[发明专利]一种精确控制亚稳组织稳定化实现γ-TiAl合金细化的方法

说明书

本发明公开了一种精确控制亚稳组织稳定化实现γ‑TiAl合金细化的方法，该γ‑TiAl合金由以下原子百分比的成分组成：Al 47.0％～48.5％，Nb 1.0％～2.5％，Cr 0.0％～2.0％，Ta 1.0％～3.0％，B 0.01％～0.1％，余量为Ti，该方法包括：一、制备γ‑TiAl合金锭；二、热等静压和均匀化处理；三、依次在α单相区和α+γ两相区加热保温，并多次循环上述热处理工艺；四、在α单相区加热保温得到细晶全片层组织的γ‑TiAl合金。本发明采用合金元素添加结合循环热处理，对亚稳组织连续调控，实现了γ‑TiAl合金中的晶粒细化，提升了γ‑TiAl合金的室温塑性和强度等性能。

技术领域

本发明属于轻质高温结构材料制造领域，具体涉及一种精确控制亚稳组织稳定化实现γ-TiAl合金细化的方法。

背景技术

目前，航空航天的动力系统、汽车发动机、石油化工高温部件等对轻质耐热结构材料的需求迫切，由于γ-TiAl合金的密度仅是Ni基高温合金的50％左右(约为3.8～4.3g/cm³)，且具有高比模量、高蠕变抗力、抗燃烧良好的抗氧化、耐腐蚀性强等优点，已逐渐成为高温部件替代高温合金实现大幅度减重的候选材料。GE公司研发的第二代铸造γ-TiAl合金4822合金(Ti-48Al-2Cr-2Nb at.％)低压涡轮叶片已成功装配在GEnx^TM系列涡轮发动机中(B.Bewlay,et al.The Science,Technology,and Implementation of TiAl Alloys inCommercial Aircraft Engines.in:MRS Proceedings,Cambridge Univ Press,2013)。随着现代工业高速发展和TiAl合金应用领域的拓宽，未来高温部件的服役环境越发苛刻。而与大多数金属间化合物一样，γ-TiAl合金室温塑性差(延伸率通常小于1％)、高温力学性能不足等问题仍比较突出。

γ-TiAl合金的性能对显微组织的变化极其敏感，常见的铸造类γ-TiAl铸态组织通常为不均匀的粗大片层团组织，室温塑性几乎为零，只有经过变形热处理或特殊热处理等方法细化显微组织，才能将铸态γ-TiAl基合金工业化应用。研究发现多晶TiAl合金的片层团尺寸由2600μm细化到50μm时，可显著提高合金室温塑性、抗拉强度等力学性能(Y.W.Kim.Strength and ductility in TiAl alloys[J].Intermetallics.1998,6(7-8):623-628)。然而，现有铸造的工业技术使片层团晶粒尺寸很难控制在200μm以下。专利名称为“一种细化TiAl合金全片层片层团尺寸的热处理方法”(公开号：CN107904530A)的发明专利采用淬火+回火两步热处理工艺细化TiAl合金，从而得到20～100μm的细晶全片层组织；然而该方法采用了淬火的高能热处理方法，增加了铸锭的开裂倾向，且细化程度有限。专利名称“一种改善传统铸造γ-TiAl合金力学性能的多步循环热处理方法”(公开号：CN105220096A)的发明专利将均匀化后的TiAl合金在α+γ两相区连续循环热处理；但是该方法实施耗时过长，且细化程度有限。因此，γ-TiAl基合金急需探索新理论或者新方法来获得适合工业化应用、简便易行、成本低廉的新型细化方法。

γ-TiAl合金固态相变过程中由于冷却速率的增加会析出不同形貌的亚稳组织，亚稳组织(亚稳γ)一般分为三种：魏氏、羽毛和块状组织。亚稳组织的析出会破坏初始片层结构的稳定性。由于冷却速度较快，亚稳组织内亚晶粒大小由纳米到微米不等，这些微纳晶粒破坏了初始片层的取向(D.Hu,et al.TEM characterisation of microstructures in TiAl-based alloys[J].Intermetallics,2005,13(2):211-216)。目前对于γ-TiAl合金获得亚稳组织的手段主要是通过急冷，即淬火，需要进一步研究因其他方法如合金元素的添加而降低亚稳组织析出所需冷却速度的临界值，从而探索晶粒细化的新途径。

发明内容