专利名称：大尺寸铸态高铌TiAl基合金获得全片层组织的热处理方法
技术领域：
本发明属于金属材料中的金属间化合物技术领域，特别是提供了一种如何优化大尺寸铸态高铌TiAl基合金组织以获得细小均匀全片层组织的热处理方法。
背景技术：
高铌TiAl基金属间化合物利用高熔点难熔金属Nb元素的加入提高了合金的熔点和有序化温度以及高温组织稳定性，降低了扩散和层错能，提高了合金的高温强度以及改善了抗氧化性。其有极大的优点使用温度比普通γ-TiAl基金属间化合物高60～100℃、室温强度比普通γ-TiAl基合金高300～500MPa，力学性能和生产盘件的传统Ni基高温合金不相上下，而密度只有一半，几乎减少50％的重量。其抗氧化性能也明显优于普通γ-TiAl基合金，与最好的Ni基高温合金Inco713C不相上下。为此，被认为是最有潜力代替镍基高温合金的新一代高温轻质结构材料。高铌TiAl基合金的名义化学成分为Ti-(45～46)％Al-(6～9)％Nb-(W，Mn，Hf)-y％(C，B)-z％(Y，稀土)(均为原子百分比at.％)，即高Nb低Al含量，典型的含量为(6～9)Nb和(45～46)Al，微合金化利用元素C、B、Si、W、Mn和稀土元素可以进一步优化合金性能。高铌TiAl基合金的主要生产目的是代替高强Ni基高温合金在环件、盘件和高温叶片上的应用。
众所周知，和普通γ-TiAl基合金一样，高铌TiAl基合金也存在着严重的室温塑性、低的断裂韧性、材料的难加工性以及拉伸和压缩性能行为存在较大差异的一些问题。然而获得良好的综合力学性能的关键途径是获得细小均匀的全片层组织，对于高铌TiAl基合金而言，高含量Nb的加入使合金面临的元素偏析问题更为严重，另外由于合金铸锭为大尺寸，合金化元素的分布更为不均匀，也增加了偏析的严重性，实验研究表明偏析的存在对获得细小均匀的全片层组织和改善合金的力学性能极为不利。如何消除偏析并获得细小均匀的组织是获得良好的综合力学性能的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种如何消除大尺寸铸态高铌TiAl基金属间化合物合金组织中的偏析并获得细小均匀的全片层组织的热处理方法，以优化组织提高合金性能为合金的实际应用提供理论基础。
大尺寸铸态高铌TiAl基合金获得全片层组织的热处理方法，其特征在于从Ф(100～200)×(200～500)毫米的铸态高铌TiAl基合金铸锭的中心线切割出尺寸为(10×10×10)～(60×60×60)毫米范围的合金试样，未经过其它任何处理，装入坩埚后，在1350～1400℃范围将其放入热处理炉中保温6～36小时，之后将其取出立即放入炉温为900～1050℃的热处理炉中保温30～60分钟，最后从炉中取出在空气中冷却至室温。铸态高铌TiAl基合金铸锭的化学成分为Al(45～46)％，Nb(5～10)％，W(0.2～1)％，B(0.2～1)％，Y(0.01～0.1)％，余量为Ti，均为原子百分比at.％。试样进行高温退火处理，可获得片层团平均晶粒尺寸在120～250微米范围的均匀的全片层组织。
本发明是合金经熔炼后直接通过热处理获得细小均匀的全片层组织，没有经过多步包套锻造的热机械加工工艺细化组织，极大的增大了合金材料的可利用尺寸，同时也降低了铸态合金应用前的加工成本。
本发明的优点在于所获的片层团组织分布均匀、晶粒尺寸细小，高温退火热处理工艺简单，合金材料的可利用尺寸大，合金应用前的加工成本低。
图1为大尺寸铸态高铌TiAl基合金试样未经热处理前的原始组织金相照片。
图2为大尺寸铸态高铌TiAl基合金试样未经热处理前的原始组织背散射照片以及组织中的S-偏析。
图3为大尺寸铸态高铌TiAl基合金试样未经热处理前的原始组织中的β-偏析和α-偏析。
图4为大尺寸铸态高铌TiAl基合金试样在1350℃保温24小时的组织背散射照片。
图5为大尺寸铸态高铌TiAl基合金试样在1350℃保温24小时的组织金相照片。
图6为大尺寸铸态高铌TiAl基合金试样在1400℃保温12小时的组织背散射照片。
图7为大尺寸铸态高铌TiAl基合金试样在1400℃保温12小时的组织金相照片。
具体实施例方式
实施例1实验所用合金的化学成分为Al45，Nb8.5，W0.2，B0.2，Y0.02，余量为Ti(原子百分比at.％)，采用真空自耗+自耗凝壳的复合熔炼工艺熔炼而成。图1和图2显示了合金试样未经热处理前的原始组织形貌，从图中可以看出大尺寸铸态高铌TiAl基合金是由γ/α2片层团和少量分布于片层团间的γ和β(B2)晶粒组成的近片层组织。根据本课题组先前的研究，合金组织中存在三种偏析，分别定义为S-偏析(图2中的箭头已指出几个区域黑色衬度)、β-偏析和α-偏析(如图3所示)，它们的存在极大地降低了合金的力学性能。
将尺寸为10×10×10毫米的合金试样装在坩埚内放入炉温为1350℃的热处理炉中保温不同时间(6～24小时)后，取出试样立即放入炉温为900℃的热处理炉中保温30分钟，最后将试样取出在空气中冷却至室温。观察保温不同时间组织的演变过程。
实验结果表明，合金试样在1350℃保温24小时可以获得均匀的全片层组织。图4和图5显示了合金试样经上述工艺保温24小时处理后的组织形貌。图4是合金试样经处理后组织的背散射照片，与图2中的组织相比，获得了衬度一致的组织，三种偏析S-偏析、β-偏析和α-偏析完全被消除。通过金相分析，如图5所示，处理后所得组织为片层厚度细小的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸为213微米。
实施例2将与实施例1中相同合金组织、尺寸为40×40×40毫米的合金试样装在坩埚内放入炉温为1350℃的热处理炉中保温30小时后，取出试样立即放入炉温为1050℃的热处理炉中保温45分钟，最后将试样取出在空气中冷却至室温。观察保温不同时间组织的演变过程。
实验结果表明，合金试样在1350℃保温30小时可以获得均匀的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸为240微米。
实施例3将与实施例1中相同合金组织、尺寸为60×60×60毫米的合金试样装在坩埚内放入炉温为1370℃的热处理炉中保温18小时后，取出试样立即放入炉温为1050℃的热处理炉中保温45分钟，最后将试样取出在空气中冷却至室温。观察保温不同时间组织的演变过程。
实验结果表明，合金试样在1370℃保温18小时可以获得均匀的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸为185微米。
实施例4将与实施例1中相同合金组织、尺寸的合金试样装在坩埚内放入炉温为1400℃的热处理炉中保温12小时后，取出试样立即放入炉温为900℃的热处理炉中保温30分钟，最后将试样取出在空气中冷却至室温。观察保温不同时间组织的演变过程。
实验结果表明，合金试样在1400℃保温12小时可以获得均匀的全片层组织。图6和图7显示了合金试样经上述工艺保温12小时处理后的组织形貌。图6是合金试样经处理后组织的背散射照片，与图2中的组织相比，获得了衬度一致的组织，三种偏析S-偏析、β-偏析和α-偏析完全被消除。图6中白色衬度的点状和棒状组织为硼化物和钇化物。通过金相分析，如图7所示，处理后所得组织为片层厚度细小的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸为120微米。
实施例5将与实施例1中相同合金组织、尺寸为40×40×40毫米的合金试样装在坩埚内放入炉温为1400℃的热处理炉中保温16小时后，取出试样立即放入炉温为1050℃的热处理炉中保温45分钟，最后将试样取出在空气中冷却至室温。观察保温不同时间组织的演变过程。
实验结果表明，合金试样在1400℃保温16小时可以获得均匀的全片层组织，片层团平均晶粒尺寸为145微米。
权利要求
1.大尺寸铸态高铌TiAl基合金获得全片层组织的热处理方法，其特征在于从Φ100～200×200～500毫米的铸态高铌TiAl基合金铸锭的中心线切割出尺寸为10×10×10～60×60×60毫米范围的合金试样，未经过其它任何处理，装入坩埚后，在1350～1400℃范围将其放入热处理炉中保温6～36小时，之后将其取出立即放入炉温为900～1050℃的热处理炉中保温30～60分钟，最后从炉中取出在空气中冷却至室温；铸态高铌TiAl基合金铸锭的化学成分原子百分比at.％为Al45～46％，Nb5～10％，W0.2～1％，B0.2～1％，Y0.01～0.1％，余量为Ti；试样进行高温退火处理，可获得片层团平均晶粒尺寸在120～250微米范围的均匀的全片层组织。
全文摘要
本发明属于金属材料中的金属间化合物技术领域，特别是提供了一种如何优化大尺寸铸态高铌TiAl基合金组织以获得细小均匀全片层组织的热处理方法。其特征在于从Φ(100～200)×(200～500)毫米的铸态高铌TiAl基合金铸锭的中心线切割出尺寸为(10×10×10)～(60×60×60)毫米范围的合金试样，未经过其它任何处理，装入坩埚后，在1350～1400℃范围将其放入热处理炉中保温6～36小时，之后将其取出立即放入炉温为900～1050℃的热处理炉中保温30～60分钟，最后从炉中取出在空气中冷却至室温。本发明是合金经熔炼后直接通过热处理获得细小均匀的全片层组织，没有经过多步包套锻造的热机械加工工艺细化组织，极大地增大了合金材料的可利用尺寸，同时也降低了铸态合金应用前的加工成本。
文档编号C22F1/16GK101020983SQ20071006507
公开日2007年8月22日 申请日期2007年4月2日 优先权日2007年4月2日
发明者林均品, 许正芳, 徐向俊, 王艳丽, 张勇, 林志, 陈国良 申请人:北京科技大学