（材料学专业论文）热处理细化铸态tial基合金显微组织的研究.pdf

中南大学硕士学位论文热处理细化铸态t i a i 基台衾显微组织的研究 摘要 采用光学曼微镜、扫描电镶和透射电镜等实骏手段，研究了热处理缨化铸 拣t i 4 8 a 1 2 c 卜o 5 m o ( m o l ) 合金显微组织的影响。本文以热水替代其它淬火介 质，通过对热处理工艺参数( 淬火湿度、回火滠瘦和固溶处理詹的冷却方式等) 的其体研究，确定了快潦加热+ 快速冷却( 5 0 水冷) + 两相区网火的最微组织 绷化热处理工艺，即淬火- 回火热处理工艺。该工艺能将乎均晶团尺寸为l o o o “m 的铸态t i a l 基合金组织宝田化并得到平均晶团尺寸约为3 0 um 的细小、均匀双态 缌织和全层片组织。实验中的最馕工艺路线为：1 4 0 0 5 m 斌5 0 w 0 一1 2 5 0 x 3 h ，a c 1 3 2 0 2 m i n 1 2 5 0 ，a c 。结合实验结果，作者提出了以热 承作为淬火分质灼淬火一嬲火热处理工艺绷化t i a l 基合金的显微缀织演变模型。 经高温淬火产生块状组织，樽将块状组织进行后续热处理，是获得均匀细 小组织的窍效途径之一。为了细化曩a l 蕊合金凝丈的铸惑组织，高湿淬火是必 嚣的。掇高淬火温度有利于使块状转变充分进行，而较低的淬火温度则不利于 褥到均匀细小豹嬲火组织鞠层片缀织，黝为在网撑蕊冷却速度- ：，适当提高淬 火温度掇高了块状转变的相变驱渤力，因而能够促使块状转变充分进行。在回 火阶段，热处理濑度和融阀对显徽组织澎残有骥隧豹影嚷。渥度主要是影昀强 火时原予的扩散速率进而影响回火时的晶粒长大和冷却时显微组织的形成：时 蚓是影响豳火时照微组织长大的鬟要控铡耀素，在实验巾必须严蟋控铡热处理 的时间。在固溶处理阶段，( 炉冷+ 空冷) 两步冷却技术是得到均匀层片组织的 裔教冷却方式。魍是如果潮溶处理蘸豹鼗徽缀织不细小秘不均匀，繇披莱弱这 种冷却方式也难以得到均匀的细晶组织。热水处理能得到细小、均匀的撮微组 织是由于块状组织中丰鬻粒微鼹缺陷帮在疆火时由缨，、爨片转变残鲍￥熬所产 生的微观缺陷为台会中细小晶粒的产生提供了丰富的形梭位置，从而有刹于得 到均匀、缨小冒火组织。这搀的飘火组织在爱续的基溶处理时可以姻瘦缝穆到 细小全层片组织。 关键词：t i a l 繁台会热处理姥微组纵品糙细化工艺参数 中南大学硕士学位论文热处理细化铸态t i a i 基合金显微组织的研究 a bs t r a c t m i c r o s t n l c t u r er e t i n e m e n to f ac a s t r i a l b a s e da i l o yw l t han o m i n a lc o m p o s i t i o n o ft i - 4 8 a l - 2 c r - 0 5 m o ( m o l ) h a sb e e n i n v e s t i g a t e db ym e a n s o ft h e o p t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c n d nm i c r o s c o p y ( s 勘以) a 1 1 dt m s m i s s i o ne l e c t m n m i c r o s c o p y ( t e m ) i nt i l i s s t u d y ，t 1 1 eh o tw a t e r 啪su s e dt os u b s t i t u t ef o ro t h e r q u e n c h i n gm e d i a a n dt h es i m p l ep r o c e s so f ( q u e n c h i n g + t e m p e r i n g ) w a sd e t e r m i n e d b yt h ed e t a i l e ds t u d yo fs u c hp r o c e s sp a r a m e t e r sa st h eq u e n c h i n ga i l dt e m p e r i n g t e m p e r a t u r e s ，t e m p e r i n g 血n e sa 1 1 dc o o l i t l gt e c h n i q u ed u r i n gs 0 1 u t i o nt r e a t m e n t t h e n t h eb e s tp r o c e s sr o u t ew 嬲d e t e 蛳i n e dt ob e1 4 0 0 5 m i n ，5 0 w q 1 2 5 0 3 h ，a c 1 3 2 0 2 m i n 旦+ 1 2 5 0 ，a c ，b yw h i c hf i n ea i l dh o m o g e n e o u sd u p l e x a n dl a m e l l a rm i c m s t m c t u r e sw i t ht l l eg r a i ns i z eo fa b o u t3 0um c a nb eo b t a i n e d 行o m t h ea s c a s tt i a lb a s e da l l o yw i t ht h ei n i t i a l c o l o n yo fa b o u t10 0 0 um c o m b i n i n g w i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ea u m o rb r o u 曲tf o r w a r da ne v o l u t i o nm o d e lo f m i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e m i tw a sf o u l l dt h a tt e m p e r i n gt h eq u e n c h i n gm i c r o s t m c t u r e si nt l l et 、v o - p h a s ef i e l d w a sag o o dm e t h o dt oo b t a i nt h ef i n ea n d h o m o g e n e o u sm i c m s t r u c t u r e s t h e q u e n c h i n gi sa b s o l u t e l yn e c e s s a r yt od e s t r o yt h ec o a r s em i c r o s t r u c t u r eo fc a s ta 1 1 0 y s f i r s t l yi n c r e a s i n g t h e q u e n c h e dt e m p e r a t u r e i sb e n e f l c i a lt ot h e m a s s i v e 仃a i l s f o r m a t i o nw h i l e d e c r e a s i n gt h et e m p c r a t l l r ei sa g a i n s t l ef i n ea n dh o m o g e n e o u s d u p l e x o r f u l l y 1 锄e l l a r s 廿1 l c t u r e s ，b e c a u s e a ta g i v e nc 0 0 1 i n gr a t e ，t h eh i 酿e r q u e n c h i n gt c m p e r a t u r ep r o v i d e sl a 培c r d r i v e f o r c ef o rm a s s i v e t r a n s f o h n a t i o n ， m a k i n gi t t r a n s f b r ma l m o s tc o m p i e t e l y a tt h et e m p e r i n g s t a g e ，t h et e m p e r i n gt i m e a l l dt e m p e r a t u r ea r ea l s oi m p o r t a n tf a c t o r sf o rm i c r o s t f u c t u r ef o m l a t i o nt oc o n t r o lt h e r a t eo fa t o m i cd i 舶s i o na n dm i c r o s t r u c t u r eg r o 、v t h t h e yn e e dc o n t r o ls t r i c t l ya t t h e s t a g eo fs o l u t i o nt r e a n e m ，m e ( f c + a c ) t w o s t e pc o o l i n gt e c h n i q u ei sa ne 髓c t i v e m e t h o df o rh o m o g e n e o u si a m e l l a rs t r u c t u r e s ，b u ti t i sd i m c u l tt oo b t a i nf i n ea n d h o m o g e n e o u sl 锄e l l a ri ft h cm i c r o s c m c t u r e sb e f o r es o l u t i o nt r e a t n l e n ta r ec o a r s eo r i 1 1 l l o m o g e n c o u s t h er e a s o nf o rf i n ea 1 1 dh o m o g e n e o u sm i c r o s 圩u c t u r e so b t a i n e d b v 廿1 e ( q u e n c h i n g + t e m p e r i n g ) p r o c e s s 、v i 廿1t h e5 0 0 ch o tw a t e ra st h eq u e n c h i n g1 i q u i d i i st l l a tt h e6 n el 锄e l l a ri nt h em a s s i v em i c r o s t r u c t u r c sc a j lt r 觚s f o r n lt og 锄m a g m i n s 中南大学硕士学位论文热处理细化铸态t j a i 基台金显微组织的研究 d u r i n gt e m p e r i n g ，w h i c hc o n t a i na sr i c hm i c r o c o s m i cd e f e c t ss u c ha sd i s l o c a t i o n s ， s t a c k i n gf h u l t s ，a p b sa sm a s s i v em i c r o s t r u c t u r e s t h e s em i c r o c o s m i cd e f e c t so ra 1 0 to f n u c l e a t i n gs i t e st of o 姗t h ef i n e 柚dh o m o g e n e o u ss t m c t u r e s k e y w o r d s ：t i a lb a s e d a l l o y ； g r a i nr e f i n e m e n t h e a tt r e a t m e n t ； m i c r o s t r u c t u r e ： p m c e s sp a r a m e t e 礴 i l i 中南人学硕士学位论文 热处理细化铸态t i a l 基台金显微组织的研究 第一章文献综述 1 1t i a l 基合金的基本特性 t i a l 基合金由于密度低，比强度高，熔点高和高温抗氧化性能良好等优点， 被认为是一种航空航天和汽车工业用理想的轻质高温结构材料，有望替代现有 的镍基高温合金。从表卜l 可以看出， t i a l 基合金不仅具有良好的耐高温、 抗氧化性能，而且弹性模量、抗蠕变性能也比t i 合金好得多，甚至优于t m l 合 金而与n i 基高温合金性能相当，但密度却不到n i 基合金得一半。与其它的合 金系相比，t ia 基合金即使在较高的温度环境中依然能够保持很好的力学性能， 明显优于其它合金系，如图卜1 所示。因此，目前t j a l 基合金已经成为我国及 世界上其他国家如美国、德国、英国和日本等j f 在重点研究和开发的几大材料 亨一。 图卜lt i a l 基合金和其他合金系的性能比较 t t a l 摹合盒的丰要应用优势可归纳为”；： 1 t i a l 基合金较之航空发动机其它常用结构材料的比刚性高5 0 。高刚性有利 于要求低间隙的部件如箱体、构件及支撑件等，同时可以将噪声震动移至高 频率而提高叶片等部件的寿命； 中南大学硕士学位论文热处理细化铸态t i a i 基合金显微组织的研究 2 t i a l 基合会在6 0 0 一7 5 0 的良好抗蠕变性能，使其可能替代某些n i 基高温 合金部件而重量减轻一半； 3 t i a l 基合金具有良好的阻燃能力，可替换一些昂贵的阻燃设计t j 合金。与 n i 基高温合金相比，t i a l 基合金可使燃烧室及高温蒙皮结构使用温度大大增 加，还可使喷气发动机推重比提高5 0 以上。“”。 由于t i a l 基合金的这些优势，在航空航天未来发动机用材中，它得到了高 度的重视。据美国航空航天局预测，在2 0 2 0 年r r i a l 基合金可能约占发动机用 材重量的l 5 “】。 表卜1 钛合金、钛铝化合物及镍基高温合会的性能对比“_ “ 性能t i 基合会t i ，a l 基合金t a 基合金 n j 基高温合余 结构h c p b c c d 0 目l l 。f c c 几1 ， 密度几c m 。 4 54 卜4 7 3 7 3 97 9 9 5 弹性模量g p a 9 5 1 1 51 l o 一1 4 5 1 6 0 一1 8 ( ) 2 ( ) 6 屈服强度m p a3 8 0 一11 5 07 0 0 一9 0 03 5 0 6 0 0 8 ( ) 0 一1 2 0 0 断裂强度m p a 4 8 0 1 2 0 0 8 0 0 1 1 4 04 4 0 一7 0 0 1 2 5 0 1 4 5 ( ) 室温塑性 1 0 2 5 2 1 0卜4 3 2 5 高温塑性1 2 5 0 1 0 一2 0 6 6 0 l o 一6 0 0 8 72 0 一8 0 8 7 0 室温断裂 m p a m ： 1 2 8 01 3 3 0 1 2 3 53 0 一1 0 0 蠕变极限 8 0 0 7 5 0 7 5 0 一9 5 0 8 0 0 一1 0 9 0 抗氧化极限6 0 06 5 0 8 0 0 一9 5 0 8 7 0 l0 9 0 但是，t i a l 基合金也存在缺点很明显：较低的室温塑性、断裂韧性和高裂 纹扩展速率增加了失效的可能性。正是这些缺点，阻碍了t i a l 基合金在实际中 的应用。t i a l 基合金很多的研究都是围绕改善和提高其室温力学性能来进行的。 1 2 t i a l 基合金的相和相变 t i a l 基合会是一种双相中间合金，是由y f l i a 相基体和少量的第二相 a ：一h ；a l 相组成，az 和y 相的晶体结构如图卜2 所示。其中y 相足l 1 ，结构 中粥大学硕士学位论文热处理细化铸态t 认l 基合金盟微组织的l i f 究 ( 丽心立方结构) ( 图卜2 a ) ，在熔点( 1 4 5 0 ) 以下均为有序状态，随温度变 纯獒藏势在艇5 6 酿l ( a t 麓，下阉) 之闯变动，麴黼l 一3 掰示。a 。稳葵有b o ；” 结构( 有序六方结构) ( 图卜2 b ) ，是一种有序固溶体，但当温度越过共析转变 漫发( 1 1 2 5 ) 粒，a ：转交成戈无绺兹“鞘。隧溢浚交纯8 ：载成分在2 2 3 冁l 之m 变动( 图卜3 ) 。通常t i a l 基合金中的a 。相和y 相保持严格的晶体学位向 关系。：脚。氇：蹲l 瓤t i 函：c l _ 。b ，这释界面位囱蓑系其商很高的热稳定粒， 难以用简单的热处理方法破坏。 oa i t i ( a ) v t i a l 的l 1n 结构( b )a ! 一f i a l 的d o ”结构 图l 2t i 矗l 簦台金菇俸结藕示意图8 3 在热楚疆过程中，孰凿i 一3 中豹虚线x 可以看出，捅热升温过程中，合会 主要发生y n 相变，a 从y 相中析出；冷却时，根据冷却速度的不同，合 金穆发生复杂静穰变。当t i a l 基合令扶n 单穗区冷帮时，y 穗瓿n 或n ： 相中析出，但以何种方式析出，则取决于合企成分和冷却速度“，如图卜4 所 示。在4 一4 5 a l 合龛中，冷承淬火时，发生8 一n 。稻变；冷却速度较漫时，a i 含量偏低的合金发生d a 。一y 相变而a l 含量偏高的台会则发生a y n 。裾。在4 8 5 l 合会中，抉逮冷却薅教生块鍪转变，中等冷圭嚣速度生成魏 氏体组织和羽毛状组织，慢速冷却则生成屡片组织“o3 。z h a n g 等1 研究了嘲种 中南大学硕士学位论文热处理细化铸态t i a l 基台金娃微组织的研塞 n l #i 。搭a k蝴 7 0b o粥 ”、 、 一 7 一”“ ；i ；五i 一t r i l ， 磊 、 i 譬 il ；l 繇s i；_ t i ， l a l 恕t 蜜卜3 i a l 二元稳翅。 不鼹冷却遮疫下形戏懿t i a l 基台垒数组织鼯貔，总结出如下甄簿： 冰淬( i c ew a t e rq u e n c h i n g ，i w q ) ；y + 叶yi + y ，乩 爿( 淬 w a t e rq u e n e h i n g ，鞠) ：y + ，+ y 伊￥。+ l l 刍三冷( a i rc 0 0 1 i n g ，a c ) ：y + ，+ y 。+ l ， 炉冷( f u r n 8 e ee o o l i n g ，f e ) ：0 ：。+ c l + 0 e l 遮鹪，l 。寝示平衡层片，l ，表示细小层片，y 。表示块状组织，y ，表示羽毛状组 织，￥。表示黎氏钵组织，d e l 表示 连续牲凝纯攥片，c e 。连续缎粗耽屡片，枣 表示该组织居多。这些不同冷却速度下的相变对控制t i a l 基合会热处理鼹微组 织的缨他篡毒重要意义。 图】一4 t i a l 基合奄不同冷却速度下a 相分解产物”1 p2暑要oo邕 i_|譬n c _ 毒3 中游大学硕士学位论文热处理细化铸态t i a l 基合金照微组织的研究 1 3t i a l 基合金显微组织与力学性能的关系 在铸造过程中，t i a l 纂合金趴液相冷却时首先形成d 圃相，o 晶体将择优 沿其c 轴生长，从丽形成明显的毒主状晶组织。在隧质的冷郯过程中，￥楣板条 将从n 柱状晶中析出形成所谓的( a ，y ) 板条组织并保持稳定的位向关系： o o 囔：玎0 l l k c l l 劲x 。：c l 动，。出予8 秘￥耀稳定黪位囱关系，在楣共援反应 分解时，所有的y 板条将灌直于“相的c 轴方向，从而得到各向异性的铸态组 织。这静其骞璃显备淘异懿特征黪缝织穆浮致复杂铸造零 牛不同帮位涟麓豹显 著麓异，表现出差的力学性能“。因此需要进行进一步的加工或热处理。 壤据热工移热楚瑾方式翁不秘，哥获褥窝种不闻形貔鞠攘组成瓣t i a i 基合 金显微组织“3 1 ：全层片组织( f u l l yl a m e l l a r ，f 1 ) 、双念组织( d u p l e x ，d p ) ， 近蒺片经缓( n e 嚣l a 瑾e l i a r ，髯l ) 秘近￥缰绥( n e a rg a 黼a ，n g ) 。英特征 和大致形成条件如下： i 。近y 缀织( 黼) ：熬瓷彩屠豹彳i a l 鏊合会在捅赢于共季厅瀑凄( i 1 2 5 ) 进行热处理，将生成由等轴状的y 晶及分布于y 晶界上的a 。相颗粒组成 麓遥￥缀织。 2 双态组织( d p ) ：当退火温度选择在( o + y ) 两相区内，并且d 和y 相的 箨积分数穗当i 誊，生藏豹藏琵潮￥晶糍和( 。，￥) 艨片磊溺褐成的被悫 组织。y 晶粒和( n y ) 层片晶团的尺寸取决于两相区退火的时问和温 度。整片结构麓在冷却遥程中国a 耪橱密￥撩板条形成静，黼楣闯的位翔 关系为：( 0 0 0 l k ：0 l l h 。：1 札。 3 近层片组织( n l ) ：如果热处墁温度选择在略低于t 。渝度时，则形成j 压层 片组织。它主嚣由a 。y 层片晶团组成，在撼阚边界上和晶遴内部还分审 着一些细小等轴状y 晶粒。邀时晶团尺寸仍然比较细小。 4 全层片组织( 扎) ：妇粜退火瀣度进入8 单钼燃，由于簇二楣游失健。娟惫 剧长大，当缓慢冷却时就形成大于1 0 0um 的粗大全层片组织。 t ia l 基合金的力学性能和显微组织类型具有强烈的依赖关系，如表卜2 所 示。k i 臻“3 1 磺究表明：细最双态组织矮寿最健的延憔，但是羧裂翻瞧较低；摹 l 大 的垒层片组织强度和延性低，但有很好的断裂韧性。层片组织晶粒尺寸减小时， 其强度积廷性都有掇惠，因姥鳃小全层片缀织具有瞧妊毂综合力学性能。金屡 中饿人学硕士学位论文热处理细化铸态t i a l 整盒金璺燮塑燮塑竖窒 片组织和双态组织鼹上述四种组织中最具脊应用价值的组织类型。通常情况下， d p 缀织慧怒小品粒瓣，强麓大，塑继高；乳组织经察是大黠粒静鬃片缀绞，天 晶粒使强度和塑性部降低，而层片结构使韧性升高。因为层片界谢对裂纹扩展 春瓣力，攀鸯鬟片瑶台嚣有嗣予疆离组织懿塑瞧秘强瘦。琵黧乳层片翕鬟都穰高， 因此断裂韧性很高，但由于晶粒尺寸太大，导致塑性较低。而n g 组织出于晶粒 糕大，又无片瑟组缓，因懿塑毪、瓤往均较低“1 。黼就，踊纯晶粒可缩短淆移带 长度，减少滑移面位错运动长度和位错塞积，减低滑移面变截处和晶界的应力 集审，不稳予裂纹扩震，筑蘅提高譬i a l 基会金魏黧性。 表卜2 手i a l 基合氽缝织类鼙与室滋拉律懿麓爱颟袈翱毪酌关系“4 拉伸性能 k m 会垒缓织类型 a 。，。孵a a 。m p a6 m p a m f l3 9 9唾2 8l 。s2 4 。6 n l4 2 04 6 01 42 3 t i 一4 6 5 a l 一2 5 v 一1 o c r d p4 5 05 3 54 ，8l l t n g3 6 94 2 71 51 0 8 f l4 s 40 。52 0 3 0 - 萱j 一4 8 a l 一2 e r 一2 鞫b d p4 8 03 11 1 一1 5 f l4 7 34 7 31 22 0 2 2 t 一4 6 a l 一2 e r 一3 n b 一0 2 轷 d p4 6 24 6 22 81 1 t i a l 基合金的力学性能也与显微组织的相组成密切相关。双相t i aj 基合会 包含罄g 。耱￥提，但￥与篡片鑫溺夔范铡取决尹合金成分彝熬焚理毒凄。盔 双相合会中，a ! 、层片，等轴y 晶的体积分数都是控制双相t i a l 撼合金的拉 传经憝窝凝袋餐牲熬霪要整豢。聂嚣究表筏“”：包含鞠v 0 1 a 。稳鹣食袅其鸯最 大的拉伸延憔；约3 0v 0 1 的层片组织和7 0v 0 1 的等轴y 晶的叔相t i a l 基 台金冥寿裹瀑矮交疆力秘合逡豹拉 强度与延鞋静最经组合。霹l i 一4 酸l 含袅 而高。，含5 一1 5v 0 1 的层片组织时，延性最好。层片组织含量太低，热处理时 曩糕褰易长大；层劈缀织含爨太高，赠脆墼妻翁程。辎溜裁弱缀菇显徽缀织筑翻纯 作用1 。 善i a l 基会参懿力学缝麓还与鑫耱( 或熬溺) 大小翡缝戏相关。会金豹室懑 s 中南人学硕士学位论文热处理细化铸态t j a l 基合金显微组织的研究 塑性和屈服强度均随晶粒尺寸的降低而增大，当晶粒尺寸由2 5 0 ( ) um 减小到 2 5 0 pm ，其赛湿塑性由o 5 上舞到了2 5 ”1 。图l 一5 和图卜6 显示了t i a l 基 合金的力学性能( 如拉伸强度，室温延性) 与合金履微组织晶粒尺寸大小之间 的关系。可以看出，显微缀织细化总是有程予合金力学性拣的提赢；点予小鑫 粒台金不但具有较商的流交应力，而且有较高的断裂应变，因此小晶粒合余的 断裂应力也赢于大鹣粒会金。 叠 叟 上 氆 皇 叽 姜 g 蔓 3 g r a i ns i z e s m 述 嚣 。曼 甍 g 尝 誉 盘 图l 一5t i a l 撼合金中不同组织的拉伸强度和延性与鼹粒尺寸的关系” 挚鲢熊 g r a j ns i 2 站p m 芒 空 曩 麦 翻卜6 彳i a l 基台衾的室濑塑性耩强度与麓粒只寸之间的荚系“ 7 摹oo一】_鑫=olo uispi 中南大学硕士学位论文热处理细化铸态t i a l 基合金显微组织的研究 另外，研究“7 删表明：t i a l 基合金的屈服强度与晶粒尺寸在一定范围内较 好地遵循h a l l 一p e t c h 关系：o 。：= o 。+ k d “”。c h u 等人”“1 通过不同的热处理方法 获得了不同晶粒尺寸的t i a l 基合金，并研究了相同成分的t i a l 基合余的晶粒 尺寸与拉伸和压缩强度的关系，也发现两者很好地符合h a l l p e t c h 关系。但由 于添加的微量元素在合金中的作用差异，不同材料将表现出不同的。值“。，而 且合金的组织和成分的不同也将导致不同的。值，如图卜7 所示。由此可见，细 化t i a l 基合金的晶粒是有效提高t i a l 基合金力学性能的重要手段。 图卜7t i a l 基合金不同组织及晶粒尺寸对h a 一p e t c h 常数的影响“1 1 4 热处理工艺和机理的研究进展 从t i a l 基合金显微组织与力学性能的关系可以看出，显微组织是影响合金 室温力学性能的主要因素。具有均匀细小的显微组织是合金获得较好室温延性 的前提“。【司此，细化晶粒能同时达到改善室温延性和提高强度的双重目的。 材料工作者试图通过各种方法如粉末冶金”3 、流变铸造( r h e o c a s t i n g ) ：、熔 铸时添加晶粒细化剂( c r ”、t i b 。”、b n ”等) 、热机械处理( 等温锻、挤压、 热模锻和轧制等) 。”。“1 、热处理。”等方法来使t i a l 基合会粗大的铸念全层片 组织破碎，以获得细小、均匀的显微组织。这些方法的发展与应用在1 、i a l 基合 会组织细化方面取得了一系列积极的成果，使t j a l 基合会基本能实用化或接近 实用化。但是，粉末冶金方法不可避免的将引入o 、n 等杂质，导致合会的室温 中南人学硕十学位论文热处理细化铸态t 认l 基合金显微绍纵的研究 力学性能变差；铸造时存在的铸造缺陷( 如铸造孔洞和铸造各向异性等) 使铸 件存在受力敏感区，不利于工程化应用；而热机械处理则存在加工成本高，材 料利用率低以及难以得到均匀的加工组织等缺点”。 。与其它几种方法相比，热 处理方法既可以在合金成型之前细化组织，又可直接对成型的铸件进行组织细 化，具有更大的优越性，加t 其工艺较简单、成本低廉，显微组织易丁二控制等 优点，对改善t i a l 基合金力学性能。推动t i a l 基合余或其铸件的工程应用具 有重要的现实意义。 目前，用于细化铸态t i a l 基合余的主要热处理工艺可归结为以下两类： 1 4 1 淬火一回火时效热处理 这类热处理的特点是分两步进行，首先进行淬火处理，接着再进行回火或 时效处理，根据回火或时效的温度区间不同，把这类工艺分为三种类型，如图 卜8 所示。从a 单相区快速淬火后，若再加热到t 。以上固溶处理+ 定时间后以 较慢的速度冷去f _ j 得到细小全层片组织，则定义为i 型工艺；若在n + y 两相区 保温后慢冷得到双态组织或层片组织，则定义为型工艺；若在a ! + y 相区作 时效处理得到层片组织，则定义为i i i 型工艺。 厂 i 厂 图卜8 淬火一回火时效：r 艺的三种类型 z h a n g 等”运用i 型淬火回火工艺研究了以5 0 0 pm 大小的双念组织为 原始组织的t j 一4 8 4 6 a 卜2 w - 0 5 s i 合金的组织细化，得到了7 0 一2 2 0um 的细小 层片。研究“1 表明，淬火阶段若冷却速度较慢( 如采用风冷或空冷) ，则得，1 ；到 细品组织。在这种工艺中，块状组织的形成对组织细化具有关键性作用，而原 始晶团尺寸大小对细化效果影响甚微。文献。州把浚工艺运用于t 卜4 6 a 卜2 c r 一2 n b 9 中南大学硕士学位论文热处理细化铸态t i a l 基合金显微组织的研究 合金，采用较短的固溶处理时间，就能将1 0 0 0 um 粗大全层片组织细化成3 0um 的近层片组织。研究”表明，在固溶处理时，晶粒长大遵循指数规律：d = kt “， 其中t 为时间，k ，n 为常数。因此，控制在单相区的保温时间相当重要。 i i 型工艺由于在两相区保温处理，一般得到双态或近层片组织。作者采用 i i 型工艺研究了t i 一4 8 a 1 2 c r _ o 5 m o 晶粒细化效果，得到了3 0 um 均匀细小的 双态组织。另外，据报道“0 1 ，采用i i 型工艺，但淬火阶段不用快速冷却，而用 空冷，然后在两相区保温l o 小时也得到了约5 0 um 的层片晶团。由此可见，在 这类工艺中，淬火阶段块状组织的生成并不是必不可少的，采用慢速冷却淬火 也可以得到很好的效果。 i i i 型工艺仍然未见用于细化t i a l 基合金铸念显微组织的报道。但 y u k i h a r u 等”。采用i i i 型工艺研究了形变后的t 一4 6 a l 的细化，得到了细小层 片组织。在形变热处理中，合金发生非连续性粗化。非连续性粗化形核核心是 在细层片晶内和晶界处的粗大层片。在时效时，随淬火冷却速度的增加，粗大 层片的形核率增加，从而有利于晶粒细化。晶粒细化分三步进行：( 1 ) 粗大层 片的形核：( 2 ) 长大方向的改变：( 3 ) 晶粒长大被抑制。用这种方法得到的细 晶层片的热稳定性相当高。 1 4 2 循环热处理 由于o 。和y 的晶体结构的差异，在加热过程中，h c p 结构的a ! 相容易从 f c c 结构的y 相四个惯习面 1 1 1 ) 上析出，而冷却时，y 从。或o 。中析出。 循环热处理就是反复利用t j a l 基合金热处理过程中加热和冷却时的相变原理， 通过调整工艺参数，控制加热、保温和冷却时的晶粒长大从而细化t j a 基合令 晶粒的一种热处理工艺。 文献 4 2 报道了t i 一4 6 5 a l 一2 5 v 一1 c r 合金循环热处理的研究。将铸念组织 为近y ( n g ) 的合会在共析线上下( 9 0 0 1 1 5 0 ) 进行6 次循环处理，最后再 加热到t 。温度以上短时保温后慢冷，得到了细长束集状层片晶团( 平均长7 5 um ， 宽3 0 u 玎】) 。研究表明“”i ，以n g 为原始组织的合金细小层片的形成不同于粗大 全层片组织，其形成机理是：在稍高于t 。通过u 相在y 沿不同位向 1 1 1 。 惯习面片状析出，在原始y 晶内形成排列方向斗i 同，尺寸小于y 晶的a y 层 片晶团，在冷却时形成d ：y 层片团细小的全层片组织。 文献 3 9 采用图卜9 的工艺路线研究了t 卜4 6 a 卜2 c r 一2 n b 合金的细化效果。 首先将合金在t 。以上保温一定时间后淬火( 油淬) ，得到羽毛状组织，然后在两 1 0 中南大学硕士学位论文 热处理细化铸态t i a i 基合余显微组织的 f 究 相区进行循环热处理，得到细小组织。将所得到的细小组织再进行固浴处理则 可以获得1 0 一2 0um 的细小全层片组织。其细化的原因是因为淬火阶段产生的非 平衡念羽毛状组织含有很多的晶体缺陷，如位错，堆垛层错，反向畴界等。这 些缺陷的存在，为循环热处理晶粒的形核提供了有利位置。晶粒细化使合金的 力学性能得到了很大的提高，其拉伸强度由铸态的1 3 9 m p a 提高到了7 0 7 m p a 。 图卜9 两相区循环热处理工艺。“ 文献 4 4 探讨了快速加热一冷却循环热处理技术在t j a l 基合会细化中的应 用。将7 r ja 】基合余快速加热到单相区，短时保温，然后用油冷，经6 次这样的 循环处理能将5 0 0um 的粗大晶团细化到2 0um 庄右的细小仝层片组织，如图 卜1 0 所示。这种工艺的细化机理是由于快速加热一冷却破坏了组织遗传和新旧相 之间的位向关系。w a j l g 和x i e “”利用快速加热一冷却循环热处理将5 3 7 um 的料 大晶粒细化到了1 0 pm ，使得合金的屈服强度从3 3 0 提高到了6 6 0 卿a 断裂强 度从4 1 5 提高到了8 2 5 m p a ，延性从o 7 提高到了3 3 。 文献 4 6 利用热模拟技术，结合正交实验方法详细地研究了影响这种工艺 的各个因素：加热速度，保温时间，保温温度，冷却速度，循环次数和原始组 织等，并从理论上解释了快速加热细化t i a l 基合金的机理“”。实验表明，以 上影响因素对t j a l 基合金细化的作用按前面排列顺序依次递减。快速加热细化 t ja 1 基合会的机理是加热速度越快，a + y a 转变开始温度和终了温度越商， 转变所需的时问越短，n 相的形成速度越快。在to 以上，o 的形核率f 可表 示为i 。c e x p ( 一q k t ) e x p ( 一g + k t ) ，g + 是形核功，k 为玻尔兹曼常数，t 为温 度。由于原子扩散激活能q 随温度改变很小，故e x p ( 一q k ，r ) 随温度增加而增加： 另外，g + 与( t ) 2 成正比，温度升高，e x p ( 一( ；+ k t ) 增大。因此由于热滞后， ：_e宣eo 中离火学硕士学位论文热处理细化诲态n a l 基台金显微组织艘1 墨究 当加热速度增大时，a + y o 转变温度上升，从而有利于快速形核。 图卜1 0 快速加热一冷盍l 】循环热处理工艺“”1 出于低a l 含量t i a l 基台金铸态组织比舞a l 含量合金瓣热稳定性瘫，藤且 当a l 4 6 5 时，淬火根本就得不到块状组织”“，因此，不能通过得到块状组织 的方式来破坏a ：和y 界麟严格的鼯体学位向关系。文献 4 8 提出了将合念热 热到b 相羼后风冷后再迸行循环热处理的工艺。商褊风冷使y 桐直接从来分 解的中橱出，从蕊打破8 、￥层片之阙严格蛉熬揍位趣关系，大大降低原 始铸态组织的热稳定性，使低a 1 合会的铸态组织迅速分解为细小的等轴组织。 握搬道，经t | ) ( k 冷后只经一个周次的獯环粗大的$ 茹粒分嬲戚2 0 hm 缁小l ： 冬 层片状组织。原因怒b 相和y 相的晶体学位向关系为( 1 1 0 ) 。( 1 1 1 ) ， l 曩 l ，由子( 1 l o ) 9 不是蜜擂囊，_ 摹匿￥之阙不存在严臻鳇位囊关系， 同时，b 和v 界面还具有丰富的结构性台阶，这种台阶在循环热处理时容易失 稳分孵，谴与y 穗之闽静扩敖艉力增强。丽基，y 籀可以麸8 的多个後习 面上析出，将原始粗大的b 相分解成细小的层片。但是，这种工艺存在加热温 度遗赢靛麓靛点。 双温熟处理最早是用于细化锻造后的显微组纵”“，可以认为是淬火一时效：e 艺秘变俸，繇在态濑( 翔。肇稻区) 徐溢一定耩寸闼，然后炉冷至另一较低温度进 行长时间保温处理。据报道，双温热处理能将形变质的合会组织细化为均匀的 2 0 3 0 蚌m 豹双态组织，并骈究了双滠热楚瑷的相变特征，蔡相交过程为：强一 伐十伐一y 。+ 伐一y ，+ 伐一y + ，其中￥。为y 晶坯，y 。为y 擞条。文献 5 3 报道 了霜环取湛热缝理缁忧t i a i 基合金的研究。双溢热处理焉静鼹徽组织一i 仪蓟小， 而且鼎粒尺寸均匀。采用快速加热方式，没有经过避行循环处理的键微组织仍 傈窝有未细化的原始层片组缓，疑黧长两瀛度的保漱时瓣对组织细恍没有明显 1 2 中南人学硕+ 学位论文热处理细化铸态t i a l 基合金显微组织的研究 影响。 1 4 3 热处理品粒细化待解决的问题 由以上工艺和机理的研究可以看出，破坏t i a l 基合会层片结构严格的位向 关系，降低其热稳定性，是热处理细化t i a l 基合金中至关重要的一步。如果不 消除或降低t i a l 基合金的这种位向关系，就难以用简单热处理方法细化显微组 织。目前，用来破坏t i a l 基合金组织遗传的方法有：淬火形成非平衡组织( 如 y 。或y ，) ，快速加热冷却循环处理，提高台金的热处理温度( 如加热到0 相 区或远高于t 。) 等。 热处理细化t i a l 基合金的另一个问题就是组织均匀化问题。这也是热机械 处理难以解决的一个问题。若加工时不能充分破碎合会的显微组织，后续热处 理就难以得到均匀的显微组织i5 ”。c h e n ”认为不能运用简单的热处理工艺得到 均匀细小的t i a l 基合金显微组织。热处理也一样，若在淬火阶段，小能使块 状转变充分进行，尽可能地破坏位向关系，则不利于得到均匀组织。因此控制 冷却速度和采用合适的冷却方式以得到尽可能多的非平衡组织，有利f 二提高 t i a l 基合金组织的均匀性。 目前，t i a l 基合金热处理的研究仍然局限于实验室的研究，未曾见用于合 金铸件的报道。一方面是由于现存的许多工艺存在快速淬火步骤。在淬火时， 由于组织应力和热应力相互作用，容易使试样产生裂纹。另一一方面，虽然快速 加热工艺有良好的细化效果，但由于设备的局限，也难以在生产中应用。虽然 感应加热能达到很高的加热速度，但集肤效应的存在使得组织不均匀。再者， 对定量控制显微组织缺乏足够的研究，不能轻易得到理想的所期望的显微组织， 也限制了t i a l 基合金的工程应用。 因此继续探索新的工艺路线，使t i a l 基合会既能够在低成本条件下容 易实现和保持热处理： 艺的优点，又能达到晶粒细化的效果，成为当前研究t j a 】 基合金晶粒细化的重点。目前，热处理细化t i a l 基合金的实用化研究才刚剐起 步，随着该项技术的发展与成熟，热处理方法将成为改善t 认1 基合会力学性能 的有效手段，将极大的推动在t j a l 基合金乃至其他金属间化合物中的工程化应 用。 t p 南火学硕士学位论文 热耱理纲纯铸态t l a l 基合金露激缀绞的疆究 1 器本论文麓研究嚣熬和痰鸯 对工稳应用的部件而毒，8 0 的成本源于复杂的加工工艺，凶此，简化工 艺，降低成本变得瓮为突出。下i 削基合硷作为+ 静耨型淘轻矮高黼结构榜耨， 具有十分广闹的应用前景。目前t i a 】基合会所面临的二i 要问题是如伺通过控制 合会成分和裢微组织来改善其综合力学毪能，以及如何以眈较麓蕾静i 艺途径 来实现这一目标n 。 铸造t i a l 基合金霞为英可近净成型( n e a rn e l ，s h a p o ) 和经济住，将是l 、i a l 基合金首先取得_ i ：业应用的技术途径4 ”j 。但其粗大的铸念屡片纠织导致了蓑的 力学性能，妨碍了它的工程化应餍。只有经过益徽缀织的缯住彳翦t 。能将n a l 基台金作为高温结构材料应用。因此，针刘t j a l 撼合会研究中待解决的问题， 作者结合已有的研究成果，希望选用一种简荦的热处拜1 艺，能将铸态4 r i a 】恭 合会籼大f i 勺旺微组织细化，并尽可能的得到均匀组纵，以推动t i a l 龋合金的工 程化的应用。 1 j 循环热处鲤姻地，淬火一剧火热处理工艺是。种简单的轻微组彭 纲化工 艺，i 叮以大火减低台金的加工成本。但是，由于t j 基合y = ；= 淬裂倾向 分严疆， 较麓的冷却速度会导致t i a l 基合金试样的严重j i ：裂，而f l 将在定程度 ：抑制 块状相变的进行，不利于懿微组织的细化。文献1 5 7 ，5 8 母f ：究了嗣热水处磷作为 淬火介质热处理钢缄中碳铡时娃微组织和性能的变化，为：对热水她理这* 技术 创新的可行性和依据进行了探讨。研究认为，用热承处理代替钢的词质处理或 取代疆火，可以褥剥均匀性良好的馒微组织和性能，还可以防止钢的氧化脱碳、 消除和减轻试样淬火变形和开裂倾向。同时，热水处艇工琶f 叮以稍髓t 盯。糊蛹， 节约能源，减少q ：产消耗，烽羝生，“成本。另夕卜，办j 合会豹热处聪过程中+ “i 于热水f l 勺涌度可以精确控制，冷却速度基本4 i 受环境、气温和滞度的影l l 向，使 褥 ：纷的矬徽组织期魁：能容易控制，从嬲褥到质墩稳定的产，铀。m 此州她，热 水处理可以满足第1 4 3 节中所税的所有条件，怒渖畦有应用价值的热处理 工艺，i 以达到应蠲篾单的设备实现显微缎纵秘。陡能的控制，有刹 二合愈旃：实 际中的应用推j 。因此本涂文主鼗研