一种变形TiAl合金组织性能精确控制方法与流程

本发明属于高温结构材料热加工制备技术领域，特别是提供了TiAl合金热加工变形过程中组织性能的控制方法。

研究背景

航空航天领域的飞速发展，对材料的性能要求也越来越高。特别对高温结构材料，一方面要求其耐热温度越来越高，另一方面需要减轻其重量。目前所使用的高温钛合金，耐热温度有限。而镍基高温合金密度较大，不能满足减重需求，因此，研究新型轻质高温结构材料迫在眉睫。

TiAl合金具有密度低、高温强度高、抗蠕变和抗氧化能力优异的特点，被认为是在650～900℃替代镍基高温合金的理想材料。目前在航空、航天发动机的隔板和壳体、航天飞机的热区蒙皮上广泛使用的镍基高温合金，普遍存在密度偏大、比强度不足等缺点，限制了高性能飞行器的发展。TiAl合金作为一种轻质高温结构材料，应用前景广阔。但由于TiAl合金属于金属间化合物，室温和高温可加工性都比较差，严重制约了TiAl合金的广泛应用。

当前TiAl合金热加工成形技术呈现多元化发展趋势，主要方法仍是冶金铸锭法和粉末冶金法。采用冶金铸锭法制备加工TiAl合金，需要先熔炼制备出TiAl合金铸锭，随后采用热等静压和均匀化退火处理消除铸锭中的微观孔洞、疏松和成分偏析等组织缺陷，然后在一定温度区间((α+γ)两相区)和一定应变速率(<10^-2s^-1)条件下，采用一次或多次锻造来细化铸造组织。通常锻造的总体变形量达到80％以上。在随后的轧制过程中，板材的轧制温度区间一般选择在(α+γ)两相区。轧制时要充分考虑轧制速度和道次变形量两个工艺参数。轧制速度太快，道次变形量过大，板材易发生开裂现象，导致轧制失败。若轧制速度太慢，温度散失又太快，从而使得TiAl合金材料的变形抗力提高，板材也容易发生开裂现象。采用粉末冶金法制备TiAl合金板材，与冶金铸锭法相比，增加了锻造之前的粉末制备，以及粉末包套封焊后热等静压处理环节，之后的锻造和轧制也在(α+γ)两相区进行。在(α+γ)两相区热机械处理后，TiAl合金组织一般为双态组织，根据应用需求会进行相应的热处理。TiAl合金通过热处理，可以得到四种典型的显微组织：近γ(NG)、双态(DP)、近片层(NFL)和全片层(FL)组织。

在高于共析温度的α+γ两相区退火并随后缓慢冷却至室温可形成近γ组织，冷却后它由γ等轴晶和少量分布在γ相晶界的α₂相组成。当在合金α+γ两相区热处理，α和γ相体积分数大致相等时，冷却后形成由γ晶粒和α₂/γ片层组成的双态组织。当退火温度达到α转变温度以下10℃左右时，经冷却后形成近片层组织，这时组织中γ晶粒体积分数很少，为α₂+γ片层和少量分布于片层团间的等轴γ晶粒组成的NL组织。在α转变温度以上，即α单相区进行热处理并缓慢冷却可形成全片层组织。由于在α单相区热处理时温度较高，且没有第二相的钉扎作用，α相会迅速长大，最终得到完全由α₂+γ片层构成的FL组织，同时由于片层团尺寸较大，其塑性变得很差。

在这几种典型组织中，双态组织由于晶粒细小，具有较高的强度和室温塑性，但是断裂韧性很低；近γ组织的抗拉强度和塑性低于双态组织；全片层和近片层组织由于片层团尺寸较大，其抗拉强度和塑性均较低，而均匀细小的全片层组织具有较好的塑性和断裂韧性，综合力学性能最好。因此，获得均匀细小的全片层组织是目前研究的热点与目标。

目前TiAl合金热加工温度一般在(α+γ)两相区，热加工后获得双态组织。之后需要进行近片层或全片层热处理，从而提高TiAl合金的断裂韧性以及抗蠕变能力。

技术实现要素：

本发明提出一种变形TiAl合金的组织性能控制方法，即通过控制热加工变形过程中的变形温度，精确控制变形后合金的显微组织，得到近γ、双态、近片层和全片层组织。TiAl合金组织和性能在热变形过程中加以控制，省掉了热变形后的热处理环节，减少了工序。同时，所制备的变形组织细小均匀，兼具强度和塑形优势，是一种短流程、高性能的TiAl合金热加工制备方法，具有广阔的应用前景。

一种变形TiAl合金组织性能精确控制方法，其特征在于直接将TiAl合金坯料加热至不同的变形温度，保温一段时间后进行热变形加工；通过控制热变形温度，得到近γ、双态、近片层和全片层四种典型TiAl合金显微组织，进而获得不同力学性能的TiAl合金变形件。具体的，在α+γ两相区下端热变形(T_e≤变形温度＜T_e+1/3(T_α-T_e))，热变形后获得近γ组织；在α+γ两相区中段热变形(T_e+1/3(T_α-T_e)≤变形温度＜T_e+2/3(T_α-T_e))，获得由γ晶粒和α₂/γ片层组成的双态组织；在α+γ两相区上段热变形(T_e+2/3(T_α-T_e)≤变形温度＜T_α)，获得α₂/γ片层和少量等轴γ晶粒组成的NL组织；在α转变温度以上热变形(T_α≤变形温度＜T_α+(30～50)℃)，获得α₂/γ全片层组织；其中T_e为α→α₂+γ的共析温度，T_α为进入α单相区的温度。

本发明控制方法适用于利用冶金铸锭法，精确控制热加工过程中TiAl合金组织性能，同时也适用于利用粉末冶金法，精确控制热加工过程中TiAl合金组织性能；其中热加工方法包括锻造、挤压、轧制过程。

所述的TiAl合金为Beta凝固型TiAl合金和Alpha凝固型TiAl合金；Beta凝固型TiAl合金包括：Ti-(43-45)Al-(2-9)Nb-(0-6)(Mn,Cr,Mo,V)-(0-0.4)(B,C)；Alpha凝固型TiAl合金包括：Ti-(45-48)Al-(0-7)Nb-(0-4)(Cr,Mn)-(0-0.4)(B,C)。

这些TiAl合金，一般选择在(α+γ)双相区中间段进行热加工，获得双态组织，然后进行近片层或全片层热处理。

本发明的优点在于：

1.通过控制热变形温度从而精确控制TiAl合金的组织和性能。通过这种方法可以获得之前通过热处理才能获得的典型的TiAl合金组织，即近γ、双态、近片层和全片层组织。坯料在变形过程中，组织性能精确控制，省去了变形TiAl合金的后续热处理后续，简化了流程。

2.通过热变形过程中在线控制TiAl合金组织的方法，可以获得均匀细小的组织，同时提高板材的强度和塑形。这种均匀细小的组织包括近γ、双态、近片层和全片层组织。特别对于细小的近片层和全片层组织而言，此方法突破了变形TiAl合金后续热处理方法难以获得细小全片层组织的技术瓶颈。

3.本方法适用于变形TiAl合金，特别是基于热处理调控可获得四种典型组织的TiAl合金，包括利用冶金铸锭法热变形加工TiAl合金，也包括利用粉末冶金法热变形加工TiAl合金。由于简化了流程，控制方法简单易行，适用于规模化生产。

附图说明

图1 TiAl合金热变形组织控制示意图，温度区间1表示在α+γ两相区下段热变形(T_e≤变形温度＜T_e+1/3(T_α-T_e))，2表示在α+γ两相区中段热变形(T_e+1/3(T_α-T_e)≤变形温度＜T_e+2/3(T_α-T_e))，3表示在α+γ两相区上段热变形(T_e+2/3(T_α-T_e)≤变形温度＜T_α)，4表示在α转变温度以上热变形(T_α≤变形温度＜T_α+(30～50)℃)，在这四个温度区间热变形后获得的变形组织分别对应近γ、双态、近片层和全片层组织。

图2 TiAl合金不同温度区间热变形所获得的典型的显微组织：(a)近γ、(b)双态、(c)近片层、(d)全片层

图3 TiAl合金薄板典型室温力学性能(As-Cast：铸态，NFL：近片层组织，DP：双态组织，NG：近γ组织)。

具体实施方式

实施例1

以高Nb-TiAl合金为例，合金名义成分为Ti-45Al-8.5Nb(原子百分比)，经等离子冷床炉熔炼制成合金锭。从合金锭中切取坯料，进行等温锻造后切取热轧坯料。切取的热轧坯料，用304不锈钢作为包套，采用三明治结构包裹后进行焊接。

热轧温度选择α+γ两相区下段，如附图1温度区间1。本实施例选取1230℃，保温1h后开轧。每道次轧制后回炉加热，回炉保温时间20～30min，每道次压下量20～30％，应变速率控制在1～5s^-1，轧制5道次后回炉冷至900℃，保温1h后空冷至室温。利用机加工方法去除包套材料，得到TiAl合金轧制板材。表面质量良好，无开裂。其显微组织为均匀细小的近γ组织，如附图2(a)所示。板材具有较高的室温强度和良好的室温塑性，如附图3所示。在950～1100℃，应变速率2×10^-4～5×10^-4s^-1条件下板材具有良好的超塑性变形能力。

实施例2

以高Nb-TiAl合金为例，合金名义成分为Ti-45Al-8.5Nb(原子百分比)，经等离子冷床炉熔炼制成合金锭。从合金锭中切取坯料，进行等温锻造后切取热轧坯料。切取的热轧坯料，用304不锈钢作为包套，采用三明治结构包裹后进行焊接。

热轧温度选择α+γ两相区中段，如附图1温度区间2。本实施例选取1250℃，保温1h后开轧。每道次轧制后回炉加热，回炉保温时间20～30min，每道次压下量20～30％，应变速率控制在1～5s^-1，轧制5道次后回炉冷至900℃，保温1h后空冷至室温。利用机加工方法去除包套材料，得到TiAl合金轧制板材。表面质量良好，无开裂。其显微组织为均匀细小的双态组织，如附图2(b)所示。板材具有较高的室温强度和良好的室温塑性，如附图3所示。在950～1100℃，应变速率2×10^-4～5×10^-4s^-1条件下板材具有良好的超塑性变形能力。

实施例3

以高Nb-TiAl合金为例，合金名义成分为Ti-45Al-8.5Nb(原子百分比)，经等离子冷床炉熔炼制成合金锭。直接从合金锭中切取热轧坯料。切取的热轧坯料，用304不锈钢作为包套，采用三明治结构包裹后进行焊接。

热轧温度选择α+γ两相区上段，如附图1温度区间3。本实施例选取1300℃，保温1h后开轧。每道次轧制后回炉加热，回炉保温时间20～30min，每道次压下量20～30％，应变速率控制在1～5s^-1，轧制5道次后回炉冷至900℃，保温1h后空冷至室温。利用机加工方法去除包套材料得到TiAl合金轧制板材，表面质量良好，无开裂。其显微组织为均匀细小的近片层组织，如附图2(c)所示。板材具有较高的室温强度和良好的室温塑性，如附图3所示。板材具有优异的高温强度，800℃时抗拉强度超过850MPa。

实施例4

以高Nb-TiAl合金为例，合金名义成分为Ti-45Al-8.5Nb(原子百分比)，经等离子冷床炉熔炼制成合金锭。直接从合金铸锭中切取热轧坯料。切取的热轧坯料，用304不锈钢作为包套，采用三明治结构包裹后进行焊接。

热轧温度选择在α转变温度以上，如附图1温度区间4。本实施例选取1320℃，保温1h后开轧。每道次轧制后回炉加热，回炉保温时间20～30min，每道次压下量20～30％，应变速率控制在1～5s^-1，轧制5道次后回炉冷至900℃，保温1h后空冷至室温。利用机加工方法去除包套材料，得到TiAl合金轧制板材，表面质量良好，无开裂。其显微组织为均匀细小的全片层组织，片层团平均尺寸小于100μm，如附图2(d)所示。板材具有优异的高温强度，800℃时抗拉强度超过850MPa。