專利名稱：電子束／熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法
技術領域：
本發明屬于金屬熱處理領域。
背景技術：
鈦鋁基合金由于具有高溫蠕變比強度和比剛度，以及良好的抗氧化性能，被認為是理想的航空航天用結構材料，可在高溫下使用代替鎳基高溫合金用作高推重比發動機熱端部件，如渦輪盤、密封殼體、葉片及壓氣機靜子、尾噴管等，也可用于地面動力系統，如汽車、坦克發動機、增壓渦輪、排氣閥、活塞等高溫零部件。但其室溫塑性、室溫斷裂韌性、抗裂紋擴展抗力很低，這些缺點一直阻礙TiAl基合金的應用。
TiAl基合金的力學性能強烈地依賴其顯微組織。雙態組織具有最佳的延性，但斷裂韌性較低；粗大的全層片組織的強度和延性低，但有很好的斷裂韌性，層片組織晶團尺寸減小，強度和延性都提高。國內外研究已經確認了TiAl基合金屈服強度與晶粒尺寸的關系，較好地遵循Hall-Petch公式。由此可見，細化TiAl基合金是有效的提高TiAl基合金力學性能的重要手段。
因其可凈形成形和低廉價格，鑄造工藝將是鈦鋁基合金首先取得工業應用的技術途徑。但TiAl基合金鑄態組織通常為粗大片團的層片結構，其室溫延性幾乎為零，只有經過合金化、形變熱處理或特殊熱處理等方法細化顯微組織，才能將鑄態合金用作高溫結構材料。采用合金化、循環熱處理及形變處理技術已發展出多種鈦鋁基合金組織。大量研究表明，細小的全層片組織或雙態組織最有可能在應用上獲得成功。
從目前文獻聯機檢索結果來看，一般組織控制方法難于得到細晶細片組織，現有的用于細晶TiAl基合金的方法有粉末冶金，熔鑄時添加晶粒細化劑(TiB2，BN等)，熱機械處理和直接熱處理等方法。熱機械處理是TiAl基合金進行熱變形后采用熱處理的方法，但這種形變誘導細化機制由于成本高，材料利用率低，難以實用化。而直接熱處理，多采用循環法，雖然工藝較為簡單，但存在時間周期長，效率低等問題。
少量研究通過采用淬火和回火反復處理工藝獲得細小的雙態組織，但淬火過程因急速冷卻產生的熱應力和組織應力易導致試樣開裂。
發明內容
針對現有處理方法在細化TiAl基合金時存在難以得到細晶細片組織、成本高、周期長，效率低的弊端，本發明提供一種能有效細化各種鈦鋁基合金晶粒的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，它是這樣實現的首先對鈦鋁基合金工件進行預熱處理，然后利用移動電子束對工件進行重熔，合金冷凝后在α+γ相區進行真空熱處理，熱處理溫度為1100～1400℃，熱處理時間為1～2小時，至此完成一次晶粒細化處理。
本發明的方法還可進行表面細晶，作為擴散焊，釬焊此類材料中間過渡工藝，工序流程為(如圖1)為防止表面裂紋的產生，待焊鈦鋁基合金表面需經電子束掃描/散焦預熱后，利用移動電子束進行表面重熔，合金冷凝后在α+γ相區進行真空熱處理，處理溫度1200℃左右，時間1～2小時(選擇處理溫度的范圍可根據合金母材組織特征加以適當調整，如TiAl基合金母材為全層片組織，溫度可選擇1350℃左右)，至此完成一次表面晶粒細化處理，獲得細小的雙態組織，或細小的片層組織。重熔處理表面作為被焊接面，裝配成釬焊/擴散焊接接頭形式如對接、搭接、T型接頭等。本方法適用于釬焊或擴散焊母材涉及TiAl基合金的同質或異質材料焊接的范疇。
在上述晶粒細化處理過程中，電子束重熔合金，冷凝時由于冷卻速度較快，類似于焊接熱循環過程，因而得到的是非平衡組織，破壞了原來粗大的鑄造組織。新的凝固組織中含有大量的位錯、空位等缺陷，成為熱處理過程再結晶優先形核的位置。α相大量、均勻形核的結果，使得α相晶粒長大過程中相互制約，阻礙彼此晶粒間長大。選擇兩相區進行再結晶處理，也是為了能較好地控制晶粒的長大速度，因而處理后得到的晶粒就非常細小。
試驗表明本發明一次晶粒細化就可使晶粒明顯地細小化，原始母材晶粒尺寸為150～200μm，經本工藝一次細晶化處理后，晶粒尺寸下降為30～50μm。按上述工藝進行二次晶粒細化處理后，晶粒已充分細化，晶粒尺寸達到小于30μm。與現有技術相比，本發明的主要優點如下晶粒細化效果明顯，細化工藝簡單，操作方便，熱處理時間大大縮短，效率明顯提高。
圖1為電子束表面重熔細晶化處理鈦鋁基合金及后續焊接的工藝流程圖；
圖2為具體實施方式
一中電子束細晶化處理鈦鋁基合金方法的工藝流程圖；圖3為具體實施方式
二中電子束局部重熔細晶化處理鈦鋁基合金的工藝流程圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式是這樣對鈦鋁基合金進行細化處理的鈦鋁基合金熔煉完畢后，采用900℃/32h均勻化熱處理，然后采用1250℃、152Mpa、4h熱等靜壓處理鑄錠。如圖2所示，對鈦鋁基合金進行預熱處理，然后利用移動電子束對鈦鋁基合金進行重熔，合金冷凝后在α+γ相區進行真空熱處理，熱處理溫度為1100～1400℃，熱處理時間為1～2小時，至此完成一次晶粒細化處理，獲得細小的雙態組織焊接面。本實施方式中所述預熱處理方式為電子束散焦或掃描預熱；利用移動電子束對工件進行重熔的方式為局部重熔或表面重熔，當利用移動電子束對工件進行表面重熔處理時，可用此方法進行表面細晶，作為擴散焊、釬焊此類材料的中間過渡工藝；當鈦鋁基合金為全層片組織時，可調節真空熱處理溫度在1300～1400℃范圍內。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是，為了提高細化效果，可進行兩次或兩次以上的具體實施方式
一中所述的晶粒細化處理工序，工序示意如圖3所示。
具體實施方式
三本實施方式利用真空感應凝殼冶煉完成鑄錠冶金熔煉過程，合金成分為Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(at.％)，在900℃的溫度下均勻化熱處理32h，然后在1250℃、152Mpa的條件下熱等靜壓處理4h，以消除鑄造過程中產生的縮孔等微小缺陷。切取部分試樣經表面酸洗、丙酮擦拭等工藝，對工件表面進行預處理，然后將工件置于真空電子束焊接機中，在真空度為5×10-4Torr的條件下，采用散焦預熱方式進行預熱，其中焊接速度15mm/s；焊接電壓55kV；聚焦電流2790mA；焊接電流3mA。利用移動電子束進行局部重熔，具體工藝參數為焊接速度為4mm/s，焊接電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，焊接電流為15mA；冷凝后隨爐冷卻至室溫。
此后將試樣置于真空熱處理爐中，在α+γ相區進行1200℃/2h真空熱處理，隨爐冷卻至室溫，至此完成一次晶粒細化處理，此時獲得細小的雙態組織。母材晶粒尺寸由為150～200μm下降為30～50μm。再經上述處理工藝，在已處理區域重新重熔后熱處理，所得晶粒尺寸為15～20μm。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
三不同的是，合金成分為Ti-48Al-2.5V-1.0Cr(at.％)，試樣置于真空熱處理爐中在α+γ相區進行真空熱處理的溫度為1350℃。其他工藝過程、工藝參數及熱處理后母材晶粒尺寸與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五本實施方式中對TiAl基合金進行表面細晶化處理，作為擴散焊，釬焊此類材料中間過渡工藝。為防止表面裂紋的產生，待焊鈦鋁基合金表面處理后經電子束掃描預熱，掃描波形為方波，VX＝20，VY＝20，掃描頻率＝600Hz，電流I＝3mA。利用移動掃描電子束進行表面重熔(掃描波形為方波VX＝20，VY＝20，掃描頻率＝600Hz，電流I＝10mA)，合金冷凝后在α+γ相區進行真空熱處理，處理溫度1200℃左右，時間2小時并隨爐冷至室溫至此完成一次晶粒細化處理，此時獲得細小的雙態組織。母材晶粒尺寸由為150～200μm下降為30～50μm。再經上述處理工藝，在已處理區域重新重熔后熱處理，所得晶粒尺寸為15～20μm。重熔處理表面作為被焊接面進行了TiAl/40Cr的釬焊搭接試驗，試驗結果發現在相同的焊接工藝條件下經過表面處理后焊接所得的接頭強度明顯高于未經表面重熔處理焊接所得的接頭。
權利要求
1.電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于它是這樣對鈦鋁基合金進行細晶化處理的首先對鈦鋁基合金工件進行預熱處理，然后利用移動電子束對工件進行重熔，合金冷凝后在α+γ相區進行真空熱處理，熱處理溫度為1100～1400℃，熱處理時間為1～2小時，至此完成一次晶粒細化處理。
2.根據權利要求1所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于工件的預熱方式為電子束散焦預熱或掃描預熱。
3.根據權利要求2所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于采用電子束散焦預熱方式進行預熱時，焊接速度為15mm/s，焊接電壓為55kV，聚焦電流為2790mA，焊接電流為3mA。
4.根據權利要求2所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于采用電子束掃描預熱方式進行預熱時，掃描波形為方波，VX＝20，VY＝20，掃描頻率＝600Hz，電流I＝3mA。
5.根據權利要求1所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于利用移動電子束對工件進行重熔的方式為局部重熔或表面重熔。
6.根據權利要求5所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于當利用移動電子束對工件進行表面重熔時，晶粒細化處理工序作為擴散焊或釬焊的中間過渡工藝。
7.根據權利要求5所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于當利用移動電子束對工件進行局部重熔時，焊接速度為4mm/s，焊接電壓為55kV，聚焦電流為2590mA，焊接電流為15mA。
8.根據權利要求5所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于當利用移動電子束對工件進行表面重熔時，掃描波形為方波，VX＝20，VY＝20，掃描頻率＝600Hz，電流I＝10mA。
9.根據權利要求1所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于進行兩次或兩次以上晶粒細化處理工序。
10.根據權利要求1所述的電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，其特征在于當鈦鋁基合金為全層片組織時，真空熱處理溫度為1300～1400℃。
全文摘要
電子束/熱處理復合細晶化處理鈦鋁基合金的方法，它屬于金屬熱處理領域。針對現有處理方法在細化TiAl基合金時存在難于得到細晶細片組織的弊端，本發明是這樣實現的首先對鈦鋁基合金工件進行預熱處理，然后利用移動電子束對工件進行重熔，合金冷凝后在α+γ相區進行真空熱處理，熱處理溫度為1100～1400℃，熱處理時間為1～2小時。本發明一次晶粒細化就可使晶粒明顯地細小化，原始母材晶粒尺寸為150～200μm，經本工藝一次細晶化處理后，晶粒尺寸下降為30～50μm。按上述工藝進行二次晶粒細化處理后，晶粒已充分細化，晶粒尺寸達到小于30μm，本發明晶粒細化效果明顯，細化工藝簡單，操作方便，熱處理時間大大縮短，效率明顯提高。
文檔編號C22F1/04GK1710140SQ200510010098
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月17日 優先權日2005年6月17日
發明者馮吉才, 吳會強, 何鵬, 何景山, 張秉剛 申請人:哈爾濱工業大學