鑄造鈦鋁合金原始鑄態(tài)組織熱處理工藝研究

鈦鋁合金細(xì)小全層片組織具有最佳的綜合力學(xué)性能。鑄造鈦鋁合金原始鑄態(tài)組織一般為γ-TiAl／α2-Ti3Al層片結(jié)構(gòu)。其層片團(tuán)粗大，層片團(tuán)尺寸及取向分布不均勻。在α單相區(qū)高溫?zé)崽幚砜梢詫?shí)現(xiàn)其組織的均勻化。但由于原始組織粗大且在高溫下α相晶粒長大難以控制，得到的鑄造鈦鋁合金全層片組織(fully lamellar-FL)通常仍具有粗大的層片團(tuán)。為提高鑄造鈦鋁合金的室溫拉伸塑性，經(jīng)一種多重?zé)崽幚砉に?，成功地獲取了鑄造鈦鋁合金細(xì)小全層片組織［5，6］。該工藝包括①α單相區(qū)均勻化，②900～1150℃熱循環(huán)，③1150℃等溫處理和④重新加熱至略高于Τα溫度短時(shí)等溫處理。但這種熱處理工藝較為復(fù)雜，處理周期較長，不利于工程應(yīng)用。

有研究發(fā)現(xiàn)，鑄造鈦鋁合金Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr(%)，采用冷坩堝真空感應(yīng)懸浮爐熔煉，重熔3次后澆入銅模得到φ40mm的鑄錠。30°扇形熱處理試樣從鑄錠上用線切割方法截取。熱處理試驗(yàn)在0.133Pa真空下進(jìn)行。參考鑄造Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr合金獲取等軸的近γ組織(near gamma-NG)和細(xì)小全層片組織(fine fully lamellar-FFL)的熱處理制度［5，6］，試驗(yàn)溫度和時(shí)間分別取為1150℃×（48～168)h和1370℃×（5～10)min。鎳具有擴(kuò)大鈦鋁合金γ單相區(qū)的作用，添加(原子分?jǐn)?shù))0.5%以上的鎳可以使Ti-48Al合金轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗唳媒M織。在100倍偏振光金相顯微鏡下旋轉(zhuǎn)載物臺360°觀察到，本研究得到的NG組織中有少量的等軸α2晶粒出現(xiàn)明顯的4次明亮后消光現(xiàn)象。與文獻(xiàn)研究得到的不含鎳鈦鋁合金NG組織相比，定性地觀察可見含鎳合金NG組織中α2相數(shù)量明顯較少。因而可以定性地說，添加0.2%～0.5%的鎳可使鈦鋁合金在1150℃下α2(或α)→γ相變驅(qū)動力增大，則對層片組織中能量起伏的增強(qiáng)作用加大，促進(jìn)了層片結(jié)構(gòu)中層片形狀擾動致層片間斷的發(fā)生。這些在相對較多時(shí)間產(chǎn)生的較多數(shù)量的層片內(nèi)端點(diǎn)有效地促進(jìn)了層片的分段連續(xù)粗化，從而可以使含鎳的鈦鋁合金以較簡單的熱處理工藝實(shí)現(xiàn)組織的均勻化和細(xì)化。

鈦鋁合金原始鑄態(tài)為有一定擇優(yōu)取向的全層片組織。因此，將得到的NG組織重新加熱到1370℃保溫5～10min后冷卻得到了層片團(tuán)細(xì)小等軸的全層片組織，其層片團(tuán)平均尺寸約為50μm，略小于鑄造Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr合金以相同工藝得到的FFL組織層片團(tuán)。根據(jù)其層片團(tuán)為等軸狀，且略大于基體NG組織的γ晶粒尺寸，本文認(rèn)為，含鎳鑄造鈦鋁合金FFL組織的形成機(jī)理不同于不含鎳的鈦鋁合金FFL組織，而是高溫α相等軸晶粒在γ相基體上形成并略有長大后冷卻過程中按一般全層片組織形成機(jī)理產(chǎn)生的，即冷卻至α＋γ兩相區(qū)后γ相在α晶粒中片狀析出構(gòu)成γ／α層片結(jié)構(gòu)，然后在冷卻至室溫過程中轉(zhuǎn)變?yōu)棣茫?層片結(jié)構(gòu)。

鈦鋁合金進(jìn)行了熱處理工藝研究，并對鎳微合金化簡化鑄造鈦鋁合金組織均勻化、細(xì)化熱處理工藝的作用機(jī)理及含鎳的鈦鋁合金細(xì)小全層片組織的形成機(jī)理作了分析討論。為改善鑄造鈦鋁合金在許多鈦鋁合金航空及車用發(fā)動機(jī)零件采用精密鑄造工藝成型提供了有力支撐。