專利名稱：一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鈦鋁合金板坯表層組織的處理方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代軍用飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的要求越來(lái)越高，而發(fā)動(dòng)機(jī)的性能主要取決于 葉片的性能。現(xiàn)在用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的材料多為鈦鋁合金，定向凝固的鈦鋁合金原始組 織為柱狀晶，其柱狀晶組織具有沿坯料長(zhǎng)度方向生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向，柱狀晶粒沿晶粒生 長(zhǎng)方向的長(zhǎng)度大約為10mm，柱狀晶粒的縱截面顯微組織是全片層組織，晶粒尺寸約為 300 μ m 500 μ m,各個(gè)晶粒內(nèi)層片的生長(zhǎng)方向不一致。對(duì)于定向凝固的鈦鋁合金葉片 坯來(lái)講，如果能通過(guò)表層塑性變形工藝輔以后繼熱處理工藝，獲得表層為等軸細(xì)晶、內(nèi) 部為定向粗大柱狀晶的復(fù)合組織，就能同時(shí)滿足對(duì)疲勞強(qiáng)度、斷裂韌性、塑性、抗蠕變 性能和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力的要求。若想得到該合金的再結(jié)晶晶粒，按現(xiàn)有的方法按以 下公式Tr(K) = (0.35 0.4) Tm，其中Tr——再結(jié)晶溫度，Tm——金屬熔點(diǎn)計(jì)算出鈦鋁合金的再結(jié)晶溫度范圍為700°C 900°C，將鈦鋁合金經(jīng)過(guò)冷變形 后，再在700°C 900°C的高溫下發(fā)生回復(fù)使其再結(jié)晶，得到的鈦鋁合金的晶粒尺寸和形 態(tài)沒(méi)有發(fā)生任何變化，再繼續(xù)提高溫度，得到了含有孔洞的疏松的TiOdPAl2O3混合氧化 物膜，該氧化膜達(dá)到一定的臨界厚度klO μ m)即開(kāi)始剝落，剝落始自金屬/膜界面，根 本不能形成理想的定向凝固柱狀晶組織和等軸細(xì)晶的復(fù)合的組織結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有的熱處理方法使鈦鋁合金表面形成易剝落的疏松的TiO2和 Al2O3混合氧化物膜，不能形成定向凝固柱狀晶組織和等軸細(xì)晶的復(fù)合的組織結(jié)構(gòu)的技術(shù) 問(wèn)題，而提供一種一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法。本發(fā)明的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，按以下步驟進(jìn)行 一、測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由Y相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度Α; 二、在室溫下，將 鈦鋁合金板坯利用滾珠滾壓進(jìn)行表面塑性變形，壓下量為0.1mm 0.2_;三、將經(jīng)過(guò) 表面塑性變形后的鈦鋁合金板坯試樣放入石英管中密封，將石英管抽真空至IX KT4Pa IXlO-3Pa;四、將步驟三的石英管放在加熱爐中加熱至比溫度A高10°C 20°C的溫度并 保持IOmin 20min，然后從石英管中取出鋁合金板坯投入到溫度為10°C 25°C的水中 淬火，得到表層組織細(xì)化的定向凝固鈦鋁合金板坯。本發(fā)明采用比傳統(tǒng)的熱處理溫度高400°C 800°C的溫度，并采用真空加熱方 式，得到了表面為細(xì)化的等軸細(xì)晶、中心仍為定向凝固柱狀晶組織的復(fù)合組織的鈦鋁合 金板坯，采用傳統(tǒng)的加熱方法，由于鈦原子和鋁原子的各自氧化物生成自由能很低，而且鋁原子的活度為負(fù)偏差，在高溫的空氣中，其抗氧化能力非常弱，鋁原子很難選擇性 氧化生成致密和具有抗氧化保護(hù)性的Al2O3保護(hù)膜，而是生成了含有多空洞的疏松TiO2 和Al2O3混合氧化物膜；而本發(fā)明采用真空加熱方式，避免了鈦鋁合金與高溫空氣的接 觸，避免了疏松混合氧化物膜的形成；本發(fā)明的只對(duì)鈦鋁合金板坯進(jìn)行少量的表面塑性 變形及單次熱處理，避免了循環(huán)熱處理易使表層受熱應(yīng)力的作用而脫落的缺點(diǎn)。本發(fā)明 得到的鈦鋁合金板坯的表層100 μ m 200 μ m的厚度范圍內(nèi)形成了晶粒大小為10 μ m 30μιη的細(xì)晶層，而坯料中心部位的組織保持原有定向凝固柱狀晶組織狀態(tài)，形成了定 向凝固柱狀晶組織和等軸細(xì)晶的復(fù)合的組織結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)滿足對(duì)葉片的高溫蠕變和高 溫疲勞性能的要求?？捎糜谥圃旌娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片。


圖1是具體實(shí)施方式
十二的步驟一中Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金板坯的差熱分析曲 線圖；圖2是具體實(shí)施方式
十二的步驟一中Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯的晶粒生長(zhǎng)方 向上的金相組織照片；圖3是具體實(shí)施方式
十二的步驟一中Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板 坯的晶?？v截面的顯微組織照片；圖4是具體實(shí)施方式
十二制備的表層組織細(xì)化的定向 凝固鈦鋁合金板坯的晶粒縱截面的顯微組織照片。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的 方法，按以下步驟進(jìn)行一、測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由Y相向α相轉(zhuǎn)變完成的 溫度Α; 二、在室溫下，將鈦鋁合金板坯利用滾珠滾壓進(jìn)行表面塑性變形，壓下量為 0.1mm 0.2mm;三、將經(jīng)過(guò)表面塑性變形后的鈦鋁合金板坯試樣放入石英管中密封， 將石英管抽真空至lX10_4Pa lX10_3Pa;四、將步驟三的石英管放在加熱爐中加熱至比 溫度A高10°C 20°C的溫度并保持IOmin 20min，然后從石英管中取出鋁合金板坯投 入到溫度為10°C 25°C的水中淬火，得到表層組織細(xì)化的定向凝固鈦鋁合金板坯。
本實(shí)施方式中測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由、相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度A的方 法為現(xiàn)有技術(shù)。本實(shí)施方式采用比傳統(tǒng)的熱處理溫度高400°C 800°C的溫度，并采用真空加熱 方式，得到了表面為細(xì)化的等軸細(xì)晶、中心仍為定向凝固柱狀晶組織的復(fù)合組織的鈦鋁 合金板坯，采用傳統(tǒng)的加熱方法，由于鈦原子和鋁原子的各自氧化物生成自由能很低， 而且鋁原子的活度為負(fù)偏差，在高溫的空氣中，其抗氧化能力非常弱，鋁原子很難選 擇性氧化生成致密和具有抗氧化保護(hù)性的Al2O3保護(hù)膜，而是生成了含有多空洞的疏松 TiO2和Al2O3混合氧化物膜；而本發(fā)明采用真空加熱方式，避免了鈦鋁合金與高溫空氣 的接觸，避免了疏松混合氧化物膜的形成；本發(fā)明的只對(duì)鈦鋁合金板坯進(jìn)行少量的表面 塑性變形及單次熱處理，避免了循環(huán)熱處理易使表層受熱應(yīng)力的作用而脫落的缺點(diǎn)。本 發(fā)明得到的鈦鋁合金板坯的表層約ΙΟΟμιη 200μιη的厚度范圍內(nèi)形成了晶粒大小為 10 μ m 30 μ m的細(xì)晶層，而坯料中心部位的組織保持原有定向凝固柱狀晶組織狀態(tài)。 能夠同時(shí)滿足對(duì)葉片的高溫蠕變和高溫疲勞性能的要求?？捎糜谥圃旌娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟二中的表面塑性變形的壓下量為0.12mm 0.18mm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是步驟二中的表面塑 性變形的壓下量為0.15mm。其它與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟三中 將石英管抽真空至2 X ICT4Pa 8X 10_4Pa。其它與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至三之一不同的是步驟三中 將石英管抽真空至5X10_4Pa。其它與具體實(shí)施方式
一至三之一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟四中 石英管加熱至比溫度A高12°C 18°C的溫度并保持12min 18min。其它與具體實(shí)施方 式一至五之一相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至五之一不同的是步驟四中 石英管加熱至比溫度A高15°C的溫度并保持15min。其它與具體實(shí)施方式
一至五之一相 同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七之一不同的是步驟四中 淬火時(shí)水的溫度為12°C 23°C。其它與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至七之一不同的是步驟四中 淬火時(shí)水的溫度為15°C。其它與具體實(shí)施方式
一至七之一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至九之一不同的是步驟一中 測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由Y相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度A的方法為將鈦鋁合金板 坯進(jìn)行差示掃描量熱分析(DSC)，DSC試驗(yàn)參數(shù)為升溫范圍為50°C 1450°C，升溫速 率為18K/min 22K/min，測(cè)得的差熱曲線上，在1200°C 1400°C的溫度范圍內(nèi)的吸熱 峰所對(duì)應(yīng)的溫度，即為鈦鋁合金板坯由、相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度Α。其它與具體實(shí) 施方式一至九之一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一至九之一不同的是步驟一 中測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由Y相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度A的方法為將鈦鋁合金 板坯進(jìn)行差示掃描量熱分析(DSC)，DSC試驗(yàn)參數(shù)為升溫范圍為60°C 1400°C，升溫 速率為20K/min，測(cè)得的差熱曲線上，在1200°C 1400°C的溫度范圍內(nèi)的吸熱峰所對(duì)應(yīng) 的溫度，即為鈦鋁合金板坯由、相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度Α。其它與具體實(shí)施方式
一 至九之一相同。
具體實(shí)施方式
十二 本實(shí)施方式的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的 方法按以下步驟進(jìn)行一、測(cè)試定向凝固Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯由、相向α相 轉(zhuǎn)變完成的溫度A為1370°C ； 二、在室溫下，將Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯利用滾珠 滾壓進(jìn)行表面塑性變形，壓下量為0.15mm;三、將經(jīng)Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯放入 石英管中密封，將石英管抽真空至IX KT3Pa;四、將步驟三的石英管放在加熱爐中加熱 至1380°C并保持15min，然后從容器中取出鋁合金板坯投入到溫度為20°C的水中淬火， 得到表層組織細(xì)化的定向凝固鈦鋁合金板坯。本實(shí)施方式步驟一中測(cè)試Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯由Y相向α相轉(zhuǎn)變完 成的溫度A的方法為將Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯進(jìn)行差示掃描量熱分析(DSC)試 驗(yàn)，DSC試驗(yàn)參數(shù)為升溫范圍為50°C 1400°C，升溫速率為20K/min。得到的差熱曲線如圖1所示，從圖1可以看出，Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金板坯的Y — α的相轉(zhuǎn)變完 成的溫度A為1370°C。本實(shí)施方式步驟一中的Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金板坯的生長(zhǎng)方向上的金相組 織照片如圖2所示，柱狀晶粒的縱截面的顯微組織照片如圖3所示，從圖2可以看出， Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯原始組織為柱狀晶，晶粒沿晶粒生長(zhǎng)方向的高度為IOmm 30mm。從圖3可以看出Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯的晶粒的縱截面顯微組織是全片層 組織，晶粒尺寸約為300μιη 500μιη，各個(gè)晶粒內(nèi)層片的生長(zhǎng)方向不一致。本實(shí)施方式得到的表層組織細(xì)化的定向凝固鈦鋁合金板坯的晶粒的縱截面的 顯微組織照片如圖4所示，從圖4可以看出Ti-46Al-0.5W_0.5Si合金板坯的表層為 100 μ m 200 μ m的厚度范圍內(nèi)形成了晶粒大小為10 μ m 30 μ m的細(xì)晶層，而坯料中 心部位的晶粒大小為300μιη 500μιη，與未進(jìn)行熱處理前的晶粒的直徑保持一致，所 以保持著原有定向凝固柱狀晶組織狀態(tài)。本實(shí)施方式采用比傳統(tǒng)的熱處理溫度高480°C 680°C的溫度，并采用真空加熱 方式，得到了表面為細(xì)化的等軸細(xì)晶、中心仍為定向凝固柱狀晶組織的復(fù)合組織的鈦鋁 合金板坯，采用傳統(tǒng)的加熱方法，由于鈦原子和鋁原子的各自氧化物生成自由能很低， 而且鋁原子的活度為負(fù)偏差，在高溫的空氣中，其抗氧化能力非常弱，鋁原子很難選擇 性氧化生成致密和具有抗氧化保護(hù)性的Al2O3保護(hù)膜，而是生成了含有多空洞的疏松TiO2 和Al2O3混合氧化物膜；而本實(shí)施方式采用真空加熱方式，避免了鈦鋁合金與高溫空氣的 接觸，避免了疏松混合氧化物膜的形成；本實(shí)施方式的只對(duì)鈦鋁合金板坯進(jìn)行少量的表 面塑性變形及單次熱處理，避免了循環(huán)熱處理易使表層受熱應(yīng)力的作用而脫落的缺點(diǎn)。 本實(shí)施方式得到的鈦鋁合金板坯的表層為晶粒大小為ΙΟμιη 30μιη的細(xì)晶層，而坯料 中心部位的組織保持原有定向凝固柱狀晶組織狀態(tài)，形成了定向凝固柱狀晶組織和等軸 細(xì)晶的復(fù)合的組織結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)滿足對(duì)葉片的高溫蠕變和高溫疲勞性能的要求。可用 于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特征在于細(xì)化定向凝固鈦鋁 合金板坯表層組織的方法按以下步驟進(jìn)行一、測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由Y相向 α相轉(zhuǎn)變完成的溫度Α; 二、在室溫下，將鈦鋁合金板坯利用滾珠滾壓進(jìn)行表面塑性變 形，壓下量為0.1mm 0.2mm;三、將經(jīng)過(guò)表面塑性變形后的鈦鋁合金板坯試樣放入石 英管中密封，將石英管抽真空至1 X10_4Pa 1 X10_3Pa ；四、將步驟三的石英管放在加熱 爐中加熱至比溫度A高10°C 20°C的溫度并保持IOmin 20min，然后從石英管中取出 鋁合金板坯投入到溫度為10°C 25°C的水中淬火，得到表層組織細(xì)化的定向凝固鈦鋁合 金板坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特征在 于步驟二中的表面塑性變形的壓下量為0.12mm 0.18mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特 征在于步驟二中的表面塑性變形的壓下量為0.15mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特 征在于步驟三中將石英管抽真空至2 X ICT4Pa 8X 10_4Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特 征在于步驟三中將石英管抽真空至5 X 10_4Pa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特 征在于步驟四中石英管加熱至比溫度A高12°C 18°C的溫度并保持12min 18min。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特 征在于步驟四中石英管加熱至比溫度A高15°C的溫度并保持15min。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特 征在于步驟四中淬火時(shí)水的溫度為12°C 23°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其特 征在于步驟四中淬火時(shí)水的溫度為15°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，其 特征在于步驟一中測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由Y相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度A的方法 為將鈦鋁合金板坯進(jìn)行差示掃描量熱分析，差示掃描量熱分析試驗(yàn)參數(shù)為升溫范圍 為50°C 1450°C，升溫速率為18K/min 22K/min，測(cè)得的差熱曲線上，在1200°C 1400°C的溫度范圍內(nèi)的吸熱峰所對(duì)應(yīng)的溫度，即為鈦鋁合金板坯由Y相向α相轉(zhuǎn)變完成 的溫度Α。
全文摘要
一種細(xì)化定向凝固鈦鋁合金板坯表層組織的方法，它涉及鈦鋁合金板坯表層組織的處理方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的現(xiàn)有的熱處理方法使鈦鋁合金表面形成易剝落的疏松的TiO2和Al2O3混合氧化物膜，不能形成定向凝固柱狀晶組織和等軸細(xì)晶的復(fù)合的組織結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。本方法測(cè)試定向凝固鈦鋁合金板坯由γ相向α相轉(zhuǎn)變完成的溫度A，然后將鈦鋁合金板坯進(jìn)行表面塑性變形后，密封在石英管中，將石英管抽真空后加熱至比溫度A高10℃～20℃的溫度并保持10min～20min，然后淬火，得到表層組織細(xì)化的定向凝固鈦鋁合金板坯，該鈦鋁合金板坯的表層為細(xì)晶層，而中心部位的組織保持定向凝固柱狀晶組織狀態(tài)?？捎糜谥圃旌娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)葉片。
文檔編號(hào)C22F1/18GK102011078SQ20101060200
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者任濤林, 單德彬, 徐文臣 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)