[發明專利]一種鑄造鈦合金晶粒細化的方法

有效

• 申請號: 201310410919.3
• 申請日: 2013-09-10
• 公開（公告）號: CN103484701A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 寇宏超;張守銀;李金山;王軍;楊光;胡銳
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C22C1/03
• 分類號: C22C1/03;C22C14/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

技術領域

本發明涉及金屬凝固制造領域，具體為一種通過控制凝固路徑過程實現鈦合金晶粒細化的方法。

背景技術

鈦合金由于具有高強度、優異的耐熱性能及抗腐蝕性能，在航空、航天、汽車制造等領域發揮著重要的作用。然而，高的成本限制了鈦合金的廣泛使用。鈦合金精密鑄造是一種近凈成形的方法，相對于其他方法，極具成本優勢。精密鑄造過程中，由于鈦及其合金凝固過程中晶體生長的速度大于晶核形成的速度，造成鈦和鈦合金傾向于形成粗大的晶粒組織。另外，鈦合金熔點高、化學活性強、導熱性差，導致鈦及其合金鑄件組織粗大、均勻性差。

眾所周知，合金的機械性能受組織的影響顯著，均勻細小的晶粒有助于提高鈦鋁合金的塑形及其加工性能。目前，用于鈦合金晶粒細化的方法主要有：合金化、鈦粉細化、熱加工、特殊熱處理等等。

合金化法：《Beryllium?as?a?grain?refiner?in?titanium?alloys》、《The?mechanism?of?grain?refinement?of?titanium?by?silicon》等文獻報道了B、Si、Be等元素對鈦合金具有細化晶粒的效果。通過添加B、Si、Be等元素可引起大的成分過冷，成分過冷造成了固液界面的不穩定性增加，提供了形核的驅動力，同時在一定程度的限制了α晶團的生長，從而使鈦合金的晶粒細化。但添加B、Si、Be等元素時容易引入外來夾雜，而鈦合金對成分極為敏感，會造成鈦合金結構件的力學性能惡化。

包晶細化：《Grain?Refinement?of?Titanium?Alloys》和美國專利（專利號：US4,420,460）報道了通過包晶反應對鈦合金晶粒尺寸的影響。由于C,N,O能和鈦合金發生包晶反應，通過包晶反應可形成少量的Ti(0.4～15C)wt.%，Ti(1.4～6N)wt.%，Ti(1.3～10O)wt.%等孕育劑，從而細化了鈦合金晶粒。在使用包晶細化方法時，每磅鈦合金加入0.5～1毫克孕育劑，即可起到良好的細晶效果。然而，包晶細化所需的C、N、O等元素含量極低（毫克級），在此類元素添加時較難控制，過多的C、N、O等元素會使合金出現氫脆現象，從而使合金性能惡化。

鈦粉細化：《Titanium?as?an?endogenous?grain-refining?nucleus》等文獻報道了鈦粉的添加可大幅度的減小鈦合金的晶粒尺寸。由于鈦粉與鈦合金的晶格常數差異較小，可以直接作為鈦合金的形核質點，同時在一定程度增加了成分過冷，從而對鈦合金晶粒起到了顯著地細化效果。然而，細小的鈦粉制備困難、成本高且對大型鑄件難以產生均勻的細化效果。

熱加工：中國專利局公布了（申請號：87107575.X），名稱為“α+β鈦合金顯微組織等軸化工藝”的發明專利，將材料加熱到兩相區的較高溫度，鍛造時，變形程度大于50%，接著進行β處理，再在兩相區的溫度下用大于50%的變形程度鍛造，最后進行再結晶退火，從而使α+β鈦合金顯微組織達到等軸細晶化。中國專利局公布了（公開號：102121078A），名稱為“一種細晶鈦合金的復合制備方法”，此方法將鈦合金粉末經過冷等靜壓、真空燒結等溫鍛造的工藝相結合，制備了等軸且均勻細小的鈦合金材料。由于鈦合金的熱加工難度較大，加工過程中可能會造成合金開裂，材料利用率低，且復雜形狀的構件不能通過熱加工的方法獲得。

特殊熱處理：《循環次數對于TC4合金組織和力學性能的影響》、《循環熱處理細化Ti-6Al-4V合金鑄件粗大衛視組織的研究》、《氫處理對TC21合金顯微組織的影響》等文獻報道了循環熱處理、熱氫處理等特殊熱處理方法進行晶粒的細化。然而，特殊熱處理方法對合金細化效果有限，且周期長、效率低，造成成本的增加。

綜上所述，針對鈦合金組織粗大的問題，希望開發出一種具有晶粒細化效果，不改變合金相組成、不形成夾雜、成本低、可以直接應用于精密鑄造生產的工藝方法。針對鈦合金，還有通過控制凝固路徑方法細化晶粒的公開報道，也未有相應的專利公布。

發明內容

為克服現有技術中存在的易引入夾雜，造成鈦合金構件的力學性能惡化，以及材料利用率低，制備成本高的不足，本發明提出了一種鈦合金晶粒細化方法。

本發明的具體步驟為：