛變性能較差，但因晶粒較小於常溫之延展性較佳。晶粒粗大原因除了α單相區因溫度較高會使晶粒成長速度加快，再加上進行α→α2+γ相變態，α之六方最密堆積HCP(0 0 0 1)面將相變為γ之擬面心立方FCC(1 1 1)面。因此，每一個α晶粒只會形成單一層狀(lamella)方向之集團(colony)，也就是說，α晶粒尺寸就直接決定了最後集團(colony)尺寸。若先從γ之面心立方FCC(1 1 1)面相變至α之六方最密堆積HCP(0 0 0 1)面會產生四種方向的變體選擇，且會產生晶粒細化之功效，因此先熱處理在之α+γ雙相區後再升溫至略高於α轉換溫度，最後降溫至α2+γ雙相區，則可以得到晶粒較小的全層狀(full lamella)組織，細化之全層狀(full lamella)結構含有大量之γ/γ雙晶界以及α2/γ相界面，能夠有效阻止差排滑移，進而擁有較高之強度，這樣的顯微組織能兼具不錯的高溫抗潛變與低溫延展性。 結構含有大量之γ/γ雙晶界以及α2/γ相界面，能夠有效阻止差排滑移，進而擁有較高之強度，這樣的顯微組織能兼具不錯的高溫抗潛變與低溫延展性。

據此，本發明之鈦鋁介金屬的全層狀組織(晶粒尺寸

250μm)具有比鈦鋁介金屬鑄材(晶粒尺寸為1~3mm)更小的晶粒，進而擁有較高之強度，並兼具不錯的高溫抗潛變與低溫延展性。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S1~S2:步驟

Claims (8)

1. 一種鈦鋁介金屬的熱處理方法，包括下列步驟：提供一鈦鋁介金屬鑄材；以及將該鈦鋁介金屬鑄材進行第一階段熱處理，加熱至該鈦鋁介金屬鑄材的金相組織轉變為α+γ相，經冷卻至室溫後形成一過渡鑄材；以及將該過渡鑄材進行第二階段熱處理，加熱至該過渡鑄材的金相組織轉變為α單相，經冷卻至室溫後形成一鈦鋁介金屬；其中該第一階段熱處理的溫度範圍是指該鈦鋁介金屬鑄材的金相組織轉變為α+γ相的溫度範圍，該第一階段熱處理的溫度範圍為1000~1250℃，且持溫時間為2~4h(小時)；該第二階段熱處理的溫度範圍是指該過渡鑄材的金相組織轉變為α單相的溫度範圍，該第二階段熱處理的溫度範圍為1300~1450℃，且持溫時間為10~20min(分)；以及在同一次鈦鋁介金屬的熱處理方法之下，該第二階段熱處理的溫度範圍大於該第一階段熱處理的溫度範圍，藉此將該鈦鋁介金屬先經該第一階段熱處理轉變α+γ相後，再升溫至該第二階段熱處理轉變α相。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鈦鋁介金屬的熱處理方法，其中鈦鋁介金屬之全層狀組織的晶粒尺寸

   

   250μm。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鈦鋁介金屬的熱處理方法，其中提供該鈦鋁介金屬鑄材的步驟，包括：進行熔煉步驟：將鈦鋁介金屬之多個熔煉原料放置在一感應熔煉設備內，將該些熔煉原料熔融成一具有鑄造流動性的鈦鋁介金屬熔湯；以及，進行澆鑄固化步驟：將該鈦鋁介金屬熔湯進行澆鑄，以固化成該鈦鋁介金屬鑄材。
4. 如申請專利範圍第3項所述之鈦鋁介金屬的熱處理方法，其中該鈦鋁介金屬鑄材包括下列以原子百分比計，Al：40~50at%、Cr：1~8at%、Nb：1~8at%、Mo：1~5at%、Mn：1~6at%、Ni+Si+Fe：1~15at%及B：0.05~0.8at%，其餘部分為Ti及不可避免之雜質。
5. 一種鈦鋁介金屬的熱處理設備，用以執行如請求項1~4任一項所述之鈦鋁介金屬的熱處理方法，包括：一熱處理料管；一第一爐，可移動的設置於該熱處理料管的一側；以及，一第二爐，可移動的設置於該熱處理料管的另一側；其中，該熱處理料管可選擇性的伸入該第一爐或該第二爐。
6. 如申請專利範圍第5項所述之鈦鋁介金屬的熱處理設備，其中當執行該第一階段熱處理時，該第一爐沿一軌道移動，用以使裝填有該鈦鋁介金屬鑄材的該熱處理料管位於該第一爐內，待該第一階段熱處理完成後，該第一爐則移動至初始位置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之鈦鋁介金屬的熱處理設備，其中當執行該第二階段熱處理時，該第二爐沿該軌道移動，用以使裝填有該鈦鋁介金屬鑄材的該熱處理料管位於該第二爐內，待該第二階段熱處理完成後，該第二爐則移動至初始位置。
8. 如申請專利範圍第7項所述之鈦鋁介金屬的熱處理設備，其中該第二爐之熱處理溫度高於該第一爐之熱處理溫度。

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