含镍铸造钛铝合金的热处理

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作者：张继 张志宏 马万青 邹敦叙 仲增墉
摘要：对含镍0.2％～0.5％(原子百分数，下同)的铸造Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr（％）合金进行1150℃×144h等温热处理，使铸态粗大、不均匀的层片组织分解为均匀、细小、等轴的近γ组织，然后将其重新加热到1370℃×（5～10）min后冷却，得到层片团等轴、细小、均匀的全层片组织。对镍微合金化简化铸造钛铝合金组织均匀化、细化热处理工艺的作用机理及含镍的钛铝合金细小全层片组织的形成机理作了分析讨论。
关键词：铸造钛铝合金热处理镍微合金化

许多钛铝合金航空及车用发动机零件采用精密铸造工艺成型，热处理成为改善铸造钛铝合金组织的关键技术之一［1］。

铸造钛铝合金原始铸态组织一般为γ-TiAl／α2-Ti3Al层片结构。其层片团粗大，层片团尺寸及取向分布不均匀［2］。在α单相区高温热处理可以实现其组织的均匀化［3］。但由于原始组织粗大且在高温下α相晶粒长大难以控制，得到的铸造钛铝合金全层片组织（fully lamellar-FL）通常仍具有粗大的层片团［4］。为提高铸造钛铝合金的室温拉伸塑性，经一种多重热处理工艺，成功地获取了铸造钛铝合金细小全层片组织［5，6］。该工艺包括①α单相区均匀化，②900～1150℃热循环，③1150℃等温处理和④重新加热至略高于Τα温度短时等温处理。但这种热处理工艺较为复杂，处理周期较长，不利于工程应用。

本文对以镍微合金化的铸造Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr（原子百分数，下同）合金进行了热处理工艺研究，并对镍微合金化简化铸造钛铝合金组织均匀化、细化热处理工艺的作用机理及含镍的钛铝合金细小全层片组织的形成机理作了分析讨论。

1试验材料为含镍（0.2～0.5）％(原子百分数，下同)的铸造钛铝合金Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr（％），采用冷坩埚真空感应悬浮炉熔炼，重熔3次后浇入铜模得到φ40mm的铸锭。30°扇形热处理试样从铸锭上用线切割方法截取。

热处理试验在0.133Pa真空下进行。参考铸造Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr合金获取等轴的近γ组织（near gamma-NG）和细小全层片组织（fine fully lamellar-FFL）的热处理制度［5，6］，试验温度和时间分别取为1150℃×（48～168）h和1370℃×（5～10）min。

组织观察在普通光学和带偏振光的光学显微镜下进行。金相试样用（体积百分数）1％HF＋10％HNO3＋89％H2O溶液侵蚀。

2观察发现，(99.8～99.5)％（Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr）＋（0.2～0.5)％Ni的合金原始铸态为有一定择优取向的全层片组织（图1），层片团尺寸约500～1500μm。该合金组织在1150℃×72h后即出现明显的层片分段连续粗化现象（图2a）；经过144h等温处理，原始粗大、不均匀的铸态组织转变为晶粒细小、基本均匀等轴的NG组织（图2b），其平均晶粒尺寸约30μm。

有研究发现，镍具有扩大钛铝合金γ单相区的作用［7］，添加(原子分数)0.5％以上的镍可以使Ti-48Al合金转变为单相γ组织。在100倍偏振光金相显微镜下旋转载物台360°观察到，本研究得到的NG组织中有少量的等轴α2晶粒出现明显的4次明亮后消光现象［8］。与文献［5］研究得到的不含镍钛铝合金NG组织相比，定性地观察可见含镍合金NG组织中α2相数量明显较少。因而可以定性地说，添加0.2％～0.5％的镍可使钛铝合金在1150℃下α2（或α）→γ相变驱动力增大，则对层片组织中能量起伏的增强作用加大，促进了层片结构中层片形状扰动致层片间断的发生［9］。这些在相对较多时间产生的较多数量的层片内端点有效地促进了层片的分段连续粗化，从而可以使含镍的钛铝合金以较简单的热处理工艺实现组织的均匀化和细化。

试验发现，钛铝合金细小全层片组织具有最佳的综合力学性能［10］。因此，将得到的NG组织重新加热到1370℃保温5～10min后冷却得到了层片团细小等轴的全层片组织(图3)，其层片团平均尺寸约为50μm，略小于铸造Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr合金以相同工艺得到的FFL组织层片团［6］。根据其层片团为等轴状，且略大于基体NG组织的γ晶粒尺寸，本文认为，含镍铸造钛铝合金FFL组织的形成机理不同于不含镍的钛铝合金FFL组织［6］，而是高温α相等轴晶粒在γ相基体上形成并略有长大后冷却过程中按一般全层片组织形成机理产生的［11］，即冷却至α＋γ两相区后γ相在α晶粒中片状析出构成γ／α层片结构，然后在冷却至室温过程中转变为γ／α2层片结构。

（1）对含镍0.2％～0.5％(原子分数)的铸造Ti-46.5Al-2.5V-1.0Cr合金可以通过较简单的1150℃×144h等温处理使铸态粗大不均匀的层片状组织转变为细小均匀的等轴的近γ组织。

（2）将得到的近γ组织重新加热到1370℃×(5～10)min后冷却可以得到层片团细小等轴的全层片组织。

张继：博士，高级工程师，从事高温结构金属间化合物材料研究，研究方向包括TiAl、Mo5Si3、Fe3Si基合金的成分、组织与性能之间的关系。该稿件为国家自然科学基金项目59881004。

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