[发明专利]钛铝合金工件制造工艺

说明书

本发明涉及工件结构材料的钛铝(TiAI)合金的制造，应用在例如航空领域中制造飞机或直升飞机发动机涡轮叶片，或者在汽车行业用于制造阀门。

此类行业中一个常见的问题是关于所用材料的质量，尤其是制造暴露于温度和压力要求极高的环境中的工件的材料。

钛铝合金，自上世纪80年代起就成为深入研究对象，目的是为了替代镍基单晶超合金，这种超合金应用于涡轮叶片已有50多年的历史。钛铝合金所具有的优势在于其密度只有这种超合金的一半。采用钛铝合金则可以提高发动机的效率、减轻结构、降低噪声、节省燃料并减少温室气体的排放。如今，大多数发动机生产商已经将钛铝合金涡轮叶片集成于其最新款的飞机发动机中。至今，所有叶片的化学成分被称为GE型(46％到48％的铝、2％的铌和2％的铬，钛用于平衡)，通过铸造的方式进行制作，然后进行热处理。

铸造方式制作GE型合金可用于生产低压力等级的飞机发动机。GE型合金微观结构大体上或全部呈现为层状，故其在蠕变时性能较佳。然而，在要求更为严苛且温度更高的发动机中使用的叶片，需采用性能更好尤其是更耐氧化的材料，通常加入更大量的诸如铌和/或钨这样更耐高温的元素。鉴于，掺杂有耐高温元素的合金，其铸造特征为高强度但延展性欠佳，所以目前仍不可用于其他等级的飞机发动机叶片。

因为其相平衡曲线图相对复杂，故对钛铝合金性质具有决定作用的微观结构取决于合金所经历的热历史以及所使用的加工工艺。为了提升热处理温度和通过二元相图描绘的传统合成过程，将得到双相(γ+a₂)、复相(γ+层状)和层状微观结构。相位γ为结构L1₀的二次相位，相位α为六角无序相，而相位α₂为结构DO₁₉的六角有序相。颗粒α冷却时可获得层状结构。

固化流程，例如铸造或者定向固化，可以通过延长颗粒形成柱状结构以及通过与颗粒纵向轴垂直的分界面形成层状结构。研究表明，尺寸为几十微米的结晶颗粒，并且完全或者绝大部分为层状颗粒形成的结构，其微观结构性能最佳。此外研究显示，通过一系列热处理得到的小颗粒层状微观结构具有良好的机械强度，并且其延展性约为5％，这已经相当卓越。

获得层状结构遇到的困难之一在于，必须度过相平衡曲线的α转变温度(根据合金化学成分不同通常为1325-1350℃)，然而在此α区间内的任何添加都将造成颗粒变大并且颗粒尺寸将快速超过100微米。

至于钛铝合金在使用温度(700-800℃)下的蠕变稳定性，通过向上攀移造成的位错位移中，扩散的作用十分重要，由于边界和分界面会促进间隙的形成造成扩散，因此晶粒边界或分界面比例过多不利于蠕变稳定性。

自上世纪90年代起，发表了大量采用不同实施流程加工的、具有各种化学成分的钛铝合金的相关研究。有时，多种加工途径(熔融、铸造、锻造、粉末冶金或MdP)被应用于一些细微调整(双相γ-钛铝化物微观结构和形变，Microstrusture and deformation of two-phaseΓ-titanium alumindes,APPEL F，WAGNER R，Mar.Sci.Eng.，R22，5，1998)。表1对该期刊中所提及的合金的机械性质进行了比较。数据表现了室温下的强度和延展性特征。在700到750℃的温度区间内测定蠕变的稳定性。在此表中，YS列为0.2％形变时的屈服强度(用MPa表示)，RM列为断裂应力(用MPa表示)，A列为所涉材料的断裂伸长率。

表1

在初步研究了仅含钛和铝的二元合金后，业界集中精力对所含铝原子比在46％到48％的GE型合金进行微调，并加入了2％的铌和2％的铬。研究针对此GE型的合金，比较了两种途径：铸造和粉末冶金，分别具有类层状纹理微观结构和复相微观结构。表1的前两行总结了这些合金的性质。我们发现，这两种合金的延展性较差，只有通过铸造途径加工的合金才具有适宜的蠕变稳定性。