專利名稱：一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于高性能合金材料制備領域，特別是涉及一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝。
背景技術：
鈦鋁(TiAl)基合金以其較低的密度，高的比強度和比彈性模量，高溫強度和剛度， 以及良好的抗蠕變及抗氧化性等優(yōu)點，成為航天航空及汽車發(fā)動機高溫結構件用極具競爭力的材料。與普通TiAl基合金相比，高鈮TiAl合金由于高熔點難熔金屬Nb元素的加入，提高了合金的高溫強度，改善了高溫抗蠕變和抗氧化性能，同時使合金使用溫度提高了 60-100°C，又兼顧了普通TiAl合金密度小的特點。高鈮TiAl合金密度不及鎳基高溫合金的一半，同時高溫性能接近鎳基高溫合金。目前，已成為國內外TiAl基高溫合金發(fā)展的重要方向，是最有應用潛力的新一代輕質高溫結構材料。由于TiAl合金的本質脆性，高鈮含量的加入也未能使室溫塑性及熱加工性能得到改善，因而限制了其工業(yè)化應用。目前，主要采用定向凝固的方式改善鈦鋁合金顯微組織，進而發(fā)揮其性能潛力。即通過利用凝固時熱傳導方向的控制，在凝固金屬與未凝固熔體中建立起特定方向的溫度梯度，達到控制晶體取向，消除橫向晶界，獲得特定片層方向的目的。研究表明(TiAl金屬間化合物的定向凝固和晶向控制，中國有色金屬學報，797-809， 13,2003)外加載荷平行于片層界面可以獲得最佳的強度與塑性的綜合，所以對于某些轉動部件，如發(fā)動機葉片，使受力方向平行于TiAl合金片層取向，是發(fā)揮材料性能優(yōu)勢的最佳選擇。定向凝固技術能極大提高TiAl合金的斷裂韌性、蠕變強度、室溫塑性等性能，為其廣泛應用提供了基礎。但是，凝固過程不可避免產(chǎn)生各種偏析，從而影響其性能。其中宏觀偏析是由于定向凝固屬于近平衡凝固，凝固時溶質的分凝系數(shù)不同，從而造成試棒左端至右端的宏觀范圍內存在成分不均勻，這種偏析在隨后的加工和熱處理中難以消除。另一類普遍存在的偏析為顯微偏析。高鈮TiAl合金鑄錠經(jīng)組織分析表明，合金鑄錠中存在三種顯微偏析
(1)根據(jù)含8-10Nb的TiAl相圖，Al含量為44-46%合金的凝固過程為L —L+β — β。 初生的β相Al含量較低，從Al偏析到枝晶間液相區(qū)形成液相偏析，稱S偏析。其特點為富Al而低Ti和Nb。在掃描電鏡背散射模式(BSE-SEM)下觀察，S偏析為黑色襯度，以不規(guī)則塊狀和蠕蟲狀存在于灰色基體中。(2)隨著溫度的下降，發(fā)生β — α相轉變，相變過程中向晶界排出的Ti、Nb、W元素來不及擴散均勻，結果形成β相，冷卻到室溫時留在晶界處而形成的偏析，稱為β偏析。其特點為β相中富Nb和W而低Al。在BSE-SEM下觀察，β偏析穿插于灰色基體間的白色襯度的網(wǎng)狀區(qū)組織，主要分布在片層團晶界處和片層內。(3)在α相內由于其元素分布不均勻致使有些區(qū)域達到β相成分，發(fā)生 α - α2+γ + β相變，冷卻到室溫時出現(xiàn)在片層團內而形成的偏析，稱為α偏析。α偏析出現(xiàn)在片層內，出現(xiàn)的幾率較β偏析少，在BSE-SEM下觀察，α偏析表現(xiàn)為白色片狀出現(xiàn)在片層內。鑄態(tài)組織中這三種偏析的存在給合金的組織優(yōu)化帶來了很大的困難，影響了合金的力學性能。S偏析區(qū)域內片層團晶粒明顯粗化，而β相的存在會降低合金的室溫延性和斷裂韌性。研究表明，這幾種顯微偏析在定向凝固TiAl合金試樣也會同時存在。只有消除或減少這些顯微偏析，才能提高定向凝固TiAl合金的綜合力學性能。通過多道次等溫包套鍛造可以有效地消除β偏析和α偏析，但并不能消除S偏析。該類合金鑄錠經(jīng)過二次包套鍛造后的組織分析表明β相仍然存在，需要三次或三次以上多步包套鍛造才可以，但多步包套鍛造降低了可利用材料的尺寸，并增加了制造成本(On the microsegregation of Ti - 45A1 - (8 - 9)Nb - (W, B，Y) alloy, Materials Letters, 369-373，61，2007)。相對于熱加工優(yōu)化組織來說，熱處理是一種更為有效的組織優(yōu)化工藝。研究表明，在α相變溫度以上(1350°C-1400°C)進行12_24h高溫退火，可以同時消除定向凝固高鈮TiAl合金中的S偏析、β偏析、α偏析，但發(fā)生了再結晶與晶粒長大現(xiàn)象，從而最終影響定向凝固TiAl合金的綜合力學性能，同時熱處理溫度的提高也使得設備要求與能耗大大提高(熱處理對大尺寸鑄態(tài)高Nb-TiAl合金組織中S-偏析的影響，航空材料學報，28-32，27，2007)。因此，開發(fā)適合工業(yè)應用的定向凝固高鈮TiAl合金熱處理技術有非常必要。雖然定向凝固技術可以增加TiAl合金的塑性，但增加幅度有限，熱處理方法可進一步提高合金的塑性。在保證不發(fā)生再結晶與晶粒長大的前提下，盡量減少微觀偏析，從而提高定向凝固高鈮TiAl合金綜合力學性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝， 通過在α + Υ兩相區(qū)保溫適當時間以達到消除β偏析、α偏析，該方法工藝簡單可靠，可顯著提高定向凝固高鈮鈦鋁合金力學性能。本發(fā)明的原理依據(jù)是
本發(fā)明涉及的熱處理工藝可以在熱處理溫度下消除β偏析、α偏析，其主要基于β相中富Ti低Al，Y相中富Al低Ti，片層團L ( α 2+γ)中的Ti和Al含量介于這兩相之間， 根據(jù)高Nb鈦鋁合金相圖，在兩相區(qū)(α+ Y)高溫退火時，這三種組織進入兩相區(qū)(α + Υ) 的順序是β> (α2+Υ)>Υ，所以β相先發(fā)生溶解。熱處理溫度介于共析溫度與α相變溫度之間，熱處理提供了 W、Nb等偏析元素擴散所需的激活能，枝晶中和枝晶間的亞穩(wěn)態(tài)β 相都會分解直至基本消除。同時因為α偏析伴隨著β相生成，所以此熱處理工藝也較大程度的消除了 α偏析。片層內β相經(jīng)熱處理后的結果是其周圍的α2板條變粗，原來與其交替分布存在的Y相的含量也減少了，這兩方面說明了 β相的消除伴隨著Y相的溶解， 且兩者都轉變?yōu)棣料?。而?jīng)890-910°C/30-35min穩(wěn)定化處理后空冷至室溫最終得到了片層厚度細小的片層組織。根據(jù)本發(fā)明的原理依據(jù)，實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案按以下步驟進行 步驟1、使用電弧熔煉或懸浮熔煉方法熔煉高鈮鈦鋁合金紐扣錠，使用吸鑄方法將紐
扣錠鑄造成圓柱形試棒，將試棒放進涂有氧化釔涂層的氧化鋁管，在一定保溫溫度下，通過 Bridgeman方法進行抽拉，得到高鈮鈦鋁合金試樣；步驟2、截取所得定向凝固高鈮鈦鋁合金試樣的中間段；
步驟3、將試棒裝入涂有氧化釔涂層的氧化鋁管，通氬氣，在電爐中進行低真空高溫處
理；
步驟4、冷卻至一定溫度后進行一定時間的保溫處理； 步驟5、從爐中取出試樣空冷至室溫，進行表面打磨處理。步驟1所述的高鈮鈦鋁合金紐扣錠的成分為Ti-(44 46)Al-(6 9)Nb-((T2) (W、 Μη)-((Γθ. 5) (Β、Υ)，所述的圓柱形試棒的尺寸為Φ (4-10) XL(50-100)mm，所述的保溫溫度為1650° C - 1700° C，所述的抽拉速率為5Mm-100Mm/s ；
所述的氧化釔涂層制作工藝方法為將PEG-200001203為1:3比例調配，加水至糊狀， 倒入氧化鋁管或氧化鋁坩堝，在110°C下烘干30min，取出后加熱到1200°C保溫30分鐘后隨爐冷卻。步驟3所述的真空度為0. 01-0. 03Pa，所述的通氬氣后壓強為600_650Pa，所述的處理溫度為1250-U90°C，升溫速率為10-12° C/min，所述的處理時間為6_24h且隨著處理溫度的增加遞減。步驟4所述的冷卻溫度為890-910°C，冷卻時間為30_35min。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于(1)工藝簡單，易于操作。(2)對定向凝固獲得的試樣在1250-1四0° C保溫6-24h后，試樣隨爐冷卻至890-910° C后保溫30-35min， 可以消除β偏析、α偏析，減少S偏析，同時未發(fā)現(xiàn)明顯晶粒長大現(xiàn)象，并大幅提高高鈮鈦鋁合金的強度和塑性等力學性能指標。(3)通過本發(fā)明熱處理工藝的實施，改善了高溫鈦鋁金屬間合物材料的室溫脆性問題，提高了高溫強度，有望滿足航空航天等領域高溫合金材料的需求。


圖1 是本發(fā)明實施例 1 熱處理前 Ti-44Al-6Nb-((T2) (W、Mn)-((T0. 5) (B、Y)合金顯微組織圖像。圖2是本經(jīng)發(fā)明實施例1所述熱處理后的Ti-44Al-6Nb-((T2) (W、Mn)-((T0. 5) (B、 Y)合金顯微組織圖像。
具體實施例方式一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝，包括以下步驟
步驟1、使用電弧熔煉或懸浮熔煉方法熔煉成分為Ti- (44、6) Al-(6 9) Nb- (0 2) (W、Mn) - ((Γ0. 5) (B、Y)的高鈮鈦鋁合金紐扣錠，使用吸鑄方法將紐扣錠鑄造成 Φ (4-10) XL(50-100)mm的圓柱形試棒。將試棒放進涂有氧化釔涂層的氧化鋁管，在保溫溫度1650° C - 1700° C，抽拉速率5Mm-100Mm/S下，通過Bridgeman方法進行抽拉，得到高鈮鈦鋁合金試樣；
步驟2、截取所得定向凝固高鈮鈦鋁合金中間段，即定向凝固柱晶的穩(wěn)態(tài)生長區(qū)域，以確保熱處理的部分是定向凝固柱狀晶組織；
步驟3、將步驟2獲得的定向凝固高鈮鈦鋁合金放入涂有氧化釔的氧化鋁坩堝，放置在實驗電爐中，抽真空至0. 01-0. 03Pa，通入氬氣至600-650Pa。調節(jié)升溫速率為10-12°C/min，升溫至 1250-1290° C，保溫 6_24h ；
步驟4、設定電爐溫度至890-910° C，試樣隨爐冷卻，待溫度降至890-910° C后保溫 30-35min，關閉電爐電源；
步驟5、往爐內通入空氣，待爐內壓強達到一個大氣壓后，取出試棒。待試樣空冷至室溫，用砂紙打磨去除試棒表面氧化皮即可。實施例1
使用電弧熔煉法熔煉成分為Ti-44Al-6Nb-((T2) (W、Mn)-((T0. 5) (B、Y)的高鈮鈦鋁合金紐扣錠，使用吸鑄方法將紐扣錠鑄造成O4XL50mm的圓柱形試棒。將試棒放進涂有氧化釔涂層的氧化鋁管，在保溫溫度1650°C，抽拉速率5Mffl/s下，通過Bridgeman方法進行抽拉，得到定向凝固高鈮鈦鋁合金試樣。截取定向凝固試樣的中間段，將其放入涂有氧化釔保護層的氧化鋁坩堝，置于電爐中，抽真空至0. OlPa,再通入氬氣至600Pa，升溫速率為10° C/ min,升溫至1250° C，保溫Mh。設定電爐溫度至910° C，試樣隨爐冷卻，待溫度降至910° C后保溫30min，關閉電爐電源。往爐內通入空氣，待爐內壓強達到一個大氣壓后，取出試棒。待試樣空冷至室溫，用砂紙打磨去除試棒表面氧化皮，最終得到消除α偏析、β偏析的定向凝固高鈮鈦鋁合金。本發(fā)明實施效果可從圖1和圖2中熱處理前后的對比看出。圖1中顯微組織為Ti-44Al-6Nb-(0l) (W、Mn)-((T0. 5) (B、Y)合金熱處理前定向凝固試樣縱截面的組織圖像，圖1中箭頭所示為片層團晶界處存在明顯的β相偏析聚集，圖2可以看出片層團晶界處基本不存在β和α相偏析。表1所示為熱處理前后合金試樣的軸向屈服強度及延伸率對比，每個試樣重復檢測三遍，取平均值，通過表1可知通過本發(fā)明所述的熱處理， 定向凝固高鈮鈦鋁合金的屈服強度和延伸率都有較大幅度提高。實施例2
使用懸浮熔煉法熔煉成分為Ti-45Al-7Nb-(0l) (W、Μη)-((Γθ. 5) (B、Y)的高鈮鈦鋁合金紐扣錠，使用吸鑄方法將紐扣錠鑄造成07XL80mm的圓柱形試棒。將試棒放進涂有氧化釔涂層的氧化鋁管，在保溫溫度1680° C，抽拉速率20Mffl/s下，通過Bridgeman方法進行抽拉，得到定向凝固高鈮鈦鋁合金試樣。截取定向凝固試樣的中間段，將其放入涂有氧化釔保護層的氧化鋁坩堝，置于電爐中，抽真空至0. 02 Pa，再通入氬氣至620Pa，升溫速率為ire/min，升溫至1270°C，保溫12h，設定電爐溫度至900°C，試樣隨爐冷卻，待溫度降至 900°C后保溫32min，關閉電爐電源。往爐內通入空氣，待爐內壓強達到一個大氣壓后，取出試棒。待試樣空冷至室溫，用砂紙打磨去除試棒表面氧化皮，最終得到消除α偏析、β偏析的定向凝固高鈮鈦鋁合金。實施效果見表1，從表1可知通過本發(fā)明所述的熱處理，定向凝固高鈮鈦鋁合金的屈服強度和延伸率得到提高。實施例3
使用電弧熔煉法熔煉成分為Ti-46Al-9Nb-((T2) (W、Μη)-((Γθ. 5) (B、Y)的高鈮鈦鋁合金的紐扣錠，使用吸鑄方法將紐扣錠鑄造成OlOXLlOOmm的圓柱形試棒。將試棒放進涂有氧化釔涂層的氧化鋁管，在保溫溫度1700°C，抽拉速率100Mffl/S下，通過Bridgeman方法進行抽拉，得到定向凝固高鈮鈦鋁合金試樣。截取定向凝固試樣的中間段，將其放入涂有氧化釔保護層的氧化鋁坩堝，置于電爐中，抽真空至0. 03Pa，再通入氬氣至650Pa，升溫速率為12° C/min,升溫至1四0° C，保溫6h，設定電爐溫度至890° C，試樣隨爐冷卻，待溫度降至 890°C后保溫35min，關閉電爐電源。往爐內通入空氣，待爐內壓強達到一個大氣壓后，取出試棒。待試樣空冷至室溫，用砂紙打磨去除試棒表面氧化皮，最終得到消除α偏析、β偏析的定向凝固高鈮鈦鋁合金。實施效果見表1，從表1可知通過本發(fā)明所述的熱處理，定向凝固高鈮鈦鋁合金的屈服強度和延伸率都有較大幅度提高。
表1熱處理前后合金試樣的屈服強度和延伸率對比
權利要求
1.一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝，其特征是所述工藝按以下步驟進行步驟1、使用電弧熔煉或懸浮熔煉方法熔煉高鈮鈦鋁合金紐扣錠，使用吸鑄方法將紐扣錠鑄造成圓柱形試棒，將試棒放進涂有氧化釔涂層的氧化鋁管并保溫，通過Bridgeman方法進行抽拉，得到高鈮鈦鋁合金試樣；步驟2、截取所得定向凝固高鈮鈦鋁合金試樣的中間段；步驟3、將試棒裝入涂有氧化釔涂層的氧化鋁管，通氬氣，在電爐中進行低真空高溫處理；步驟4、冷卻后并進行保溫處理；步驟5、從爐中取出試樣空冷至室溫，進行表面打磨處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝，其特征是步驟1中所述的高鈮鈦鋁合金紐扣錠的成分為Ti-(44、6)A1- (6^9)Nb-(0^2) (W、 Μη)-((Γθ. 5) (Β、Υ)，所述的圓柱形試棒的尺寸為Φ (4-10) XL(50-100)mm，所述的保溫溫度為1650°C-1700°C，所述的抽拉速率為5Mm-100Mm/s。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝，其特征是步驟1中所述的氧化釔涂層制作工藝方法為將PEG-200001203為1:3比例調配，加水至糊狀，倒入氧化鋁管或氧化鋁坩堝，在110°C下烘干30min，取出后加熱到1200°C保溫 30分鐘后隨爐冷卻。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝，其特征是步驟3中所述的真空度為0. 01-0. 03Pa，所述的通氬氣后壓強為600-650Pa，所述的處理溫度為1250-U90°C，所述的升溫速率為10-12°C/min，所述的處理時間為6_24h且隨著處理溫度的增加遞減。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金顯微偏析的熱處理工藝，其特征是步驟4中所述的冷卻溫度為890-910°C，所述的冷卻時間為30-35min。
全文摘要
一種減少定向凝固高鈮鈦鋁合金偏析的熱處理工藝。將包含微量元素W、B、Y、Mn等的高鈮鈦鋁合金成分按原子百分比Ti-(44~46)Al-(6~9)Nb-(0~2)(W、Mn)-(0~0.5)(B、Y)配制，利用電弧熔煉得到紐扣錠，并吸鑄成合金試棒，采用Bridgeman方法制備定向凝固高鈮鈦鋁合金試樣。定向凝固技術使合金晶粒沿受力方向生長，消除橫向晶界，提高了高溫性能，但是由于鑄態(tài)高鈮鈦鋁合金普遍存在的S偏析、β偏析、α偏析，造成組織缺陷，最終影響了合金的力學性能。本發(fā)明通過對定向凝固試樣在1250-1290oC下保溫6-24h，待試樣隨爐冷卻至890-910oC并保溫30-35min，大幅減少β偏析、α偏析，同時未出現(xiàn)再結晶與晶粒長大現(xiàn)象，有效提高合金力學性能。該方法工藝簡單可靠，成本低，實用性強，獲得的高強韌定向凝固高鈮TiAl合金在航空航天領域有廣泛的應用前景。
文檔編號C22C14/00GK102400074SQ201110395188
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權日2011年12月2日
發(fā)明者于延洲, 李永勝, 陳 光 申請人:南京理工大學