TiAl合金铸件及其处理工艺的制作方法

本发明涉及TiAl合金铸件及其处理工艺。

背景技术：

TiAl合金是基于金属间化合物的轻质高强耐高温抗腐蚀合金。其耐高温和抗腐蚀的程度与合金成分有关，但对于目前航空发动机上使用的TiAl合金(主要用在的低压涡轮转子叶片等需要耐高温的部件)，其最高使用温度一般不超过650℃。为了提高发动机的工作效率、降低能耗、减少污染物排放，提高发动机燃烧室出口温度和减轻发动机重量是发动机设计的重要途径。因此，TiAl合金由于其自身材料性能的优势在航空发动机低压涡轮叶片等零件的应用越来越受重视。但随着相关产品需承受的温度越来越高，工作环境越来越复杂，TiAl合金的应用范围逐渐扩大，TiAl合金的抗氧化能力和抗腐蚀能力逐渐变成限制其工程化应用的重要障碍。

为此，有关提高TiAl合金抗氧化和抗腐蚀能力的研究已成为该领域的研究热点，并已有一些进展。这些研究主要集中在通过表面涂层或改性来提高TiAl合金的抗氧化和抗腐蚀能力。比如：

专利CN1142113C中提到了表面涂覆搪瓷涂层，该涂层是将搪瓷粉放入无水乙醇中充分搅拌，然后喷涂于试样表面，经烘干后烧结而成。

专利CN1789486A中提到一种利用在TiAl合金表面形成一铝薄膜，然后在合金表面进行扩散处理以形成一TiAl3层，从而提高合金的抗氧化性能。

专利CN1087788C中提出可以将TiAl合金工件浸入质量百分比浓度为60～90％的磷酸水溶液进行处理的改性工艺，来提高工件的抗氧化能力。

目前，类似的提高TiAl合金抗氧化性和抗腐蚀性的研究都是基于材料表面涂层或改性，但是从工程的角度来讲，表面涂层或改性都存在增加生产工序、生产周期和生产成本的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种TiAl合金制备工艺，其能减少生产工序。

本发明的另一目的在于提供一种TiAl合金铸件，其具有自生的保护层。

一种TiAl合金铸件，包括保护层，所述保护层用于抗氧化和抗腐蚀，其中，所述保护层为γ-TiAl层。

优选地，所述保护层厚度为1～50μm。

一种TiAl合金的制备工艺，包括对铸件进行热等静压，其特征在于，利用所述热等静压在所述铸件的表面自生一层保护层，所述保护层为γ-TiAl层。

优选地，所述热等静压包括如下工艺参数：

温度：1200～1260℃；

保温时间：1～4h；

压力：140-160MPa；

气体介质：保护性气体在热等静压过程中的氧分压1×10^-3～1×10^-2atm。

优选地，所述保护性气体为Ar气。

优选地，所述铸件的所述表面在所述热等静压之前进行过吹砂、磨削或者电解抛光处理。

优选地，所述吹砂的压力控制在2-5atm之间。

优选地，该TiAl合金铸件的合金成分范围为：Ti：余量，Al：45～49，(Cr,Mn,V)：0～2，(Nb,W,Mo)：0.5～5，(B，C)：0～1。

本发明在不增加TiAl合金铸件产品制备周期和制备成本的基础上，提供了TiAl合金的抗氧化和抗腐蚀保护层，因此提高TiAl合金的抗氧化性和抗腐蚀性。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为一比较例中TiAl合金铸造组织的显微照片；

图2为本发明实施例1中TiAl合金铸造组织的显微照片；

图3为本发明实施例2中TiAl合金铸造组织的显微照片；

图4为本发明实施例3中TiAl合金铸件热等静压前的表面显微组织照片；

图5为本发明实施例4中TiAl合金铸件热等静压前的表面显微组织照片；

图6为本发明实施例5中TiAl合金铸件热等静压前的表面显微组织照片；

图7为本发明实施例3中TiAl合金铸件在热等静压之后表面显微组织照片；

图8为本发明实施例4中TiAl合金铸件在热等静压之后表面显微组织照片；

图9为本发明实施例5中TiAl合金铸件在热等静压之后表面显微组织照片；

图10为本发明实施例6中TiAl合金铸件在上述热等静压之后的表面显微组织照片；

图11为本发明实施例7中TiAl合金铸件在上述热等静压之后的表面显微组织照片；

图12为本发明实施例8中TiAl合金铸件在上述热等静压之后的表面显微组织照片；

图13本发明实施例9中TiAl合金铸件在上述热等静压之后的表面显微组织照片；

图14为本发明实施例10中TiAl合金铸件表面组织的在盐雾试验之后的显微照片；

图15为一比较例中TiAl合金铸件表面组织的在盐雾试验之后的显微照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1所示的典型的TiAl合金铸造组织，其为全片层组织，由γ-TiAl相和α₂–Ti₃Al相交替组成，以低压涡轮叶片为例，其内部的气孔、疏松、缩孔等闭合缺陷1，通常采用热等静压工艺对铸件进行热等静压处理。

在后述实施例的TiAl合金制备工艺中，TiAl合金成分范围(原子百分比)为：Ti-(余量)；Al–(45～49)；(Cr,Mn,V)–(0～2)；(Nb,W,Mo)–(0.5～5)；(B，C)–(0～1)。TiAl合金铸件脱模之后，经表面吹砂、清洗、干燥等工序之后，进行X-射线、荧光渗透等检验，剔除因冶金缺陷、表面质量等问 题不符合要求的铸件。然后将符合要求的TiAl合金铸件进行热等静压处理。在热等静压之后，对TiAl合金的表面进行吹砂处理，清除表面疏松的氧化层和Ti元素富集的表面层(主要由α₂–Ti₃Al相构成)。表面吹砂处理之后，通过压缩空气进行表面清洗。在后述实施例中，主要对热等静压进行说明。由于后述各实施例，通过控制合适的热等静压参数和其他影响因素，在消除铸件内部缺陷的同时，可以在TiAl合金铸件的近表面形成一层Al元素富集的γ-TiAl层，起到提高合金抗氧化和抗腐蚀能力的目的。工程上使用的TiAl合金主要含有两个相，γ-TiAl和α₂–Ti₃Al，但γ-TiAl由于含有更多的Al元素而具有更好的抗氧化性和抗腐蚀性。根据本发明的各实施例，在热等静压过程中，保护性气体气氛和温度对TiAl合金铸件试样的近表面γ-TiAl层的形成非常关键，保护性气体一般是氩气，在本发明的其他实施例中，保护性气体还可以是其他惰性气体。要形成纯γ-TiAl的抗氧化和抗腐蚀保护层，热等静压过程中，氩气中的氧分压一般控制1×10^-3～2×10^-3atm之间，温度一般控制在1200～1260℃。热等静压的温度一般不超过1260℃，避免引起内部组织的变化，影响TiAl合金铸件材料的性能。根据本发明的各实施例，在一定的氩气气氛和温度下，γ-TiAl层的厚度主要取决于热等静压的时间和TiAl合金铸件的表面状态。热等静压的时间越长，γ-TiAl层的厚度越大，但是时间太长，γ-TiAl层容易因充分氧化而丧失，因此，热等静压的时间不宜过长。

另外，增加铸件表面的变形程度也可以提高γ-TiAl层的厚度。磨削的铸件表面经热等静压后比吹砂表面在热等静压之后形成的γ-TiAl层要厚。同样，吹砂表面在热等静压之后比电解抛光表面在热等静压之后的γ-TiAl层要厚。但对于精密成型的铸件，如果表面不需要加工，一般用吹砂来处理铸造表面，一方面，可以去除铸造表面的污染层，另一方面，还可以给铸造表面引入一定量的变形和表面压应力。吹砂的压力越大对铸造表面在热等静压之后形成γ-TiAl层越有利，吹砂的压力一般控制在2～5atm。

热等静压之后，表面的氧化层和疏松的Ti富集层由吹砂可以很容易去除，从而在TiAl合金的铸件表面形成一层Al元素富集的γ-TiAl保护层。从技术的角度来讲，表面涂层或改性而形成的表面抗氧化和抗腐蚀涂层与的基体的结合强度往往低于基体本身的强度，存在使用过程中提前脱落的风险。根据本发明,由热等静压过 程中自生而成γ-TiAl保护层，其与基体的结合强度高，基本上与基体自身强度一样。

实施例1

热等静压之前的TiAl合金铸件试样经过电解抛光处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1260℃；

保温时间：1h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压1×10^-3～1×10^-2atm)

TiAl合金铸造组织的显微照片如图2所示。1h热等静压之后在试样的表面形成1μm～3μm厚的γ-TiAl层(最外面的氧化物层除外)2，即用于抗氧化、抗腐蚀的保护层2。

实施例2

热等静压之前的TiAl合金铸件试样经过电解抛光处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1260℃；

保温时间：4h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压1×10^-3～1×10^-2atm)

TiAl合金铸造组织的显微照片如图3所示。4h热等静压之后在试样的表面形成稳定的20μm～50μm厚的近表层，即γ-TiAl层2，最外面的依次是氧化物层4和富Ti元素的疏松层3，可以很容易用吹砂去除，γ-TiAl层2为用于抗氧化、抗腐蚀的保护层。

从实施例1、实施例2可以看出热等静压的时间越长，γ-TiAl层2的厚度越厚，但是热等静压超过4小时后，γ-TiAl层2的厚度变化将不明显。

实施例3

图4所示的铸件表面在热等静压之间进行过磨削处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1260℃；

保温时间：4h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压1×10^-3～1×10^-2atm)

图4所示的TiAl合金铸件表面组织在热等静压之后的显微照片如图7所示。

实施例4

图5所示的铸件表面在热等静压之间进行过吹砂处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1260℃；

保温时间：4h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压1×10^-3～1×10^-2atm)

图5所示的TiAl合金铸件表面组织在热等静压之后的显微照片如图8所示。

实施例5

图6所示的铸件表面在热等静压之间进行过电解抛光处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1260℃；

保温时间：4h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压1×10^-3～1×10^-2atm)；

图6所示的TiAl合金铸件表面组织在热等静压之后的显微照片如图9所示。

从实施例3至实施例5可以看出，在热等静压之前铸件表面变形程度越大，热等静压之后γ-TiAl层的厚度越厚。

实施例6

热等静压之前的TiAl合金铸件试样经过电解抛光处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1260℃；

保温时间：4h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压低于1×10^-3atm)

TiAl合金铸件在上述热等静压之后的表面显微组织如图10所示，其中无γ-TiAl层，因为试样在热等静压过程中，在坩埚内放入了海绵钛，起吸收氧气的作用，热等静压过程中氩气的氧分压低于1×10^-3atm。

实施例7

热等静压之前的TiAl合金铸件试样经过电解抛光处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1260℃；

保温时间：4h；

压力：大气压；

气体介质：空气

TiAl合金铸件表面显微组织如图11所示，其有很厚的氧化层，无γ-TiAl层，空气氧化处理过程，氧分压为0.2atm。

实施例8

热等静压之前的TiAl合金铸件试样经过电解抛光处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：900℃；

保温时间：4h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压1×10^-3～1×10^-2atm)

TiAl合金铸造组织的显微照片如图12所示，热等静压之后的试样表面无γ-TiAl层。

实施例9

热等静压之前的TiAl合金铸件试样经过电解抛光处理。

热等静压处理的主要参数为：

温度：1100℃；

保温时间：4h；

压力：150MPa；

气体介质：Ar气(热等静压过程中氧分压1×10^-3～1×10^-2atm)

TiAl合金铸造组织的显微照片如图13所示，热等静压之后的试样表面无γ-TiAl层。

在其它实施例中，当温度低于1200℃时，一般不会形成γ-TiAl层。

实施例10

图14所示的是TiAl合金铸件经盐雾腐蚀之后的状态，其腐蚀前带有γ-TiAl层2。经650℃的盐雾试验是将TiAl合金铸件的试样浸泡在NaCl和硫化物的混合溶液中，其中NaCl的沉积速率为0.75μg/cm²/h，硫化物的浓度为100ppm，浸泡时间为200h，可以看出在烟雾试验之后仍然保留有完整的γ-TiAl层2。

图15所示的比较例中，TiAl合金铸件经盐雾腐蚀之后的状态，其腐蚀前不带有γ-TiAl层。因无γ-TiAl层，在经同样条件的盐雾试验后，形成了锯齿状的表面结构，对材料的力学性能会有较大影响。

随着航空发动机燃烧室出口温度的提高，以及TiAl合金应用范围的扩大，需要TiAl合金承受的温度越来越高，并且航空发动机的工作环境也有一定的腐蚀性，尤其是需要跨洋飞行的发动机和海边机场停靠的发动机都需要承受一定程度的海水环境腐蚀。依据本发明的TiAl合金能提高抗氧化性和抗腐蚀性，从而能提高TiAl合金在航空发动机工作的安全系数和使用范围。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任 何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。