在TiAl合金中获得三态组织和双态组织的热处理工艺

在tial合金中获得三态组织和双态组织的热处理工艺
技术领域
1.本申请属于钛铝合金组织调控技术领域，尤其涉及一种在tial合金中获得三态组织和双态组织的热处理工艺。


背景技术：

2.tnm是一种经典的第三代钛铝合金，其成分范围为ti
‑
(42
‑
45)al
‑
(3
‑
5)nb
‑
(0.1
‑
2)mo
‑
(0.1
‑
0.2)b。相对于二代钛铝合金，其服役温度可达750℃，经过三次锻造之后，该合金已成功用于航空发动机的叶片。按照ti
‑
al体系的相图，在不同相区温度范围内进行热加工或者热处理，可以得到四种组织，分别是近γ组织，双态组织(由等轴γ+α2/γ片层团组成，本专利中发明的是另外一种双态组织)，近片层组织(<5％的γ相+α2/γ片层团)以及全片层组织(α2/γ片层团)。其中全片层组织具有优异的高温蠕变性能和断裂韧性，是最适合于工程化应用的组织。但是该种组织也增加了合金的室温脆性并增加了其热加工(例如锻造、轧制、挤压等)难度，从而大大提高了工程化应用的成本。如何同时提高tnm的室温塑性并拓宽热加工能力，已成为迫切需要解决的难题。虽然通过多步循环热处理以及多道次锻造、轧制或挤压等工艺，可以有效地细化片层组织，从而在一定程度上解决这两个问题，但其进一步增加了工艺成本，而且效果有限。有没有可能绕过片层组织，利用简单工艺得到全新的组织，在提高强度的同时，提高tnm合金的室温塑性和热加工能力，国内外目前尚无专利或者文献对此进行报道。
3.文献《technology and mechanical properties ofadvancedγ
‑
tial based alloys》报道在低于共析温度对tnm合金进行时效处理，可发生胞状反应，将片层组织转变为类珠光体组织。且研究的结果表明，片层间距越细，α2/γ片层团内贮存的界面能越高，越利于胞状反应。文献《physical metallurgy and properties ofβ
‑
solidifying tial basedalloys》对锻造的ti
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43al
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4nb
–
1mo
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0.1b(tnm)合金进行两步热处理，也在α2/γ片层团边界上观察到了少量胞状反应。目前为止，文献中所报道的胞状反应程度非常小，难以实现有效地组织调控，也对合金的性能产生的影响较小。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本申请通过两步热处理工艺，可以成功地把tnm合金的α2/γ片层团绝大部分以及全部转变成类珠光体组织，从而得到新型的三态组织和双态组织。
5.且经拉伸测试发现，相对于全片层组织(第一步固溶处理后在900℃时效3小时，随后炉冷获得)，这两种新型的显微组织大大提高了tnm合金的室温强度和塑性，并在800℃将合金的高温塑性成功提高5倍以上，如表1和表2所示。这对于解决钛铝合金室温脆性大和难以进行热加工的难题非常有利。因此，本申请得到的三态组织和双态组织的发明有助于tnm合金的工程化应用。
6.表1全片层组织，双态组织以及三态组织对应tnm合金的室温拉伸性能
[0007][0008]
表2全片层组织，双态组织以及三态组织对应tnm合金的800℃拉伸性能
[0009][0010]
本申请具体是通过以下技术方案来实现的：
[0011]
提供一种在tial合金中获得三态组织和双态组织的热处理工艺，包括以下步骤：
[0012]
将tnm合金热处理试样放入热处理炉中进行固溶处理，其中，所述固溶处理工艺为：试样随炉升温至1250
‑
1300℃温度范围内，保温1小时后，移出热处理炉，并快速冷却至室温；
[0013]
将所述固溶处理后的试样放入炉温为1000℃或1050℃的热处理炉中，保温时间为2
‑
6小时，随炉冷却至室温，即可在试样中生成双态组织或三态组织。
[0014]
作为本申请的进一步说明，所述tnm合金热处理试样为经过锻造的tnm合金试样。
[0015]
作为本申请的进一步说明，所述将tnm合金热处理试样放入热处理炉中进行固溶处理之前还包括：
[0016]
用线切割在锻造的tnm合金锻饼上切取热处理试样得到所述tnm合金热处理试样，对于圆形热处理试样，要求直径小于40mm；对于矩形热处理试样则要求宽高都小于40mm。
[0017]
作为本申请的进一步说明，所述tnm合金锻饼所采用的锻造工艺条件为：锻造温度为1170℃，工程应变量为74％，分三次进行等温锻造。
[0018]
作为本申请的进一步说明，进行所述固溶处理的热处理炉要求控温精确，封闭性较好。
[0019]
作为本申请的进一步说明，所述固溶处理工艺中将试样快速冷却至室温时，采用空冷或油淬火进行快速冷却。
[0020]
作为本申请的进一步说明，将所述固溶处理后的试样放入炉温为1050℃的热处理炉中，保温时间为2
‑
6小时，随炉冷却至室温，即可在试样中生成双态组织。
[0021]
作为本申请的进一步说明，将所述固溶处理后的试样放入炉温为1000℃的热处理炉中，保温时间为2
‑
6小时，随炉冷却至室温，即可在试样中生成三态组织。
[0022]
作为本申请的进一步说明，所述tnm合金的成分范围为ti
‑
(42
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45)al
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(3
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5)nb
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(0.1
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2)mo
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(0.1
‑
0.2)b。
[0023]
与现有技术相比，本申请具有以下有益的技术效果：
[0024]
本申请通过简单的两步热处理工艺，成功在锻造tnm合金中调控出了新型的三态
组织和双态组织，全面提高了tnm合金的室温综合性能并极大地提高了高温塑性。工艺简单，操作易行，可在工程上实现大规模产业化。
附图说明
[0025]
图1为本申请实施例1中所用锻造tnm合金试样的显微组织，放大倍数为200x；
[0026]
图2为本申请实施例1中利用两步热处理获得的双态组织，放大倍数为500x；
[0027]
图3为本申请实施例1中利用两步热处理获得的三态组织，放大倍数为500x。
具体实施方式
[0028]
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0029]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
[0030]
实施例一：
[0031]
步骤一，首先在经过锻造的tnm锻饼(锻造温度为1170℃，工程应变量为74％，分三次进行等温锻造)上切取φ10*70mm的圆柱形热处理试样。在扫描电镜上利用背散射电子表征后发现其显微组织主要由等轴的γ，α2和少量的β0相晶粒和极少量残余片层组成，如图1所示。
[0032]
步骤二，将步骤一所得圆柱形热处理试样放在控温精确，封闭性良好的热处理炉(例如1600℃管式炉)中；随炉升温至1280℃，保温1小时后空冷。待炉温降到1050℃时，再将样品放入热处理炉中，保温3小时，之后随炉冷却到室温。该步骤获得双态组织，如图2所示，经两步热处理得到的双态组织主要由约89％的类珠光体组织(pearlitic
‑
like structure)和11％的β0/γ组织组成。
[0033]
步骤三，将步骤一所得圆柱形热处理试样放在控温精确，封闭性良好的热处理炉(例如1600℃管式炉)中。随炉升温至1280℃，保温1小时后空冷。待炉温降到1000℃时，再将样品放入热处理炉中，保温3小时，之后随炉冷却到室温。该步骤获得三态组织，如图3所示，经两步热处理得到的三态组织，其主要由约25％的α2/γ片层团、67％的类珠光体组织(pearlitic
‑
like structure)和8％的β/γ组织。
[0034]
实施例二：
[0035]
步骤一，其操作方法同实施例一的步骤一。
[0036]
步骤二，将步骤一所得圆柱形热处理试样放在控温精确，封闭性良好的热处理炉(例如1600℃管式炉)中。随炉升温至1300℃，保温1小时后空冷。待炉温降到1050℃时，再将样品放入热处理炉中，保温2小时，之后随炉冷却到室温。该步骤获得双态组织。
[0037]
步骤三，将步骤一所得圆柱形热处理试样放在控温精确，封闭性良好的热处理炉(例如1600℃管式炉)中。随炉升温至1300℃，保温1小时后空冷。待炉温降到1000℃时，再将样品放入热处理炉中，保温2小时，之后随炉冷却到室温。该步骤获得三态组织。
[0038]
实施例三：
[0039]
步骤一，其操作方法同实施例一的步骤一。
[0040]
步骤二，将步骤一所得圆柱形热处理试样放在控温精确，封闭性良好的热处理炉(例如1600℃管式炉)中。随炉升温至1250℃，保温1小时后油淬火。待炉温降到1050℃时，再将样品放入热处理炉中，保温6小时，之后随炉冷却到室温。该步骤获得双态组织。
[0041]
步骤三，将步骤一所得圆柱形热处理试样放在控温精确，封闭性良好的热处理炉(例如1600℃管式炉)中。随炉升温至1250℃，保温1小时后油淬火。待炉温降到1000℃时，再将样品放入热处理炉中，保温6小时，之后随炉冷却到室温。该步骤获得三态组织。
[0042]
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。