专利名称：一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法
技术领域：
本发明 属于金属间化合物合金制备技术领域，特别是提供了一种如何获得铸态 含硼TiAl基合金细小均勻的近全片层组织，并控制硼化物形态、尺寸和均勻分布的工艺 方法。
背景技术：
y -TiAl合金密度小于4g/cm3，具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍可 以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力，这使其成为航 天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料。然而铸造Y-TiAl合金的强烈的柱状晶生长倾向和粗大的片层团组织特征，导致 室温塑性差和性能各向异性，所以铸态组织的晶粒或片层团细化尤为重要。同时，能否 制备出具有细小均勻片层团初始组织、良好的塑性和断裂韧性相匹配的Y-TiAl基合金铸 锭也是后续热机械处理的关键。硼是细化铸造Y-TiAl基合金片层团的最有效的合金化 元素，可以有效的消除粗大柱状晶引起的各向异性。但是硼化物存在的形态、尺寸和分 布均勻性严重影响材料的性能，当硼化物尺寸细小并且形态为短棒状或块状时，室温脆 性得到显著改善。但在通常的凝固条件下，铸态Y-TiAl基合金中的硼化物形态为弯曲 的条带状，长度可达几百微米，成为后续的变形和使用过程中的主要裂纹源，明显降低 Y-TiAl基合金的室温塑性。因此采用硼细化Y-TiAl基合金的同时，如何控制硼化物形 态和尺寸已成为解决含硼Y-TiAl基铸造合金室温脆性问题的关键所在。采用等温锻造 或者热挤压等热机械变形方法，能够达到改善硼化物形态、尺寸及细化晶粒的目的，但 是对于铸造Y-TiAl基合金铸件，在无法进行热机械变形处理的条件下，仅仅依靠热处理 方法无法改善硼化物形态、尺寸及分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在无热机械变形处理的条件下，在均勻细化Y-TiAl 基合金铸态组织的同时，有效地控制硼化物形态和尺寸的制造方法。利用铝当量换算公 式将多元体系合金换算为TiAl 二元合金，根据TiAl 二元相图得到合金的液相线温度，或 者试验确定合金的液相线温度，将合金在液相线温度以下5 20°C进行近液相线等温保 温处理，之后再进行固态时效热处理进一步细化合金组织，得到具有细小片层团的近全 片层组织。本发明的一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，其包括有下 列的步骤步骤一近液相线等温处理将铸态Y -TiAl合金试样置于真空热处理炉里，在保温温度下保温0.5 2小 时，然后淬入液态金属中进行冷却处理，得到第一试样；所述的保温温度为低于合金液相线温度Tm以下5 20°C ；
步骤二 时效热处理将第一试样置于真空热处理炉里，在1000°C 1150°C下均勻化处理10 20小
时，取出，置于空气中自然冷却，得到第二试样；将第二试样在1340°C 1360°C下保温1 2小时，随炉冷却至900°C 1000°C
后取出，置于空气中自然冷却，得到第三试样；将第三试样在950°C 1050°C下保温2 6小时之后，置于空气中进行自然冷 却，得到具有细小片层团和小尺寸硼化物的TiAl合金。本发明控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态方法的优点在于①所获得的近片层团组织分布均勻、晶粒尺寸细小，球化明显，胞晶尺寸在 150 250μιη;经过后续热处理后，合金试样的显微组织为晶粒尺寸100 μ m左右的近全 片层组织，片层团尺寸分布均勻，片层团界面上分布着尺寸更为细小的Y等轴晶。②长条带状硼化物转变为尺寸细小、弥散分布的短棒状或块状硼化物。③热处理工艺简单，合金材料的可利用尺寸大，加工成本低。
图1是铸态TiAl基合金试样未经任何处理前的原始组织的金相照片。图IA是铸态TiAl基合金试样未经任何处理前的硼化物的SEM图片。图2是铸态TiAl基合金试样经本发明近液相线等温处理后组织的金相照片。图2A是铸态TiAl基合金试样经本发明近液相线等温处理后硼化物的SEM图 片。图3是本发明TiAl基合金半固态凝固试样经过时效热处理后的显微组织的金相 照片。图3A是本发明TiAl基合金半固态凝固试样经过时效热处理后的硼化物的SEM 图片。图4是Ti-Al 二元相图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明是将铸造Y-TiAl合金在近液相线附近的温度保温处理，目的是获得尺 寸细小、弥散分布的短棒状或块状硼化物，使柱状枝晶结构转变为尺寸细小的等轴晶组 织；通过后续时效热处理获得晶粒尺寸细小均勻的近全片层组织。不需要经过多步包套 锻造的热机械加工工艺(孙红亮，叶飞，等温热锻对铌锆TiAl合金组织和力学性能的影 响，稀有金属，2009.8，33(4))，极大地增加了合金材料的可利用尺寸，降低了铸态合 金应用前的加工成本。本发明采用的细化铸态TiAl基合金组织和控制硼化物形态的方法，包括有下两 个步骤步骤一近液相线等温处理将铸态Y -TiAl合金试样置于真空 热处理炉里，在保温温度下保温0.5 2小 时，然后淬入液态金属(如镓铟锡合金液、镓铟合金液)中进行冷却处理，得到第一试样，第一试样为半固态的TiAl合金凝固组织；所述的保温温度为低于合金液相线温度Tm以下5 20°C ；合金液相线温度Tm 如图4所示，步骤二 时效热处理将第一试样置于真空热处理炉里，在1000°C 1150°C下均勻化处理10 20小
时，取出，置于空气中自然冷却，得到第二试样；将第二试样在1340°C 1360°C下保温1 2小时，随炉冷却至900°C 1000°C
后取出，置于空气中自然冷却，得到第三试样；将第三试样在950°C 1050°C下保温2 6小时之后，置于空气中进行自然冷 却，得到具有细小片层团和小尺寸硼化物的TiAl合金。实施例1实验所用合金的名义成分为Al 47，Cr: 2，Nb 2, B 0.8，余量为Ti(原 子百分比at.%)，选用纯度为99.76%的零级海绵钛、纯度为99.99%的高纯铝锭、纯度为 99.90%纯铬颗粒、纯度为99.9%的铌片和Ti_3B中间合金为原料。将原料放入非自耗真 空电弧炉内，抽真空至6X10_3Pa，充入高纯氩气至0.5 X IO5Pa,反复熔炼4次，熔炼电流 为400 1200A，制备重量1.2Kg的母合金锭。采用线切割的方法切取Φ 14mmX80mm 的合金试样，装入Al2O3-Y2O3双层结构陶瓷管中放入真空热处理炉中保温30分钟，保温 温度为液相线温度以下20°C，然后以lOOmm/min的速度快速淬入镓铟锡合金液中得到半 固态组织，称为I号合金试样。随后将I号合金试样进行后续的热处理，所采用的热处理制度为1150°C下均勻 化处理12小时，置于空气中冷却，之后在1340°C下保温2小时后，随炉冷却至900°C后 置于空气中冷却，最后在1000°C下保温4小时之后，置于空气中进行冷却。观察近液相 线等温处理及后续热处理合金试样组织的演变过程。实验结果表明经过半固态等温热处理后，I号合金试样的微观组织呈现明显的 半固态组织特征，组织球化明显，胞晶尺寸由原始铸态的500 ΙΟΟΟμιη(如图1所示) 细化至150 250 μ m(如图2所示)，铸态试样中的大约100 μ m长条带状硼化物(如图 1所示)转变为尺寸为2 5μιη的短棒状或块状硼化物(如图2Α所示)；经过后续热处 理后，I号合金试样的显微组织为晶粒尺寸100 μ m左右的近全片层组织(如图3所示)， 片层团尺寸分布均勻，片层团界面上分布着尺寸更为细小的Y等轴晶；经过后续热处理 后的硼化物形态、尺寸和分布与半固态等温处理试样中的相似(如图3A所示)，说明后 续热处理不会影响硼化物的形态。采用化学分析得到熔炼物的成分见下表，其中Ti、Al、Nb、用ICP-AES方法测 得，O用惰气脉冲-红外导热法测得。
权利要求
1.一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，其特征在于包括有下列 的步骤步骤一近液相线等温处理将铸态Y-TiAl合金试样置于真空热处理炉里，在保温温度下保温0.5 2小时，然 后淬入液态金属中进行冷却处理，得到第一试样；所述的保温温度为低于合金液相线温度Tm以下5 20°C ；步骤二时效热处理将第一试样置于真空热处理炉里，在1000°C 1150°C下均勻化处理10 20小时， 取出，置于空气中自然冷却，得到第二试样；将第二试样在1340°C 1360°C下保温1 2小时，随炉冷却至900°C 1000°C后取 出，置于空气中自然冷却，得到第三试样；将第三试样在950°C 1050°C下保温2 6小时之后，置于空气中进行自然冷却，得 到具有细小片层团和小尺寸硼化物的TiAl合金。
2.—种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，其特征在于所述的第 一试样为半固态的TiAl合金凝固组织。
3.—种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，其特征在于所述的液 态金属为镓铟锡合金液或者镓铟合金液。
4.一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，其特征在于制得的具 有细小片层团和小尺寸硼化物的TiAl合金的显微组织为晶粒尺寸70 100 μ m的近全片 层组织，片层团尺寸分布均勻，片层团界面上分布着Y等轴晶。
全文摘要
本发明公开了一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法，该方法在均匀细化TiAl基合金铸态组织的同时，有效地控制硼化物形态和尺寸的制造方法。该方法是在合金液相线温度以下5～20℃进行半固态等温保温处理，之后再进行固态时效热处理进一步细化合金组织，得到具有细小片层团的近全片层组织。本发明的工艺不需要经过多步包套锻造的热机械加工，极大地增加了合金材料的可利用尺寸，降低了铸态合金应用前的加工成本。
文档编号C22C14/00GK102011077SQ201010594268
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者张虎, 杨莉莉, 王建吉, 郑立静 申请人:北京航空航天大学