[发明专利]一种细化定向凝固钛铝合金板坯表层组织的方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛铝合金板坯表层组织的处理方法。

背景技术

现代军用飞机对发动机推重比的要求越来越高，而发动机的性能主要取决于叶片的性能。现在用于发动机叶片的材料多为钛铝合金，定向凝固的钛铝合金原始组织为柱状晶，其柱状晶组织具有沿坯料长度方向生长的择优取向，柱状晶粒沿晶粒生长方向的长度大约为10mm，柱状晶粒的纵截面显微组织是全片层组织，晶粒尺寸约为300μm～500μm，各个晶粒内层片的生长方向不一致。对于定向凝固的钛铝合金叶片坯来讲，如果能通过表层塑性变形工艺辅以后继热处理工艺，获得表层为等轴细晶、内部为定向粗大柱状晶的复合组织，就能同时满足对疲劳强度、断裂韧性、塑性、抗蠕变性能和抗疲劳裂纹扩展能力的要求。若想得到该合金的再结晶晶粒，按现有的方法按以下公式：

T_r(K)＝(0.35～0.4)T_m，

其中T_r——再结晶温度，

T_m——金属熔点

计算出钛铝合金的再结晶温度范围为700℃～900℃，将钛铝合金经过冷变形后，再在700℃～900℃的高温下发生回复使其再结晶，得到的钛铝合金的晶粒尺寸和形态没有发生任何变化，再继续提高温度，得到了含有孔洞的疏松的TiO₂和Al₂O₃混合氧化物膜，该氧化膜达到一定的临界厚度(≈10μm)即开始剥落，剥落始自金属/膜界面，根本不能形成理想的定向凝固柱状晶组织和等轴细晶的复合的组织结构。

发明内容

本发明要解决现有的热处理方法使钛铝合金表面形成易剥落的疏松的TiO₂和Al₂O₃混合氧化物膜，不能形成定向凝固柱状晶组织和等轴细晶的复合的组织结构的技术问题，而提供一种一种细化定向凝固钛铝合金板坯表层组织的方法。

本发明的一种细化定向凝固钛铝合金板坯表层组织的方法，按以下步骤进行：一、测试定向凝固钛铝合金板坯由γ相向α相转变完成的温度A；二、在室温下，将钛铝合金板坯利用滚珠滚压进行表面塑性变形，压下量为0.1mm～0.2mm；三、将经过表面塑性变形后的钛铝合金板坯试样放入石英管中密封，将石英管抽真空至1×10^-4Pa～1×10^-3Pa；四、将步骤三的石英管放在加热炉中加热至比温度A高10℃～20℃的温度并保持10min～20min，然后从石英管中取出铝合金板坯投入到温度为10℃～25℃的水中淬火，得到表层组织细化的定向凝固钛铝合金板坯。

本发明采用比传统的热处理温度高400℃～800℃的温度，并采用真空加热方式，得到了表面为细化的等轴细晶、中心仍为定向凝固柱状晶组织的复合组织的钛铝合金板坯，采用传统的加热方法，由于钛原子和铝原子的各自氧化物生成自由能很低，而且铝原子的活度为负偏差，在高温的空气中，其抗氧化能力非常弱，铝原子很难选择性氧化生成致密和具有抗氧化保护性的Al₂O₃保护膜，而是生成了含有多空洞的疏松TiO₂和Al₂O₃混合氧化物膜；而本发明采用真空加热方式，避免了钛铝合金与高温空气的接触，避免了疏松混合氧化物膜的形成；本发明的只对钛铝合金板坯进行少量的表面塑性变形及单次热处理，避免了循环热处理易使表层受热应力的作用而脱落的缺点。本发明得到的钛铝合金板坯的表层100μm～200μm的厚度范围内形成了晶粒大小为10μm～30μm的细晶层，而坯料中心部位的组织保持原有定向凝固柱状晶组织状态，形成了定向凝固柱状晶组织和等轴细晶的复合的组织结构，能够同时满足对叶片的高温蠕变和高温疲劳性能的要求。可用于制造航空发动机叶片。

附图说明

图1是具体实施方式十二的步骤一中Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金板坯的差热分析曲线图；图2是具体实施方式十二的步骤一中Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金板坯的晶粒生长方向上的金相组织照片；图3是具体实施方式十二的步骤一中Ti-46Al-0.5W-0.5Si合金板坯的晶粒纵截面的显微组织照片；图4是具体实施方式十二制备的表层组织细化的定向凝固钛铝合金板坯的晶粒纵截面的显微组织照片。

具体实施方式