专利名称:钛铝基合金晶粒细化的方法
本发明属于金属热处理领域。主要适用于钛铝基合金的晶粒细化。
钛铝基合金由于具有优异的高温蠕变比强度和比刚度，以及良好的抗氧化性能，被认为是较理想的航空航天用材料，可用于制造航空航天发动机零部件，如涡轮盘、叶片及滚珠等，也可用于地面动力系统，如汽车、坦克发动机增压涡轮、排气阀、活塞等高温零部件。但由于该类合金固有的室温本征脆性严重，未能得到实际应用。
为此，各国都在争相研究提高钛铝基合金室温塑韧性的工艺(如日本特开平1-255632、特开平1-259139、特开平1-312048，美国专利US4879092、US4842819)。这些研究结果表明，具有全片层组织(Lamellar)的钛铝基合金具有较高的室温韧性，但该片层组织的晶粒粗大，致使室温塑性仍很低。为了细化晶粒，可在片层中引入γ相，从而得到片层组织+γ相的复相细晶组织。这种复相细晶组织虽有较高的塑性，但由于γ相抗裂纹扩展能力低下，使其韧性极差，远达不到工程上实用的要求。只有晶粒细小的全片层组织的钛铝基合金既可获得较高的室温塑性，又具有良好的韧性，使该类合金的实用化成为现实。
现有的获得晶粒细小的片层组织的方法有如下三种①高温α相区变形法该方法是使合金在α相区(相当于1300～1400℃)进行等温变形，随之保温，发生再结晶。该方法虽能得到一定细化程度的片层组织，但由于α相变形区温度过高，在1300℃以上进行恒温变形，如锻造，这对工艺设备提出了十分苛刻的要求，即工艺设备上较困难;另一方面，也提高了生产成本(《日本金属学会志》，第56卷，第10号(1992)，P1118)。
②α→γ循环热处理法该方法是在β相区(约1400～1470℃)和α相区(约1300～1400℃)之间多次(10次以上)循环反复热处理，α相和β相各自形核长大，反复多次，达到细化晶粒的目的。此方法虽也能取得一定效果，但也存在处理温度太高，已接近合金的熔点，操作困难，另外，所需循环次数太多，工艺复杂，成本高(日本专利特开平4-235263，特开平4-235262)。
③引入高熔点相法该方法是在合金冶炼过程中，加入Ti、B、N等元素，这些元素形成高熔点的化合物(如TiN、TiB2等)，这些化合物颗粒细小，弥散地分布在合金中，它们可以阻碍随后合金处理过程中的晶粒长大。此方法对提高塑性并不理想，因所引入相(化合物)本身就是脆性相，而且常常处于晶界，其结果反而使合金的塑性降低(《日本金属学会春期大会演讲概要》，1992，P327)。
本发明的目的在于提供一种能有效细化各种钛铝基合金晶粒的钛铝基合金晶粒细化的方法。
为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案首先对冶炼完的合金锭在900～1250℃进行恒温锻造或热挤压预处理;经预处理后的合金在γ+α2相区进行再结晶处理，其处理温度为700～1120℃范围，时间3～30小时，使之充分再结晶;随后在α相区进行均匀化处理，其处理温度1260～1350℃，时间10分钟～4小时，上述过程完成了一次晶粒细化的处理，为了进一步细化晶粒，需进行两次或两次以上的晶粒细化处理工序。即在完成一次细化处理之后，继续在γ+α2相区再结晶(为叙述方便，本文把第二次及以后各次细化处理工序的γ+α2相区热处理也统称为γ+α2相区再结晶处理)，γ和α2晶粒又要在一次细化处理后的α相(即片层)晶界上重新形核、长大，得到更为细小的等轴γ晶粒和少量的等轴α2晶粒，然后，再进行α相区均匀化，α晶粒又在γ晶粒内再形核、长大，最后得到十分细小的α晶粒，冷却下来即可得到细小的片层组织。这样，就完成了二次晶粒细化处理。可以继续重复以上工序，进行多次晶粒细化处理。
在上述晶粒细化处理过程中，预处理的目的是为了破坏粗大的铸造组织，为随后的工序创造条件。在γ+α2相区进行再结晶处理，也是为了能较好地控制晶粒长大速度，使预处理变形后组织再结晶时，晶粒不会过分长大，保证随后工序的晶粒有效细化的效果。在α相区均匀化处理过程中，由于α相及组织原先存在的γ相晶粒没有组织遗传性，α相形成必须经过一个形核、长大的过程，合金在均匀化前的组织中，有大量均匀分布的γ晶界，这些晶界都成为α相优先形核的位置，α相大量的、均匀形核的结果，使α相晶粒长大过程中互相制约，彼此阻止晶粒长大。如此处理后，α相晶粒就非常细小。另外，由于合金在预处理过程中所储存的变形能在γ+α2相区再结晶过程中已基本被释放，使得α相区均匀化处理时，α相相变的驱动力就较小了，致使α相晶粒的形核、长大速度较慢，晶粒尺寸得到了较好的控制。
本发明试验证明，一次晶粒细化处理就可使晶粒明显地细小化，其晶粒尺寸比未经细化处理前下降70%以上。第二次晶粒细化处理后，晶粒已充分细化，晶粒尺寸可达到小于30μm。第三次晶粒细化处理的效果就不明显了。
与现有技术相比，本发明的主要优点如下①晶粒细化效果显著，如表1所示。
②晶粒细化工艺简单，操作方便。
③成本低。
表1、本发明与现有技术的晶粒细化处理结果的比较细化方法 细化结果 经细化处理后的片层晶粒尺寸μm本发明 20～30高温α相区变形法 40～150α→γ循环热处理法 12～19引入高熔点相法 40以上未经晶粒细化处理 200以上实施例根据本发明所述的晶粒细化方法，对三种钛铝基合金进行了晶粒细化处理。
首先在2kg真空感应炉上冶炼了三炉钛铝基合金，其具体的化学成分如表2所示。冶炼完毕，都浇铸成φ50×120mm铸锭。铸锭经加热炉加热后，进行恒温锻造，即进行预处理。预处理后随即进行一次细化处理先在γ+α2相区再结晶处理，随后在α相区进行均匀化处理，处理完毕后冷却，这就完成了一次晶粒细化处理。接着又进行了第二次晶粒细化处理。其中第3号合金还进行了第三次晶粒细化处理。每次处理后，均测量了合金片层组织的晶粒尺寸。
实施例使合金所进行的预处理、γ+α2相区再结晶处理和α相区均匀化处理的工艺参数，以及每次处理后的晶粒尺寸如表3所示。
表2实施例合金的化学成分(重量%)炉号 元素 Al Cr V Mg Ti1 33.8 2.0 4.5 / 余量2 32.2 2.0 4.0 0.002 余量3 34.3 / / / 余量表3 实施例合金晶粒细化处理的工艺参数及晶粒尺寸工艺 炉号 1 2 3预处理 950℃恒温锻造 1200℃恒温锻造 1050℃恒温锻造一次晶粒 γ+a2相区再结晶 950℃8小时 1060℃8小时 800℃10小时细化处理 α相区均匀化 1270℃2小时 1290℃1小时 1350℃0.5小时一次晶粒细化处理 50μm 55μm 51μm后片层晶粒尺寸二次晶粒 γ+a2相区再结晶 1120℃5小时 750℃16小时 960℃12小时细化处理 α相区均匀化 1280℃2小时 1320℃0.5小时 1300℃1小时二次晶粒细化处理 20μm 22μm 29μm后片层晶粒尺寸三次晶粒 γ+a2相再结晶 / / 1000℃24小时细化处理 α相区均匀化 / / 1290℃0.5小时三次晶粒细化处理 26μm后片层晶粒尺寸
权利要求
1.一种钛铝基合金晶粒细化的方法，其特征在于具体的工艺包括A、首先对冶炼完的合金锭在900～1250℃进行恒温锻造或热挤压预处理；B、经预处理后的合金在γ+α2相区进行再结晶处理，处理温度为700～1120℃，时间为3～30小时；C、再结晶处理后在α相区进行均匀化处理，其处理温度为1260～1350℃，时间为10分钟～4小时。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于晶粒细化处理的具体工艺A、B、C三个步骤需进行两次或两次以上。
专利摘要
本发明属于金属热处理领域，适用于钛铝基合金晶粒细化。其主要特征是合金冶炼完后，首先在900～1250℃进行恒温锻造或热挤压预处理；之后，合金在γ+α
文档编号C22F1/18GKCN1030404SQ93117942
公开日1995年11月29日 申请日期1993年9月30日
发明者石建东, 邹敦叙, 马万青 申请人:冶金工业部钢铁研究总院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan