熱處理工藝對鑄造TiAl基合金組織及性能的影響

包春玲，張有為，趙 軍，謝華生(沈陽鑄造研究所 鈦部 ,沈陽 110022)

熱處理工藝對鑄造TiAl基合金組織及性能的影響

包春玲，張有為，趙 軍，謝華生
(沈陽鑄造研究所 鈦部 ,沈陽 110022)

設(shè)計并研究了淬火+回火+短時高溫處理的熱處理工藝對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。首先采用80 kg真空自耗凝殼爐澆注了Ti-48Al-2Cr-2Nb合金試棒，經(jīng)熱等靜壓處理后，進(jìn)行淬火+回火+短時高溫的熱處理。其中淬火為1 390 ℃下保溫10 min后分別采用油冷、水冷和空冷的不同冷卻方式；回火處理為1 230 ℃下保溫6 h；短時高溫處理選擇1 320 ℃下保溫8 min。研究結(jié)果表明熱等靜壓后Ti-48Al-2Cr-2Nb合金經(jīng)淬火(水冷)+回火+短時高溫處理熱處理，晶粒尺寸可細(xì)化到30～50 μm，力學(xué)性能得到提高。

熱處理；TiAl；組織；性能

室溫塑性低、熱塑性變形能力差和在850℃以上抗氧化能力不足這三大缺陷是阻礙TiAl基合金實(shí)用化的主要障礙[1-2]，其中鑄態(tài)TiAl基合金塑性低，是阻礙其作為高溫結(jié)構(gòu)材料實(shí)際應(yīng)用的最大障礙。如何提高其室溫塑性，是材料科學(xué)中一個富有挑戰(zhàn)的前沿課題。根據(jù)大量學(xué)者的研究可知：細(xì)化晶粒是提高TiAl基合金力學(xué)性能的重要手段。目前細(xì)化TiAl基合金晶粒的方法主要有：粉末冶金法[3-4]、添加晶粒細(xì)化劑法(TiB2，BN等)[5-6]、熱機(jī)械處理法[7-8]和直接熱處理法[9-12]。熱處理是改善TiAl基合金內(nèi)部質(zhì)量和顯微組織的重要手段。通過熱處理手段，調(diào)整熱處理參數(shù)，細(xì)化組織，提高塑性，對加速TiAl基合金實(shí)際應(yīng)用的進(jìn)程具有重要的理論與實(shí)際意義。本文根據(jù)Ti-48Al-2Cr-2Nb合金熱等靜壓后的組織狀況以及熱處理原理設(shè)計熱處理工藝參數(shù)。通過調(diào)整淬火階段的冷卻方式，設(shè)計淬火-回火-短時高溫處理工藝，分析了熱處理各階段的組織變化過程，改變了熱等靜壓后的顯微組織，獲得了細(xì)小的層片組織，改善了TiAl基合金的力學(xué)性能。

1 試驗方法及過程

1.1 實(shí)驗材料

實(shí)驗用TiAl基合金為Ti-48Al-2Cr-2Nb(at.%)，其名義化學(xué)成分為Ti-33.3Al-2.67Cr-4.78Nb(wt.%)，其中Al含量變化范圍在32.9～33.3wt.%，Cr含量變化范圍在2.67～2.69 wt.%，Nb含量變化范圍在4.78～4.81 wt.%，實(shí)驗用鑄錠的化學(xué)成分經(jīng)檢測如表1所示。

表1 Ti-48Al-2Cr-2Nb的化學(xué)成分(wt.%)

1.2 試棒及試樣的制備

采用80 kg真空自耗電極凝殼熔鑄爐同時澆注出石墨型、金屬型和陶瓷型Ti-48Al-2Cr-2Nb試棒，本文涉及的試棒及試樣均采用石墨型工藝澆注出，澆注出的試棒如圖1所示，經(jīng)加工后的拉伸試樣尺寸如圖2所示。在CSS-112.0型電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行拉伸，加載速率為1 mm/min。

圖1 澆注出的石墨型試棒

圖2 拉伸試樣

本文采用淬火+回火+短時高溫處理工藝處理Ti-48Al-2Cr-2Nb合金試棒，加熱過程中采用抗氧化涂料涂覆及鈦屑覆蓋保護(hù)，熱處理實(shí)驗在箱式電阻爐中進(jìn)行。

試樣用電火花線切割，用180#、400#、1200#砂紙分別打磨，試樣采用濃度為6%HF+4%HNO3+90%H2O的試劑進(jìn)行腐蝕。在ZEISS Axio型光學(xué)顯微鏡及日立S-3400N掃描電子顯微鏡下觀察鑄態(tài)、熱處理狀態(tài)試樣顯微組織。

2 熱處理工藝的設(shè)計

大量研究表明：細(xì)小的雙態(tài)組織或?qū)悠瑺罱M織的TiAl基合金是最具有實(shí)際應(yīng)用價值的組織類型，熱處理的目的是獲得細(xì)小的雙態(tài)組織或?qū)悠瑺罱M織。目前，淬火-回火-短時高溫處理工藝由于具有工藝簡單、成本低廉、顯微組織易于控制等特點(diǎn)引起了研究者廣泛的研究。TiAl基合金淬火-回火-短時高溫處理過程中，獲得細(xì)小、均勻的組織對于改善合金的性能至關(guān)重要。

淬火的目的是要破壞鑄態(tài)下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的層片狀組織，形成塊狀γm組織或非平衡組織，其中含有大量的微觀缺陷為后續(xù)回火過程提供豐富的形核位置，塊狀γm組織的形成不僅受冷卻速度的影響，還依靠合金中Al元素的偏聚才能進(jìn)行，因此較高的淬火溫度和較快的冷卻速度有利于獲得γm塊狀組織。本實(shí)驗熱處理前的試樣已經(jīng)進(jìn)行了熱等靜壓處理，組織由層片狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榻媒M織，合金成分較鑄態(tài)下均勻，淬火過程中形成塊狀γm組織較鑄態(tài)困難，因熱等靜壓后組織較鑄態(tài)細(xì)小，故嘗試Tα以上較短時間保溫配合合理的冷卻速度，使近γ組織轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀γm組織或非平衡組織。本實(shí)驗淬火方式采用在1 390°下保溫10 min，淬火冷卻方式分別選擇水冷、油冷和空冷。

根據(jù)Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的DSC曲線(圖3所示)可知，其共析轉(zhuǎn)變溫度Te≈1 125 ℃，回火溫度一般選擇Te溫度以上80～120℃，回火后的組織為雙態(tài)組織或近γ組織，有研究表明[13]等軸的近γ組織(NG)是獲得細(xì)小層片組織的關(guān)鍵，本實(shí)驗回火溫度選擇在1230℃，保溫時間為6 h，冷卻方式為空冷。

圖3 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的DSC曲線

在略高于α相變開始溫度以上進(jìn)行短時高溫處理，溫度選擇1 320 ℃，研究表明[5]TiAl基合金在單相區(qū)短時高溫處理時，其顯微組織平均晶粒尺寸(D)與時間(t)符合指數(shù)關(guān)系：D=ktn，k、n為常數(shù)，因此時間的選擇對晶粒的細(xì)化效果十分重要。鑒于本實(shí)驗試樣尺寸(φ20 mm×100 mm)較大，故時間選擇8 min，冷卻方式為空冷，具體熱處理工藝如圖4所示。

3 熱處理對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金組織和力學(xué)性能的影響

3.1 熱處理對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金組織的影響

(1)淬火過程組織的變化

圖4 熱處理工藝曲線圖

通過熱力學(xué)原理可推導(dǎo)出相變驅(qū)動力ΔGV與過冷度ΔT的表達(dá)式為

ΔGV=Lm·ΔT/Tm

高壓壓汞法是目前研究孔徑結(jié)構(gòu)的常用方法，水銀在壓力的作用下不斷被壓入孔隙中，孔隙半徑r與施加的外加壓力P滿足Washburn方程

式中ΔGV—相變驅(qū)動力；Lm—相變潛熱；ΔT—過冷度；Tm—金屬熔點(diǎn)。

當(dāng)過冷度ΔT較大時，相變驅(qū)動力滿足塊狀組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過程為α→γm，這是一種非擴(kuò)散型相變，原子進(jìn)行重組由密排六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)。隨著組織轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，冷卻速率變慢，相變自由能變大，相變驅(qū)動力和形核功減少，不足以發(fā)生塊狀轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)而形成一定取向的羽毛狀組織γf。當(dāng)ΔT繼續(xù)降低時，驅(qū)動力不足以滿足羽毛狀組織γf轉(zhuǎn)變時，會生成驅(qū)動力更低的層片狀組織，因此3種的冷卻速度下，組織組成及含量不同。在Al含量在48～50at.%合金中，當(dāng)溫度達(dá)到Tα以上時，保溫一段時間后，隨著冷卻速率的不同，TiAl基合金最終組織不同。

圖5為Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在3種冷卻速率條件下合金的顯微組織。圖5a所示為淬火(水冷)的組織，主要由塊狀γm組織及少量非平衡羽毛狀組織γf組成；圖5b為淬火(油冷)的組織，主要由塊狀γm組織和非平衡的羽毛狀組織γf組成，羽毛狀組織γf間存在一些細(xì)小的層片組織；圖5c為空冷的組織，主要由層片狀組織組成，層片組織中出現(xiàn)了一些魏氏組織，因此空冷后的組織不能滿足后續(xù)回火過程的要求。熱等靜壓處理后的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金，經(jīng)過高溫下短時保溫處理，配合水冷及油冷的冷卻方式可以獲得細(xì)小、均勻的塊狀γm組織，其轉(zhuǎn)變可表示為α2+γ→α→γm+γf+L(α2/γ)。

圖5 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在3種冷卻速度下的顯微組織

(2)回火過程組織的變化

圖6為Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在1 230 ℃保溫6小時后的回火組織。圖6a為淬火(水冷)后的回火組織，回火后的顯微組織為等軸γ組織及少量的層片組織，組織分布均勻，晶粒平均尺寸為80 μm。圖6b為淬火(油冷)后的回火組織，回火組織為等軸γ組織，還存在著少量的α2晶粒，晶粒平均尺寸為110 μm?；鼗饻囟仍诠参鲛D(zhuǎn)變溫度以上的α+γ兩相區(qū)，加熱過程中發(fā)生γm(或γf)→α→γ+α轉(zhuǎn)變。在γ+α兩相區(qū)保溫一段時候后，緩慢冷卻即可得到等軸近γ組織，其轉(zhuǎn)變過程為γ+α→γ+α2(少量)，回火過程主要發(fā)生的相變?yōu)棣胢(或γf)→α→γ+α→γ+α2(少量)轉(zhuǎn)變。

圖6 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金淬火后的回火組織

(3)短時高溫處理組織的變化

Ti-48Al-2Cr-2Nb合金經(jīng)過淬火-回火后組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的近γ組織，將該組織在稍高于Tα溫度的1 320 ℃進(jìn)行短時處理，圖7為Ti-48Al-2Cr-2Nb合金在1 320℃下短時處理后的組織。

圖7 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金短時高溫處理后的組織

3.2 熱處理對Ti-48Al-2Cr-2Nb合金力學(xué)性能的影響

表2為Ti-48Al-2Cr-2Nb合金鑄態(tài)、熱等靜壓態(tài)和熱處理后的力學(xué)性能對比。

表2 Ti-48Al-2Cr-2Nb合金鑄態(tài)熱等靜壓態(tài)和熱處理的力學(xué)性能

有學(xué)者研究[14-15]指出：TiAl基合金的抗拉、屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系，很好地符合Hall-Petch關(guān)系。試棒經(jīng)熱等靜壓處理后，合金的斷后伸長率無明顯變化，由鑄態(tài)下的0.45%提高至0.5%，然而抗拉強(qiáng)度由鑄態(tài)的510 MPa降低為426 MPa，強(qiáng)度降低較多。合金經(jīng)過熱等靜壓處理后，合金組織致密度提高，但性能降低。這主要是因為熱等靜壓后試棒中縮松、氣孔、縮孔等鑄造缺陷得到壓合，并且壓合處金屬產(chǎn)生擴(kuò)散，發(fā)生冶金結(jié)合，壓合處的平面裂紋產(chǎn)生得到抑制，在拉伸過程中，裂紋的形成較之前更為困難，伸長率得到提高。然而，在熱等靜壓過程中，在高溫、高壓的作用下，晶粒尺寸增加，片層間距變寬，同時合金內(nèi)部位錯密度下降，內(nèi)應(yīng)力得到釋放，這導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度稍有下降。

合金經(jīng)過了淬火+回火+短時高溫處理后，組織由近γ組織細(xì)化為細(xì)小的近層片組織，晶粒尺寸細(xì)化至30～50 μm。經(jīng)過淬火(水冷)+回火+短時高溫處理，Ti-48Al-2Cr-2Nb合金抗拉強(qiáng)度由鑄態(tài)下的510 MPa提高到540 MPa，斷后伸長率由鑄態(tài)下的0.45%提高到1.20%。經(jīng)過淬火(油冷)+回火+短時高溫處理，Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的抗拉強(qiáng)度由鑄態(tài)下的510 MPa提高到522 MPa，斷后伸長率由鑄態(tài)下的0.45%提高到0.95%。因此細(xì)化晶粒將有利于提高Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的性能，淬火階段選擇不同的冷卻方式，熱處理后顯微組織細(xì)化效果不同，合金的力學(xué)性能有所差異。合理選擇淬火階段的冷卻方式直接影響熱處理后晶粒細(xì)化的效果，由實(shí)驗結(jié)果可知選擇冷速較快的水冷方式將有利于獲得細(xì)小的層片組織。

圖8為熱處理后Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的拉伸斷口形貌，經(jīng)過熱處理后其斷裂方式仍以解理斷裂為主。

圖8 熱處理后Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的拉伸斷口形貌

4 結(jié)論

(1)淬火-回火-短時高溫處理Ti-48Al-2Cr-2Nb合金過程中，淬火階段采用空冷方式不能滿足后續(xù)回火過程的組織要求;

(2)Ti-48Al-2Cr-2Nb合金淬火階段選擇不同的冷卻方式直接影響熱處理后晶粒細(xì)化的效果和力學(xué)性能值,選擇冷速較快的水冷方式將有利于獲得細(xì)小的層片組織;

(3)Ti-48Al-2Cr-2Nb合金經(jīng)過熱等靜壓+淬火(水冷)+回火+短時高溫處理熱處理，晶粒尺寸細(xì)化到30～50 μm，力學(xué)性能得到提高。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉興民)

Effect of heat treatment process on microstructure and properties of TiAl-based alloy

BAO Chun-ling,ZHANG You-wei,ZHAO Jun,XIE Hua-sheng
(The Titanium Alloy Department,Shenyang Research Institute of Foundry,Shenyang 110022,China)

The heat treatment process of quenching+tempering+short-time high temperature treatment for the Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy was designed and studied.The Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy test bars were melted and casted using a 80 kg consumable vacuum skull furnace.After hot isostatic pressing(HIP),the bars were treated by designed heat treatment process.For quenching,different cooling methods were studied including oil cooling,water cooling and air cooling after 10-min holding at 1 390℃.Tempering treatment was performed at 1 230℃for 6 h.8-min holding at 1 320 ℃ was selected as the short time high temperature treatment process.The results showed that through the designed heat treatment,the grain size of Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy could be refined to 30μm～50μm and the mechanical properties were improved as well.

heat treatment;TiAl;microstructure;mechanical property

2016-12-25

包春玲(1980-)，女，遼寧朝陽人，高級工程師，主要研究方向：鈦合金工藝設(shè)計及研發(fā)，E-mail:baochunling0323@126.com。

2095-1248(2017)02-0049-06

TG156.1

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.02.009