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CN106702211B - 一种优化β‑γTiAl合金热加工性能的方法 - Google Patents

一种优化β‑γTiAl合金热加工性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种优化β‑γTiAl合金热加工性能的方法，它涉及一种优化β‑γTiAl合金热加工性能的方法。本发明是要解决现有的TiAl合金热加工性能差的问题。方法：将Nb、V、Cr、Mn、Mo、W六种常见元素分别按一定原子百分比添加至TiAl合金中，然后放入感应熔炼炉中熔炼，获得含有不同合金元素的TiAl合金铸锭，然后通过热处理消除成分和组织偏析，考察不同合金元素对TiAl合金中高温β相含量和热加工性能的定量影响，获得了控制高温下β相含量和合金热加工性能的Mo当量公式。本发明用于对β‑γTiAl合金热加工性能进行优化。

Description

一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法
技术领域
本发明涉及一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法。
背景技术
TiAl合金具有密度低、高温强度高、抗蠕变性能好和抗氧化能力强等优点，是航空航天工业中一种极具应用潜力的新型轻质高温结构材料，是目前替代航空发动机中广泛使用的Ni基高温合金的主要备选材料。TiAl合金的研究和应用对提高航空发动机的推重比、提高能源利用效率、增强飞行器的续航能力具有重要意义。然而较差的热加工性能始终制约着TiAl合金的发展。研究表明：TiAl合金的高温变形能力与合金元素的添加和相组成密切相关。通过添加一定的合金元素(如Nb、V、Cr、Mn、Mo、W等)能在高温下引入体心立方结构的无序β相，该相可在合金高温变形过程中提供较多的滑移系，从而有效改善TiAl合金的高温变形能力。因此，通过添加不同β相稳定元素在热加工温度引入更多的无序β相能明显改善TiAl合金的高温变形能力，此类含有β相的合金被称为beta-gamma TiAl合金。但目前对不同合金元素的β相稳定能力及其对TiAl合金热加工性能的影响缺乏认识，也没有评价TiAl合金热加工性能的定量方法。这在一定程度上阻碍了变形TiAl合金成分设计的准确性和合金的工程化应用。
发明内容
本发明是要解决现有的TiAl合金热加工性能差的问题，而提供一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法。
本发明一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法是按以下步骤进行：
一、单元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M，其中M依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的一种为原料，按合金成分称取，根据M的不同，得到6种单元素添加合金原料；
二、双元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M1-(1～10)M2，其中M1依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M2依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，且M1和M2不为同种元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的两种为原料，按合金成分称取，根据M1和M2的不同，得到15种双元素添加合金原料；
三、三元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M3-(1～10)M4-(1～10)M5，其中M3依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M4依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M5依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，且M3、M4和M5不为同种元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的三种为原料，按合金成分称取，根据M3、M4和M5的不同，得到20种三元素合金原料；
四、将6种单元素添加合金原料、15种双元素添加合金原料和20种三元素添加合金原料分别倒入真空非自耗水冷铜坩锅感应熔炼炉中进行熔炼，得到41种合金铸锭；
五、将41种合金铸锭分别放入热处理炉中进行成分均匀化退火；然后再进行组织均匀化退火，得到41种冷却的铸锭；
六、将41种冷却的铸锭分别放入温度为1130℃～1270℃的热处理炉中保持2～8h后水淬，得到41种淬火的TiAl合金铸锭；
七、分别从41种淬火的TiAl合金铸锭上切取淬火试样进行组织观察和成分分析；
八、通过分析和检测，得到使TiAl合金在高温出现无序β相M元素添加量的临界值；
九、根据不同M元素β相稳定能力的等效关系构建评价不同M元素β相稳定能力的Mo当量公式，即完成对β-γTiAl合金热加工性能的优化。
本发明的有益效果是：
本发明解决了在TiAl合金成分设计时缺乏定量设计原则的问题，为设计具有优异高温变形能力的新型beta-gamma TiAl合金提供有效指导。获得的Mo当量公式可以有效指导beta-gamma TiAl合金的成分设计和判断已有TiAl合金的热加工性能。本发明有效提升了beta-gamma TiAl合金成分设计的准确性和有效性。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法是按以下步骤进行：
一、单元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M，其中M依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的一种为原料，按合金成分称取，根据M的不同，得到6种单元素添加合金原料；
二、双元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M1-(1～10)M2，其中M1依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M2依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，且M1和M2不为同种元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的两种为原料，按合金成分称取，根据M1和M2的不同，得到15种双元素添加合金原料；
三、三元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M3-(1～10)M4-(1～10)M5，其中M3依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M4依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M5依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，且M3、M4和M5不为同种元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的三种为原料，按合金成分称取，根据M3、M4和M5的不同，得到20种三元素合金原料；
四、将6种单元素添加合金原料、15种双元素添加合金原料和20种三元素添加合金原料分别倒入真空非自耗水冷铜坩锅感应熔炼炉中进行熔炼，得到41种合金铸锭；
五、将41种合金铸锭分别放入热处理炉中进行成分均匀化退火；然后再进行组织均匀化退火，得到41种冷却的铸锭；
六、将41种冷却的铸锭分别放入温度为1130℃～1270℃的热处理炉中保持2～8h后水淬，得到41种淬火的TiAl合金铸锭；
七、分别从41种淬火的TiAl合金铸锭上切取淬火试样进行组织观察和成分分析；
八、通过分析和检测，得到使TiAl合金在高温出现无序β相M元素添加量的临界值；
九、根据不同M元素β相稳定能力的等效关系构建评价不同M元素β相稳定能力的Mo当量公式，即完成对β-γTiAl合金热加工性能的优化。
本实施方式以β相含量的多少作为评价TiAl合金热加工性能好坏的标准，即β相含量越多，TiAl合金的热加工性能越好。当Mo当量大于1时，合金在热加工温度(1100～1300℃)开始出现β相，随着合金元素添加量的增加，Mo当量增加，合金的热加工性能进一步改善。
本实施方式的组织分析显示：对于某种特定的β相稳定元素，只有该元素的添加量增加到一定数值时，高温下TiAl合金中才会开始析出β相。随着β相稳定元素的添加，TiAl合金中β相含量增多。
本实施方式利用Gleeble 1500D热模拟试验机在(1130～1270℃)/(0.01～0.05)s-1条件下对步骤四得到的合金铸锭进行热压缩实验。结果显示：不含β相的TiAl合金的热加工性能较差，在热压缩过程中易出现开裂等严重失效。含β相的TiAl合金的高温变形能力得到显著改善；随着合金中β相含量的增加，合金的变形抗力明显降低，高温变形能力显著提高。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一、步骤二和步骤三中所述的海绵钛的纯度≥99.9％，工业纯铝的纯度为99.9％～99.99％，纯铬的纯度为≥99.9％，纯钨的纯度为≥99.9％，铌铝合金中铌含量为52.59％，钒铝合金中钒含量为58.99％，锰铝合金中锰含量为49.8％，钼铝合金中钼含量为52.14％。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中的含量以质量百分比计。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤四中所述熔炼具体是按以下步骤进行的：将原料加入到真空非自耗水冷铜坩锅感应熔炼炉中，控制熔炼室的真空度为3.0×10-3MPa，调节熔炼炉功率在20min内增加至450～500KW后停止增加功率，保温2min，在保温时间内采用磁力搅拌搅拌0.5～1min，重复上述操作3～5次，得到合金铸锭。其它与具体实施方式一或二相同。
本实施方式采用真空自耗水冷铜坩锅真空感应熔炼技术得到的铸锭成分均匀，界面干净，其氧含量≤1000ppm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五中所述成分均匀化退火的温度为800～1000℃，时间为10～30h；所述组织均匀化退火的温度为1200～1400℃，时间为10～50min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式可以使TiAl合金具有更加均匀的炉冷显微组织，有效改善初始铸锭由于急冷而产生的组织偏析等缺陷。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤八中得到的使TiAl合金在高温出现无序β相M元素添加量的临界值分别为V元素的临界值为5at％，Cr元素的临界值为2at％，Nb元素的临界值为10at％，Mn元素的临界值为3at％，Mo元素的临界值为1at％，W元素的临界值为1at％。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤九中所述Mo当量公式为[Mo]eq＝Mo+2W+1/2Cr+1/3Mn+1/5V+1/10Nb。其它与具体实施方式一至五之一相同。
本实施方式中[Mo]eq>1时，组织中开始出现β相，热变形后的TiAl合金不会出现裂纹。Mo当量的值越大，合金元素的β相稳定能力越高，合金中所含的β相越多，合金的热加工性能也越好。根据热压缩性能测试，当Mo当量在1.5以上，合金的热加工性能可以得到明显改善。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法是按以下步骤进行：
一、按合金成分Ti-(41～45)Al-5Nb-0.3Y称取海绵钛、工业纯铝、铌铝合金和钇铝合金，得到原料；
二、将原料加入到真空非自耗水冷铜坩锅感应熔炼炉中，控制熔炼室的真空度为3.0×10-3MPa，调节熔炼炉功率在20min内增加至450～500KW后停止增加功率，保温2min，在保温时间内采用磁力搅拌搅拌0.5～1min，重复上述操作3～5次，得到合金铸锭；
三、将合金铸锭放入热处理炉中进行成分均匀化退火；然后再进行组织均匀化退火，得到冷却的铸锭；所述成分均匀化退火的温度为800～1000℃，时间为10～30h；所述组织均匀化退火的温度为1200～1400℃，时间为10～50min；
四、将冷却的铸锭放入温度为1130℃～1270℃的热处理炉中保持2～8h后水淬，得到淬火的TiAl合金铸锭；
五、利用Mo当量公式可计算出Ti-45Al-5Nb-0.3Y合金的Mo当量值为0.5，并以此预测合金热加工性能较差，在1200℃/0.01s-1条件下变形会发生开裂；
六、利用电火花线切割将Ti-45Al-5Nb-0.3Y合金铸锭切取尺寸为Φ8mm×12mm的圆柱，进行热压缩测试发现，在1200℃/0.01s-1条件下，合金高温变形的峰值应力较高，为190MPa，热压缩后样品发生严重开裂。
通过实施例一可发现这与本发明方法的预测一致。
实施例二：一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法是按以下步骤进行：
一、按合金成分Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.2Y称取海绵钛、工业纯铝、纯铬、铌铝合金和钇铝合金，得到原料；
二、将原料加入到真空非自耗水冷铜坩锅感应熔炼炉中，控制熔炼室的真空度为3.0×10-3MPa，调节熔炼炉功率在20min内增加至450～500KW后停止增加功率，保温2min，在保温时间内采用磁力搅拌搅拌0.5～1min，重复上述操作3～5次，得到合金铸锭；
三、将合金铸锭放入热处理炉中进行成分均匀化退火；然后再进行组织均匀化退火，得到冷却的铸锭；所述成分均匀化退火的温度为800～1000℃，时间为10～30h；所述组织均匀化退火的温度为1200～1400℃，时间为10～50min；
四、将冷却的铸锭放入温度为1130℃～1270℃的热处理炉中保持2～8h后水淬，得到淬火的TiAl合金铸锭；
五、利用Mo当量公式可计算出Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.2Y合金的Mo当量值为0.9，并以此预测合金热加工性能较差，在1200℃/0.01s-1条件下变形会发生开裂；
六、利用电火花线切割将Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.2Y合金铸锭切取尺寸为Φ8mm×12mm的圆柱，进行热压缩测试发现，在1200℃/0.01s-1条件下，合金高温变形的峰值应力较高，为160MPa，热压缩后样品发生微小开裂。
通过实施例二可发现这与本发明方法的预测一致。
实施例三：一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法是按以下步骤进行：
一、按合金成分Ti-43Al-9V-Y称取海绵钛、工业纯铝、钒铝合金和钇铝合金，得到原料；
二、将原料加入到真空非自耗水冷铜坩锅感应熔炼炉中，控制熔炼室的真空度为3.0×10-3MPa，调节熔炼炉功率在20min内增加至450～500KW后停止增加功率，保温2min，在保温时间内采用磁力搅拌搅拌0.5～1min，重复上述操作3～5次，得到合金铸锭；
三、将合金铸锭放入热处理炉中进行成分均匀化退火；然后再进行组织均匀化退火，得到冷却的铸锭；所述成分均匀化退火的温度为800～1000℃，时间为10～30h；所述组织均匀化退火的温度为1200～1400℃，时间为10～50min；
四、将冷却的铸锭放入温度为1130℃～1270℃的热处理炉中保持2～8h后水淬，得到淬火的TiAl合金铸锭；
五、利用Mo当量公式可计算出Ti-43Al-9V-Y合金的Mo当量值为1.8，并以此预测合金热加工性能较差，在1200℃/0.01s-1条件下变形会发生开裂；
六、利用电火花线切割将Ti-43Al-9V-Y合金铸锭切取尺寸为Φ8mm×12mm的圆柱，进行热压缩测试发现，在1200℃/0.01s-1条件下，合金高温变形的峰值应力较低，为45MPa，热压缩后样品外观良好，无开裂等缺陷。
通过实施例三可发现这与本发明方法的预测一致。
对合金成分的TiAl合金进行热压缩测试，通过观察流变应力和压缩试样的宏观形貌，可以得到，当Mo当量在1以上，合金的热加工性能开始有所改善；当Mo当量在1.5以上，TiAl合金具有优异的热加工性能。
本实施方式获得的成分设计方法简单方便，可以有效地判断某种TiAl合金热加工性能的优劣，也可以有效指导新型beta-gamma TiAl合金的成分设计，获得具有优异热加工性能的TiAl合金。

Claims (6)

1.一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法，其特征在于优化β-γTiAl合金热加工性能的方法是按以下步骤进行：
一、单元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M，其中M依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的一种为原料，按合金成分称取，根据M的不同，得到6种单元素添加合金原料；
二、双元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M1-(1～10)M2，其中M1依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M2依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，且M1和M2不为同种元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的两种为原料，按合金成分称取，根据M1和M2的不同，得到15种双元素添加合金原料；
三、三元素添加合金配料：合金成分按原子百分比表示为Ti-(41～45)Al-(1～10)M3-(1～10)M4-(1～10)M5，其中M3依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M4依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，M5依次为Nb元素、V元素、Cr元素、Mn元素、Mo元素和W元素，且M3、M4和M5不为同种元素；以海绵钛和工业纯铝，及铌铝合金、钒铝合金、纯铬、锰铝合金、钼铝合金和纯钨中的三种为原料，按合金成分称取，根据M3、M4和M5的不同，得到20种三元素合金原料；
四、将6种单元素添加合金原料、15种双元素添加合金原料和20种三元素添加合金原料分别倒入真空非自耗水冷铜坩埚感应熔炼炉中进行熔炼，得到41种合金铸锭；
五、将41种合金铸锭分别放入热处理炉中进行成分均匀化退火；然后再进行组织均匀化退火，得到41种冷却的铸锭；
六、将41种冷却的铸锭分别放入温度为1130℃～1270℃的热处理炉中保持2～8h后水淬，得到41种淬火的TiAl合金铸锭；
七、分别从41种淬火的TiAl合金铸锭上切取淬火试样进行组织观察和成分分析；
八、通过分析和检测，得到使TiAl合金在高温出现无序β相M元素添加量的临界值；
九、根据不同M元素β相稳定能力的等效关系构建评价不同M元素β相稳定能力的Mo当量公式，即完成对β-γTiAl合金热加工性能的优化。
2.根据权利要求1所述的一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤一、步骤二和步骤三中所述的海绵钛的纯度≥99.9％，工业纯铝的纯度为99.9％～99.99％，纯铬的纯度为≥99.9％，纯钨的纯度为≥99.9％，铌铝合金中铌含量为52.59％，钒铝合金中钒含量为58.99％，锰铝合金中锰含量为49.8％，钼铝合金中钼含量为52.14％。
3.根据权利要求1所述的一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤四中所述熔炼具体是按以下步骤进行的：将原料加入到真空非自耗水冷铜坩埚感应熔炼炉中，控制熔炼室的真空度为3.0×10-3MPa，调节熔炼炉功率在20min内增加至450～500KW后停止增加功率，保温2min，在保温时间内采用磁力搅拌搅拌0.5～1min，重复上述操作3～5次，得到合金铸锭。
4.根据权利要求1所述的一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤五中所述成分均匀化退火的温度为800～1000℃，时间为10～30h；所述组织均匀化退火的温度为1200～1400℃，时间为10～50min。
5.根据权利要求1所述的一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤八中得到的使TiAl合金在高温出现无序β相M元素添加量的临界值分别为V元素的临界值为5at％，Cr元素的临界值为2at％，Nb元素的临界值为10at％，Mn元素的临界值为3at％，Mo元素的临界值为1at％，W元素的临界值为1at％。
6.根据权利要求1所述的一种优化β-γTiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤九中所述Mo当量公式为[Mo]eq＝Mo+2W+1/2Cr+1/3Mn+1/5V+1/10Nb。
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