一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法技术

本发明专利技术公开了一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，步骤为：原材料及装置准备，加工出TiAl合金样品，并对样品进行打磨、超声波清洗、晾干，将TiAl合金样品放在感应加热线圈内，调整在感应加热线圈内的高度，样品上下端不能超过感应加热线圈高度范围，实验过程中保证TiAl合金样品处于真空或Ar气环境中；加热至1360～1420℃并保温2～10min；过冷α相低温等温处理至低温1120～1280℃，等温时间为10～50min；进一步控温至700℃冷却。本发明专利技术的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，步骤简单，不受到包晶凝固铸态TiAl合金成分影响，不需要添加细化剂元素，不需要熔化TiAl合金，也不需要对TiAl合金进行变形，所有过程在固相下实现，可以制备出近片层细晶组织，预期具有良好的力学性能。好的力学性能。好的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法


[0001]本专利技术涉及TiAl合金组织细化领域，尤其涉及一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法。

技术介绍

[0002]TiAl合金具有低密度、优良的高温强度、抗蠕变性和耐氧化腐蚀，作为一种高温结构材料，被认为是650
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1000℃范围内可以取代高温合金的唯一候选合金，是当前航空航天关注的热点，展现出了良好的应用潜力。然而，由于金属间化合物的本征脆性，TiAl合金室温塑形和加工性能较差，严重制约了其工程化发展。
[0003]目前来看，TiAl合金细化是改善其塑形、韧性的最重要途径，且近片层细晶组织展现出更为优异的综合性能。Kim等人2018年在《JOM》上发表文章《Advances in Gammalloy Materials
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Processes
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Application Technology:Successes,Dilemmas,andFuture》，明确指出细晶组织是TiAl合金设计指导、性能提升、应用发展的重要方向。陈林等人2020年在《中国材料进展》发表文章《快速冷却细化TiAl合金组织研究进展》，介绍了快速冷却方法对TiAl合金组织细化的影响，主要包括合金熔体快速凝固、β相和α相快速冷却三种途径。陈玉勇等人2008年在《金属学报》发表文章《TiAl合金显微组织细化》，介绍了通过包套轧制和板材轧制手段，来对TiAl合金进行细化，这种通过变形来细化TiAl合金的手段非常有效，而且可以降低偏析，是TiAl合组织细化领域的研究热点。苏美科等人2010年在《材料热处理学报》发表文章《热处理对铸态TiAl基合金组织细化的影响》，讨论了循环热处理对Ti
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47Al
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2Cr
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2Nb铸态合金组织的影响，通过在高温α单相区反复温度循环，实现了明显的片层组织细化。以上工作均是针对成分一定的TiAl合金，此外，通过添加细化剂也是常用的TiAl合金细化途径。哈尔滨工业大学方虹泽2018年博士论文《原位自生Ti2AlC增强TiAl合金的凝固组织演变与力学性能》，系统研究了碳元素对TiAl合金组织的细化规律和物理机制，以及带来的性能变化。西北工业大学刘懿文2017年博士论文《原位自生Ti2AlN/TiAl基复合材料组织演变及强韧化机制》，详细讨论了氮元素对TiAl合金组织细化的影响规律和作用机理。
[0004]通过上述材料可以发现，合金成分、热处理和热加工是细化TiAl合金、获得近片层组织的主要手段。按凝固路径不同，TiAl合金可分为β凝固和包晶凝固两类。需要注意的是，相比于β凝固铸态TiAl合金，对于包晶凝固铸态TiAl合金，其组织细化难度更大，这主要是由于β凝固合金在高温会发生β
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α相变，多个α相晶粒在β相中形核，其相变路径具有自细化特征，而包晶凝固TiAl合金不存在β
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α相变，因此往往形成粗大的片层团。
[0005]针对包晶凝固铸态TiAl合金组织细晶化技术：申请号为CN200810064794.2的“一种铸态TiAl基合金晶粒的细化方法”专利中公开了，在铸态TiAl合金熔体中引入脉冲电流，得到了10
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30μm晶粒尺寸的铸态组织。申请号为CN201010594268.4的“一种控制铸态TiAl基合金组织细化和硼化物形态的方法”专利中公开了，通过在液相线以下5
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20℃半固态保温，然后再进行后续固溶时效处理，获得了细小近片层组织。申请号为CN201310400551.2的“一种TiAl合金晶粒细化方法”专利中公开了，通过对包晶凝固Ti
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50Al合金在固液两相区进行
温度循环处理，使固相枝晶反复重熔，得到了细化的等轴晶组织。申请号为CN201410038432.1的“一种γ
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TiAl合金细小全片层组织制备方法”专利中公开了，通过α单相区固溶处理，结合α+γ两相区变形，制备出片层团晶粒尺寸150μm的组织，相较于原始铸态组织减小80％左右。申请号为CN202010749541.X的“一种控制TiAl合金细晶组织的形变热处理方法”专利中公开了，基于使用预变形+等温热处理手段，通过对变形量，变形速率，保温温度控制，获得了TiAl合金细晶近片层组织，片层团尺寸小于50μm。
[0006]综上，虽然相关文献和专利公开了有关包晶凝固铸态TiAl合金组织细化的方法，但是仍存在以下问题：(1)当合金中不含C、N、B等细化元素时，不能通过改变化学成分来实现TiAl合金组织细化；(2)当存在TiAl合金熔体时，由于TiAl的化学活性高，会造成坩埚材料污染合金、引入杂质和提高氧含量；(3)当需要变形时，不仅会增加工序，而且对于TiAl合金铸件，是不能应用的(变形会改变构件尺寸)；(4)由于相变路径不一样，β凝固铸态TiAl的热处理细化手段，难以使用在包晶凝固铸态TiAl合金上。
[0007]因此，有必要提出一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，已解决上述问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题在于，针对现有的制备TiAl合金细晶组织的方法，需要改变合金化学成分、需要熔化合金以及需要对合金进行变形处理，不仅工艺复杂，而且还不可控的问题，提出了一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法。
[0009]本专利技术提供的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法包括：
[0010]步骤一：原材料及装置准备：加工出圆柱状的TiAl合金样品，并对样品进行打磨、超声波清洗、晾干，将TiAl合金样品放在感应加热线圈内，调整在感应加热线圈内的高度，样品上下端不能超过感应加热线圈高度范围，实验过程中保证TiAl合金样品处于真空或Ar气环境中；
[0011]步骤二，加热并保温：开启加热电源，通过感应加热线圈，将TiAl合金控温加热至α单相区，加热速率为50～100℃/s，加热至1360～1420℃，此温度区间为α单相区温度范围靠下位置，然后进行2～10min保温；
[0012]步骤三，过冷α相低温等温处理：将处于高温α单相区保温的TiAl合金样品进行控温过冷的等温处理，控温冷却速率为80～100℃/s，冷却至低温1120～1280℃，此温度范围是α+γ两相区下部分，然后进行等温处理，等温时间为10～50min；
[0013]步骤四，进一步控温冷却：将处于α+γ两相区等温处理后的TiAl合金样品进行进一步的冷却，控温冷却速率为10～20℃/min，冷却至700℃时关闭加热电源，结束制备过程。
[0014]其中，步骤一中的装置包括石英管以及竖直设置的感应加热线圈，石英管的底部设置有螺纹连接的可旋转升高降低的底托，底托表面涂覆有Y2O3层，底托上放置TiAl合金样品，石英管的顶部以及底托的底部分别连接进气管和出气管，进气管连接Ar气源瓶，石英管外包裹耐火棉，插设于感应加热线圈内，并保证TiAl合金样品的上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，其特征在于，所述包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法包括以下步骤：步骤一：原材料及装置准备：加工出圆柱状的TiAl合金样品，并对样品进行打磨、超声波清洗、晾干，将TiAl合金样品放在感应加热线圈内，调整在感应加热线圈内的高度，样品上下端不能超过感应加热线圈高度范围，实验过程中保证TiAl合金样品处于真空或Ar气环境中；步骤二，加热并保温：开启加热电源，通过感应加热线圈，将TiAl合金控温加热至α单相区，加热速率为50～100℃/s，加热至1360～1420℃，此温度区间为α单相区温度范围靠下位置，然后进行2～10min保温；步骤三，过冷α相低温等温处理：将处于高温α单相区保温的TiAl合金样品进行控温过冷的等温处理，控温冷却速率为80～100℃/s，冷却至低温1120～1280℃，此温度范围是α+γ两相区下部分，然后进行等温处理，等温时间为10～50min；步骤四，进一步控温冷却：将处于α+γ两相区等温处理后的TiAl合金样品进行进一步的冷却，控温冷却速率为10～20℃/min，冷却至700℃时关闭加热电源，结束制备过程。2.根据权利要求1所述的包晶凝固铸态TiAl合金细晶组织调控方法，其特征在于，所述步骤一中的装置包括石英管以及竖直设置的感应加热线圈，所述石英管的底部设置有螺纹连接的可旋转升高降低的底托，底托表面涂覆有Y2O3层，底托上放置TiAl合金样品，所述石英管的顶部以及底托的底部分别连接进气管和出气管，所述进气管连接Ar气源瓶，所述石英管外包裹耐火棉，插设于所述感应加热线圈内，并保证...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨劼人，刘颖，叶金文，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：