专利名称：电子束／热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法
技术领域：
本发明属于金属热处理领域。
背景技术：
钛铝基合金由于具有高温蠕变比强度和比刚度，以及良好的抗氧化性能，被认为是理想的航空航天用结构材料，可在高温下使用代替镍基高温合金用作高推重比发动机热端部件，如涡轮盘、密封壳体、叶片及压气机静子、尾喷管等，也可用于地面动力系统，如汽车、坦克发动机、增压涡轮、排气阀、活塞等高温零部件。但其室温塑性、室温断裂韧性、抗裂纹扩展抗力很低，这些缺点一直阻碍TiAl基合金的应用。
TiAl基合金的力学性能强烈地依赖其显微组织。双态组织具有最佳的延性，但断裂韧性较低；粗大的全层片组织的强度和延性低，但有很好的断裂韧性，层片组织晶团尺寸减小，强度和延性都提高。国内外研究已经确认了TiAl基合金屈服强度与晶粒尺寸的关系，较好地遵循Hall-Petch公式。由此可见，细化TiAl基合金是有效的提高TiAl基合金力学性能的重要手段。
因其可净形成形和低廉价格，铸造工艺将是钛铝基合金首先取得工业应用的技术途径。但TiAl基合金铸态组织通常为粗大片团的层片结构，其室温延性几乎为零，只有经过合金化、形变热处理或特殊热处理等方法细化显微组织，才能将铸态合金用作高温结构材料。采用合金化、循环热处理及形变处理技术已发展出多种钛铝基合金组织。大量研究表明，细小的全层片组织或双态组织最有可能在应用上获得成功。
从目前文献联机检索结果来看，一般组织控制方法难于得到细晶细片组织，现有的用于细晶TiAl基合金的方法有粉末冶金，熔铸时添加晶粒细化剂(TiB2，BN等)，热机械处理和直接热处理等方法。热机械处理是TiAl基合金进行热变形后采用热处理的方法，但这种形变诱导细化机制由于成本高，材料利用率低，难以实用化。而直接热处理，多采用循环法，虽然工艺较为简单，但存在时间周期长，效率低等问题。
少量研究通过采用淬火和回火反复处理工艺获得细小的双态组织，但淬火过程因急速冷却产生的热应力和组织应力易导致试样开裂。
发明内容
针对现有处理方法在细化TiAl基合金时存在难以得到细晶细片组织、成本高、周期长，效率低的弊端，本发明提供一种能有效细化各种钛铝基合金晶粒的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，它是这样实现的首先对钛铝基合金工件进行预热处理，然后利用移动电子束对工件进行重熔，合金冷凝后在α+γ相区进行真空热处理，热处理温度为1100～1400℃，热处理时间为1～2小时，至此完成一次晶粒细化处理。
本发明的方法还可进行表面细晶，作为扩散焊，钎焊此类材料中间过渡工艺，工序流程为(如图1)为防止表面裂纹的产生，待焊钛铝基合金表面需经电子束扫描/散焦预热后，利用移动电子束进行表面重熔，合金冷凝后在α+γ相区进行真空热处理，处理温度1200℃左右，时间1～2小时(选择处理温度的范围可根据合金母材组织特征加以适当调整，如TiAl基合金母材为全层片组织，温度可选择1350℃左右)，至此完成一次表面晶粒细化处理，获得细小的双态组织，或细小的片层组织。重熔处理表面作为被焊接面，装配成钎焊/扩散焊接接头形式如对接、搭接、T型接头等。本方法适用于钎焊或扩散焊母材涉及TiAl基合金的同质或异质材料焊接的范畴。
在上述晶粒细化处理过程中，电子束重熔合金，冷凝时由于冷却速度较快，类似于焊接热循环过程，因而得到的是非平衡组织，破坏了原来粗大的铸造组织。新的凝固组织中含有大量的位错、空位等缺陷，成为热处理过程再结晶优先形核的位置。α相大量、均匀形核的结果，使得α相晶粒长大过程中相互制约，阻碍彼此晶粒间长大。选择两相区进行再结晶处理，也是为了能较好地控制晶粒的长大速度，因而处理后得到的晶粒就非常细小。
试验表明本发明一次晶粒细化就可使晶粒明显地细小化，原始母材晶粒尺寸为150～200μm，经本工艺一次细晶化处理后，晶粒尺寸下降为30～50μm。按上述工艺进行二次晶粒细化处理后，晶粒已充分细化，晶粒尺寸达到小于30μm。与现有技术相比，本发明的主要优点如下晶粒细化效果明显，细化工艺简单，操作方便，热处理时间大大缩短，效率明显提高。
图1为电子束表面重熔细晶化处理钛铝基合金及后续焊接的工艺流程图；
图2为具体实施方式
一中电子束细晶化处理钛铝基合金方法的工艺流程图；图3为具体实施方式
二中电子束局部重熔细晶化处理钛铝基合金的工艺流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式是这样对钛铝基合金进行细化处理的钛铝基合金熔炼完毕后，采用900℃/32h均匀化热处理，然后采用1250℃、152Mpa、4h热等静压处理铸锭。如图2所示，对钛铝基合金进行预热处理，然后利用移动电子束对钛铝基合金进行重熔，合金冷凝后在α+γ相区进行真空热处理，热处理温度为1100～1400℃，热处理时间为1～2小时，至此完成一次晶粒细化处理，获得细小的双态组织焊接面。本实施方式中所述预热处理方式为电子束散焦或扫描预热；利用移动电子束对工件进行重熔的方式为局部重熔或表面重熔，当利用移动电子束对工件进行表面重熔处理时，可用此方法进行表面细晶，作为扩散焊、钎焊此类材料的中间过渡工艺；当钛铝基合金为全层片组织时，可调节真空热处理温度在1300～1400℃范围内。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是，为了提高细化效果，可进行两次或两次以上的具体实施方式
一中所述的晶粒细化处理工序，工序示意如图3所示。
具体实施方式
三本实施方式利用真空感应凝壳冶炼完成铸锭冶金熔炼过程，合金成分为Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(at.％)，在900℃的温度下均匀化热处理32h，然后在1250℃、152Mpa的条件下热等静压处理4h，以消除铸造过程中产生的缩孔等微小缺陷。切取部分试样经表面酸洗、丙酮擦拭等工艺，对工件表面进行预处理，然后将工件置于真空电子束焊接机中，在真空度为5×10-4Torr的条件下，采用散焦预热方式进行预热，其中焊接速度15mm/s；焊接电压55kV；聚焦电流2790mA；焊接电流3mA。利用移动电子束进行局部重熔，具体工艺参数为焊接速度为4mm/s，焊接电压为55kV，聚焦电流为2590mA，焊接电流为15mA；冷凝后随炉冷却至室温。
此后将试样置于真空热处理炉中，在α+γ相区进行1200℃/2h真空热处理，随炉冷却至室温，至此完成一次晶粒细化处理，此时获得细小的双态组织。母材晶粒尺寸由为150～200μm下降为30～50μm。再经上述处理工艺，在已处理区域重新重熔后热处理，所得晶粒尺寸为15～20μm。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
三不同的是，合金成分为Ti-48Al-2.5V-1.0Cr(at.％)，试样置于真空热处理炉中在α+γ相区进行真空热处理的温度为1350℃。其他工艺过程、工艺参数及热处理后母材晶粒尺寸与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五本实施方式中对TiAl基合金进行表面细晶化处理，作为扩散焊，钎焊此类材料中间过渡工艺。为防止表面裂纹的产生，待焊钛铝基合金表面处理后经电子束扫描预热，扫描波形为方波，VX＝20，VY＝20，扫描频率＝600Hz，电流I＝3mA。利用移动扫描电子束进行表面重熔(扫描波形为方波VX＝20，VY＝20，扫描频率＝600Hz，电流I＝10mA)，合金冷凝后在α+γ相区进行真空热处理，处理温度1200℃左右，时间2小时并随炉冷至室温至此完成一次晶粒细化处理，此时获得细小的双态组织。母材晶粒尺寸由为150～200μm下降为30～50μm。再经上述处理工艺，在已处理区域重新重熔后热处理，所得晶粒尺寸为15～20μm。重熔处理表面作为被焊接面进行了TiAl/40Cr的钎焊搭接试验，试验结果发现在相同的焊接工艺条件下经过表面处理后焊接所得的接头强度明显高于未经表面重熔处理焊接所得的接头。
权利要求
1.电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于它是这样对钛铝基合金进行细晶化处理的首先对钛铝基合金工件进行预热处理，然后利用移动电子束对工件进行重熔，合金冷凝后在α+γ相区进行真空热处理，热处理温度为1100～1400℃，热处理时间为1～2小时，至此完成一次晶粒细化处理。
2.根据权利要求1所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于工件的预热方式为电子束散焦预热或扫描预热。
3.根据权利要求2所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于采用电子束散焦预热方式进行预热时，焊接速度为15mm/s，焊接电压为55kV，聚焦电流为2790mA，焊接电流为3mA。
4.根据权利要求2所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于采用电子束扫描预热方式进行预热时，扫描波形为方波，VX＝20，VY＝20，扫描频率＝600Hz，电流I＝3mA。
5.根据权利要求1所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于利用移动电子束对工件进行重熔的方式为局部重熔或表面重熔。
6.根据权利要求5所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于当利用移动电子束对工件进行表面重熔时，晶粒细化处理工序作为扩散焊或钎焊的中间过渡工艺。
7.根据权利要求5所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于当利用移动电子束对工件进行局部重熔时，焊接速度为4mm/s，焊接电压为55kV，聚焦电流为2590mA，焊接电流为15mA。
8.根据权利要求5所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于当利用移动电子束对工件进行表面重熔时，扫描波形为方波，VX＝20，VY＝20，扫描频率＝600Hz，电流I＝10mA。
9.根据权利要求1所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于进行两次或两次以上晶粒细化处理工序。
10.根据权利要求1所述的电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，其特征在于当钛铝基合金为全层片组织时，真空热处理温度为1300～1400℃。
全文摘要
电子束/热处理复合细晶化处理钛铝基合金的方法，它属于金属热处理领域。针对现有处理方法在细化TiAl基合金时存在难于得到细晶细片组织的弊端，本发明是这样实现的首先对钛铝基合金工件进行预热处理，然后利用移动电子束对工件进行重熔，合金冷凝后在α+γ相区进行真空热处理，热处理温度为1100～1400℃，热处理时间为1～2小时。本发明一次晶粒细化就可使晶粒明显地细小化，原始母材晶粒尺寸为150～200μm，经本工艺一次细晶化处理后，晶粒尺寸下降为30～50μm。按上述工艺进行二次晶粒细化处理后，晶粒已充分细化，晶粒尺寸达到小于30μm，本发明晶粒细化效果明显，细化工艺简单，操作方便，热处理时间大大缩短，效率明显提高。
文档编号C22F1/04GK1710140SQ200510010098
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月17日 优先权日2005年6月17日
发明者冯吉才, 吴会强, 何鹏, 何景山, 张秉刚 申请人:哈尔滨工业大学