一種含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法
【專利摘要】一種含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，它涉及一種含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法。本發(fā)明的目的在于針對含τ3相的γ-TiAl基合金，通過熱處理獲得細小均勻全片層組織，進而優(yōu)化組織提高合金性能。方法：將合金試樣裝入坩堝后放入熱處理爐中保溫，然后轉(zhuǎn)移至爐溫為900℃～1000℃的熱處理爐中，保溫30min～50min后，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理后的合金試樣；將熱處理后的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100～200μm的均勻全片層組織。本發(fā)明用于含τ3相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的熱處理。
【專利說明】—種含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法。

【背景技術(shù)】
[0002]Y-TiAl基合金是一種新型的高溫結(jié)構(gòu)材料，具有高熔點、低密度、高彈性模量以及較好的高溫強度、阻燃能力、抗氧化性等優(yōu)點，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型輕質(zhì)耐熱高溫結(jié)構(gòu)材料，被認為是極具競爭潛力的下一代航空發(fā)動機用結(jié)構(gòu)材料之一。然而，TiAl金屬間化合物粗大的組織及低的室溫塑性限制了其廣泛應(yīng)用。針對TiAl基合金室溫塑性差的問題，從目前的研究現(xiàn)狀看，室溫塑性差的原因主要有:(一)TiAl基合金中原子排列的有序性和原子間的共價鍵結(jié)合特性；(二)微觀變形方式較少和變形機制復(fù)雜；(三)顯微組織粗大和界面結(jié)合強度低等。研究結(jié)果表明，TiAl基合金的顯微組織顯著影響著其室溫力學(xué)性能，細小、均勻的顯微組織可以使合金在保持較高高溫力學(xué)性能的同時，獲得較高的室溫力學(xué)性能。數(shù)十年來，國內(nèi)外學(xué)者在TiAl金屬間化合物的組織和性能方面做了大量的探索與研究。結(jié)果顯示，通過加入一定量的合金元素，改變合金的凝固路徑，可以細化Y-TiAl的鑄態(tài)組織。含β相Y-TiAl基合金就是利用這種方法，通過添加足夠量的β穩(wěn)定元素使合金由傳統(tǒng)的L — L+β — α…變?yōu)長 —L+β — β —…，得到細小的鑄態(tài)組織。通過研究T1-Al-Ni三元相圖發(fā)現(xiàn)，通過添加少量的合金元素Ni也可以改變合金凝固路徑，使合金由傳統(tǒng)的L —L+β — α…變?yōu)長 —L+β — α + τ3—…，得到細小的鑄態(tài)組織。對于含13相的新型γ-TiAl基合金而言，τ3相的引入使合金組織具有較小的晶粒尺寸(?100 μ m)，但是也在一定程度上影響了組織的均勻性。如何獲得細小均勻的全片層組織是獲得良好力學(xué)性能的關(guān)鍵。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于針對含τ 3相的Y-TiAl基合金，通過熱處理獲得細小均勻全片層組織，進而優(yōu)化組織提高合金性能，而提供一種含13相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法。
[0004]本發(fā)明一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0005]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10X10X10)mm?(20X20X20)mm的合金試樣，將合金試樣裝入坩堝后放入熱處理爐中，在溫度為1350°C?1400°C的條件下保溫lh?4h，然后轉(zhuǎn)移至爐溫為900°C?1000°C的熱處理爐中，在溫度為900°C?1000°C的條件下保溫30min?50min后，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理后的合金試樣；將熱處理后的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:47%?48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆制成。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:
[0007]本發(fā)明中合金經(jīng)熔煉后直接通過熱處理獲得細小均勻的全片層組織，所獲得的片層團組織分布均勻、尺寸細小，沒有經(jīng)過熱機械加工工藝細化組織，極大地增大了材料的利用率，同時也降低了鑄態(tài)合金應(yīng)用前的加工成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠未處理前的原始背散射照片；
[0009]圖2為實施例一中熱處理后的合金試樣的組織背散射照片；
[0010]圖3為實施例一中熱處理后的合金試樣的組織透射電子顯微照片；
[0011]圖4為實施例三中熱處理后的合金試樣的組織背散射照片；
[0012]圖5為實施例三中熱處理后的合金試樣的組織透射電子顯微照片。

【具體實施方式】
[0013]【具體實施方式】一:本實施方式一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0014]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10X10X10)mm?(20X20X20)mm的合金試樣，將合金試樣裝入坩堝后放入熱處理爐中，在溫度為1350°C?1400°C的條件下保溫lh?4h，然后轉(zhuǎn)移至爐溫為900°C?1000°C的熱處理爐中，在溫度為900°C?1000°C的條件下保溫30min?50min后，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理后的合金試樣；將熱處理后的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:47%?48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆制成。
[0015]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述含τ 3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的制備方法是按以下步驟進行:
[0016]一、按各元素摩爾百分比為A1:47%?48%、Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，分別稱取海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆；
[0017]二、將步驟一稱取的金屬通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解純鉻層、鎳豆層和海綿鈦層，得到金屬壓塊；
[0018]三、將水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中的金屬鑄型預(yù)熱至300?400°C，然后將步驟二得到的金屬壓塊放入水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，抽真空至1.0X10_3?3.0X10_3mbar，再以10?15kW/min速率將熔煉功率升至80?90kW后熔煉300?400s得熔體，然后將熔體澆鑄到預(yù)熱的金屬鑄型中，并隨爐冷卻，即得到含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠；
[0019]其中，海綿鈦的質(zhì)量純度為99.7%，高純鋁質(zhì)量純度為99.99%，鋁鈮中間合金的質(zhì)量純度為99.8%，電解鉻的質(zhì)量純度為99.99%，鎳豆的質(zhì)量純度為99.99% ;各原料為市售產(chǎn)品。其他與【具體實施方式】一相同。
[0020]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:在溫度為1360°C的條件下保溫4h。其他與【具體實施方式】一或二相同。
[0021]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:在溫度為1400°C的條件下保溫2h。其他與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0022]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:然后轉(zhuǎn)移至爐溫為950°C的熱處理爐中。其他與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0023]通過以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0024]實施例一:一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0025]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10X 10X 10)mm的合金試樣，將合金試樣裝入?甘禍后放入熱處理爐中，在溫度為1360°C的條件下保溫2h，然后轉(zhuǎn)移至爐溫為900°C的熱處理爐中，在溫度為900°C的條件下保溫30min后，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理后的合金試樣；將熱處理后的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相
Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:3%和余量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)凝殼熔煉而成。
[0026]熱處理后的合金試樣經(jīng)金相砂紙從60目磨到2000目，再用電解拋光機精拋；X射線衍射試樣經(jīng)水洗砂紙從180目磨到1000目，再用無水乙醇清洗表面；透射樣品為
0.5mm的薄片，用砂紙磨到60 μ m厚,再采用雙噴減薄技術(shù)制備。實驗結(jié)果表明，合金試樣在1360°C保溫4h，在溫度為900°C的條件下保溫30min后可以獲得均勻細小的全片層組織。利用掃描電子顯微鏡進行分析，圖1為含13相γ-TiAl金屬間化合物鑄錠未處理前的原始背散射照片；圖2為實施例一中熱處理后的合金試樣的組織背散射照片；從圖2與圖1中的組織相比可以看出，熱處理后的合金試樣獲得了襯度一致的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為150 μ m。利用透射電子顯微鏡進行分析，圖3為實施例一中熱處理后的合金試樣的組織透射電子顯微照片；從圖3可以看出熱處理后的合金試樣合金層片團內(nèi)部板條界面平直無析出物。
[0027]實施例二:一種含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行:
[0028]從尺寸為Φ 50 X 60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(20X20X20)mm的合金試樣，將合金試樣裝入?甘禍后放入熱處理爐中，在溫度為1360°C的條件下保溫4h，然后轉(zhuǎn)移至爐溫為950°C的熱處理爐中，在溫度為950°C的條件下保溫30min后，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理后的合金試樣；將熱處理后的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200 μ m的均勻全片層組織，即完成含τ 3相
Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為A1:48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:3%和余量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆采用水冷銅坩堝真空感應(yīng)凝殼熔煉而成。
[0029]實驗結(jié)果表明，熱處理后的合金試樣得到均勻細小的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為180 μ m。
[0030]實施例三:本實施例與實施例一不同之處在于:在溫度為1400°C的條件下保溫lh,然后轉(zhuǎn)移至爐溫為950°C的熱處理爐中，在溫度為950°C的條件下保溫30min。其他與實施例一相同。
[0031]圖4為實施例三中熱處理后的合金試樣的組織背散射照片；從圖4與圖1中的組織相比可以看出，熱處理后的合金試樣獲得了襯度一致的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為150 μ m。利用透射電子顯微鏡進行分析，圖5為實施例三中熱處理后的合金試樣的組織透射電子顯微照片；從圖5可以看出熱處理后的合金試樣合金層片團界面光滑無析出物。
[0032]實施例四:本實施例與實施例二不同之處在于:在溫度為1400°C的條件下保溫2h,然后轉(zhuǎn)移至爐溫為950°C的熱處理爐中，在溫度為950°C的條件下保溫50min。其他與實施例二相同。
[0033]實驗結(jié)果表明，熱處理后的合金試樣得到均勻細小的全片層組織，片層團平均晶粒尺寸為200 μ m。
【權(quán)利要求】
1.一種含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特征在于含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法是按以下步驟進行: 從尺寸為O50X60mm的含？3相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的芯部切割出尺寸為(10 X 10 X 10) mm?(20 X 20 X 20) mm的合金試樣，將合金試樣裝入坩堝后放入熱處理爐中，在溫度為1350°C?1400°C的條件下保溫Ih?4h，然后轉(zhuǎn)移至爐溫為900°C?1000°C的熱處理爐中，在溫度為900°C?1000°C的條件下保溫30min?50min后，隨爐冷卻至室溫，得到熱處理后的合金試樣；將熱處理后的合金試樣進行退火處理，得到片層晶團平均晶粒尺寸在100?200μπι的均勻全片層組織，即完成含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理；所述含13相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠按各元素摩爾百分比為Al:47%?48%,Nb:2%,Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，由海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特征在于所述含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的制備方法是按以下步驟進行: 一、按各元素摩爾百分比為Al:47%?48%、Nb:2%, Cr:2%,N1:2%?3%和余量的Ti，分別稱取海綿鈦、高純鋁、鋁鈮中間合金、電解鉻和鎳豆； 二、將步驟一稱取的金屬通過金屬壓塊機進行壓塊成型，壓塊時自下而上各層分別為海綿鈦層、高純鋁層、鋁鈮中間合金層、電解純鉻層、鎳豆層和海綿鈦層，得到金屬壓塊； 三、將水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中的金屬鑄型預(yù)熱至300?400°C，然后將步驟二得到的金屬壓塊放入水冷銅坩堝感應(yīng)熔煉爐中，抽真空至1.0X10_3?3.0X10_3mbar，再以10?15kff/min速率將熔煉功率升至80?90kW后熔煉300?400s得熔體，然后將熔體澆鑄到預(yù)熱的金屬鑄型中，并隨爐冷卻，即得到含τ 3相Y -TiAl金屬間化合物鑄錠； 其中，海綿鈦的質(zhì)量純度為99.7%，高純鋁質(zhì)量純度為99.99 %，鋁鈮中間合金的質(zhì)量純度為99.8%，電解鉻的質(zhì)量純度為99.99%，鎳豆的質(zhì)量純度為99.99% ;各原料為市售女口廣叩ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特征在于在溫度為1360°C的條件下保溫4h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特征在于在溫度為1400°C的條件下保溫2h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含^相Y-TiAl金屬間化合物鑄錠的全片層熱處理方法，其特征在于然后轉(zhuǎn)移至爐溫為950°C的熱處理爐中。
【文檔編號】C22F1/18GK104388862SQ201410631906
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】陳玉勇, 韓建超, 田竟, 肖樹龍, 徐麗娟, 王曉鵬, 賈燚, 曹守臻 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)