[發明專利]一種TiAl基合金及其熱處理工藝

有效

• 申請號: 201410782753.2
• 申請日: 2014-12-17
• 公開（公告）號: CN104480347A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 陳光;王敏智;彭英博;祁志祥;李沛
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22F1/18
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅;朱顯國

技術領域

本發明涉及一種晶粒細小、組織均勻TiAl基合金及其熱處理工藝，具體涉及一種節能環保，具有20-30μm晶粒尺寸TiAl基合金的熱處理工藝，可用作航空航天發動機渦輪葉片材料。

背景技術

TiAl基金屬間化合物具有獨特的富有吸引力的綜合性能,即低密度、高強度、高熔點和優良的抗蠕變、抗氧化性能及抗燃燒性能,在高溫航空結構材料方面得到了廣泛的關注。TiAl基合金的潛在價位還在于它的比剛度高,即具有高的彈性模量與密度比。高模量的重要之處在于發動機的許多靜態零件的設計準則是盡量減少它們在工作溫度下承載時的彈性撓度。這些零件的設計應力很低,它們中許多并不處于斷裂的危險部位,決定性的設計指標是這些零件在工作環境中是否具有足夠的剛度以保持它們的形狀。此外,TiAl基合金的導熱系數高,可通過外部冷卻方法而進一步提高使用溫度。而且,這種合金的熱膨脹系數隨溫度的變化趨勢與一些典型結構材料一致,從而可選用不同的材料與TiAl基合金相配合,更方便地設計、制造所需要的高性能部件。

TiAl基合金在最初的一段時間內的發展較為緩慢,其原因是二元TiAl鑄造合金的室溫塑性很低,斷裂韌性很差。合金Ti-48Al-1V-0.3C(at％)是第一代TiAl基合金的代表,它是由美國空軍材料實驗室和P&W(普惠)公司在19世紀七十年代末到八十年代初共同開發的。該合金設計時的主要目的是改善合金的室溫塑性,提高合金的高溫抗蠕變能力,但是最終其綜合性能仍無法滿足航空發動機零部件的苛刻的性能要求,因此其發展只停留在了實驗室研究階段。4822(Ti-48Al-2Cr-2Nb)鑄造合金是第二代TiAl基合金中最具代表性的,它是由美國空軍和美國GE公司(通用電氣公司)共同開發的。該合金的室溫塑性、高溫強度以及抗氧化性能等比第一代的Ti-48Al-lV-0.3C合金有了一定程度提高。現在該合金己經以用于許多零部件,并且進行了發動機裝機試驗,并且目前已經在波音787上到了實際應用。除了4822(Ti-48Al-2Cr-2Nb)合金外,第二代TiAl基合金中比較著名的還有Howmet公司于十九世紀九十年代初開發的Ti-(45-47)Al-2Mn-2Nb鑄造合金,其中含有0.8vol％TiB2。在760℃時第二代TiAl基合金的大多數高溫力學性能包括高溫抗蠕變性能、高溫強度、抗高溫氧化腐燭性能等,按密度比計算,均不亞于或者優于鎳基高溫合金,從這里來看,TiAl基合金很有希望取代鎳基高溫合金。

但是與大多數金屬間化合物一樣，室溫脆性是阻礙TiAl基合金作為高溫結構材料實際應用的最大障礙，無法通過塑性加工的方法制備成形出結構材料。因此凈型成形技術將是解決TiAl基合金取得工業應用的首要技術途徑。此外，由于鑄態的TiAl基合金組織通常是粗大的層片團結構，室溫塑性幾乎為零，必須經過一些后續的加工處理細化顯微組織，才能將鑄態合金用作高溫結構材料。

常用的組織細化方法主要有三個方面：合金化，熱機械處理和直接熱處理。與其它方法相比，直接熱處理方法既可以在合金成型之前進行組織細化，又可直接對成型的鑄件進行組織細化，具有更大的優越性，加上其工藝簡單、成本低廉、顯微組織易于控制等優點，可以有效的改善TiAl基合金力學性能。因此利用直接熱處理制度細化鑄態TiAl基合金具有重要的實際應用價值。

專利CN200510086726.2公開了一種細化TiAl合金鑄錠顯微組織的熱加工工藝，存在以下弊端，第一，工藝步驟較多且需要循環處理，需要大量的時間；第二，需要鹽浴，限制了其應用范圍；第三，需要高溫鍛造，需要昂貴的設備；第四，不能對直接成型的鑄件進行熱加工，降低了其應用范圍。

發明內容

本發明的目的在于提供一種節能環保，具有20-30μm晶粒尺寸TiAl基合金的熱處理工藝，用于要求高的抗蠕變性能、高的疲勞抗力的高溫渦輪發動機葉片材料的制備上。

實現本發明目的的技術解決方案為：

一種TiAl基合金，按原子百分比計，合金成分如下：Ti-(40-50)Al-2Nb-2Cr-aV，a為原子百分比，0＜a≤4，余量為Ti。

上述TiAl基合金的熱處理工藝，所述熱處理工藝包括以下步驟：

第一步：按照合金成分配比將原料放入水冷銅坩堝真空感應懸浮熔煉爐中熔煉母合金；

第二步：采用HTF型高溫電爐，對第一步制備出來的母合金進行第一次熱處理，熱處理后隨爐冷卻至室溫再進行第二次熱處理。