鑄造鈦鋁合金原始鑄態(tài)組織熱處理工藝研究

鈦鋁合金細小全層片組織具有最佳的綜合力學性能。鑄造鈦鋁合金原始鑄態(tài)組織一般為γ-TiAl／α2-Ti3Al層片結構。其層片團粗大，層片團尺寸及取向分布不均勻。在α單相區(qū)高溫熱處理可以實現(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。為提高鑄造鈦鋁合金的室溫拉伸塑性，經(jīng)一種多重熱處理工藝，成功地獲取了鑄造鈦鋁合金細小全層片組織［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溫度短時等溫處理。但這種熱處理工藝較為復雜，處理周期較長，不利于工程應用。

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。熱處理試驗在0.133Pa真空下進行。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)和細小全層片組織(fine fully lamellar-FFL)的熱處理制度［5，6］，試驗溫度和時間分別取為1150℃×（48～168)h和1370℃×（5～10)min。鎳具有擴大鈦鋁合金γ單相區(qū)的作用，添加(原子分數(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作用加大，促進了層片結構中層片形狀擾動致層片間斷的發(fā)生。這些在相對較多時間產(chǎn)生的較多數(shù)量的層片內(nèi)端點有效地促進了層片的分段連續(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現(xiàn)組織的均勻化和細化。

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細小等軸的全層片組織，其層片團平均尺寸約為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。根據(jù)其層片團為等軸狀，且略大于基體NG組織的γ晶粒尺寸，本文認為，含鎳鑄造鈦鋁合金FFL組織的形成機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晶粒中片狀析出構成γ／α層片結構，然后在冷卻至室溫過程中轉(zhuǎn)變?yōu)棣茫?層片結構。

鈦鋁合金進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、細化熱處理工藝的作用機理及含鎳的鈦鋁合金細小全層片組織的形成機理作了分析討論。為改善鑄造鈦鋁合金在許多鈦鋁合金航空及車用發(fā)動機零件采用精密鑄造工藝成型提供了有力支撐。