新型近beta钛铝铬三元合金的热处理研究
摘 要摘 要本实验探究热处理工艺对三种钛铝铬三元合金铸态显微组织的影响规律。首先在真空电弧炉进行多次熔炼得到50g左右的纽扣锭，然后对①Ti-44.5Al-5Cr（1#）②Ti-44.5Al-7Cr（6#）③Ti-45Al-3Cr(16#）几种代表性成分的合金进行热处理工艺路线设计。对6#和16#试样分别进行不同冷却方式即1360℃/30min, AC+900℃/8h，AC+1280℃/30min, AC/TC/HC/WC/OQ的热处理实验，对1#试样分别进行1300℃/30min，AC和不同冷却方式即1280℃/30min, AC/FC/HC/WC/OQ的热处理实验。再经900℃/8h，AC的组织稳定化处理，得出以下结论： Ti-44.5Al-5Cr合金经过炉冷（1280℃/30min）得到了双态组织。空冷，吹风冷，热水冷，油冷都出现了棒状晶粒，其为相的树枝晶生长导致的。而在1300℃保温30min空冷得到的也是双态组织。 Ti-44.5Al-7Cr合金经过空冷得到一种相，相，相均匀弥散分布组织。而经过炉冷得到一种类似竹叶状的结构，其为马氏体形态的相。而经吹风冷，热水冷得到的都是双态组织。最终铸态组织经过热处理之后，得到了明显细化。 Ti-45Al-3Cr合金经各种冷却方式得到的组织结构均是全层片结构。其片层间距，及其片层晶粒较原始铸态组织有明显的减小。风冷得到的片层和片层间距较其他冷却方式明显更小，主要是因吹风冷比其他冷却方式冷却速度较快。关键词：β/γ TiAl基合金 热处理 显微组织 相变目录
第一章 绪论 1
1.1选题的背景和意义 1
1.2国内外研究情况及发展进程 2
1.3钛铝金属间化合物熔炼技术 4
1.3.1真空电弧熔炼 4
1.3.2感应凝壳熔炼 4
1.3.3等离子束熔炼 4
1.4钛铝合金制备加工技术 5
1.4.1粉末冶金技术 5
1.4.2快速凝固技术 6
1.4.3铸锭冶金技术 7
1.4.4 复合材料技术 7
1.5钛铝合金的合金化 8
1.6钛铝合金的相、相变及热处理 8
1.6.1钛
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2感应凝壳熔炼 4
1.3.3等离子束熔炼 4
1.4钛铝合金制备加工技术 5
1.4.1粉末冶金技术 5
1.4.2快速凝固技术 6
1.4.3铸锭冶金技术 7
1.4.4 复合材料技术 7
1.5钛铝合金的合金化 8
1.6钛铝合金的相、相变及热处理 8
1.6.1钛铝合金的单极热处理 12
1.6.2钛铝合金的循环热处理 12
1.6.3钛铝合金的双温热处理 13
第二章 实验材料与实验设计方案 14
2.1实验工艺流程 14
2.2实验材料 14
2.3合金成分设计 14
2.4合金熔炼制备工艺与设备 15
2.5试样切割 17
2.6原始组织观察 17
2.7热处理工艺 17
2.8热处理后的显微观察 19
第三章 实验数据分析 21
3.1成分设计对新型β/γTiAl合金铸态组织的影响 21
3.2冷却速率，保温时间，冷却方式对合金组织的影响 24
3.2.1 Ti44.5Al5Cr的热处理后组织分析 24
3.2.2 Ti44.5Al5Cr的热处理后组织分析 27
3.2.3 Ti45Al3Cr的热处理后组织分析 30
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1选题的背景和意义
时代的发展，科学技术的不断进步，人类对航天领域的探索不断加深，高标准，高水平的航空航天活动更加频繁，这对追求轻质高温结构材料更加紧迫，对材料的性能要求更加苛刻，作为一种金属间化合物的钛铝合金，且同时具有金属和陶瓷的特性，高强度，高比刚度，轻密度，弹性模量大，抗高温蠕变性能，耐热性能及阻燃性能优异，高温抗氧化能力强，高温力学性能稳定等一系列特点使得高温部件的使用温度范围变宽，预期可拓宽500℃温度范围[1]。在轻质高温合金界，钛铝合金一跃成为了当代航空工业，钛铝合金一跃成为了高端技术行业，工业生产行业，民用工程等各领域中高温工程材料界的新宠[2,3]，又是下一代航天飞行器核心部分的首选材料[4]，故此成为轻质合金的研究重点[5,6]。2006年，由美国GE,PCC公司合作打造的波音发动机低压涡轮Ti48Al2Cr2Nb叶片，这是钛合金首次应用于航空发动机，它即奠定了钛铝合金的基础，也推动了钛铝基合金的发展[7]。表11是近年来利用其性能特点开发的研究使用价值。
表11 近年来利用其性能特点开发的研究使用价值
性能特点
研究使用价值
高的弹性模量
制备航空器中要求低间隙的结构零件，如机匣、支撑架和鼓彭
比传统结构材料一半以上的比模量
将声学原因造成的振动移向较高频率，适用于制作发动机叶片和喷管中的相关部件
低密度及良好的蠕变性能
TiAl基合金可以替代高温合金，制备相应的结构件
良好的阻燃性能
可以替代比重大和昂贵的阻燃钛合金
钛铝合金主要有Ti3Al、TiAl、和TiAl3。它们为传统的钛铝合金，存在很多缺点，Ti3Al高温条件下，抗氧化能力差，高温力学稳定性差，使用温度窄，只能在651℃以下使用[9]。而新型beta钛铝铬三元合金相对于上述合金来说，其性能和功能上都得到一定的优化，它是一种型合金，在钛铝基合金的基础之上，通过单独与复合添加Cr等其他微合金元素，获得了新型–TiAl合金。其中Cr等微量合金元素有促使合金形成片层结构和近γ组织，针状魏氏组织的作用；Cr还有稳定相作用[10]，像Ti44Al2Cr2Nb就属于这类合金的典型例子。然而作为应用于航天飞行器发动机的关键部件及其他高温条件下使用，应力状态复杂多变且服役时间长，组织和性能老化现象严重，要求材料质量达到高标准，制造工艺达到高水平[11,12]。而在室温下脆性，缺乏足够的延展性.变形加工性、耐磨性较差、高温抗氧化能力低等。为了克服以上缺点，提高材料的高温力学性能、疲劳寿命以及高温稳定性以及更好的应用于实际生产[9]，我们应该找到更好的制备手段和完美的加工路线。
1.2国内外研究情况及发展进程
国内和国外都对钛铝合金产生了浓厚的兴趣，世界各国更是对此做了大量研究工作。到现在，钛铝基合金的研究发展共经历了4代。第一代钛铝基合金Ti48Al1V0.3C（at.%)，是由美国空军材料研究所和PW公司共同开发的[13].强度虽然满足要求，但是断裂韧性不足，没有能够实际应用的，只停留在研究阶段。80年代末第二代合金（Ti48Al2Cr2Nb)由美国GE公司研制成功，各项性能优
表12 TiAl基合金发展各阶段代表成分
发展阶段
代表成分（at%）
加工方法
第一代
Ti48Al1V0.3C
研发
第二代
Ti47Al3.5(Nb,Cr,Mn)0.8(B,Si)
铸造
Ti47Al2W0.5Si
Ti48Al2Nb2Cr<
第一章 绪论 1
1.1选题的背景和意义 1
1.2国内外研究情况及发展进程 2
1.3钛铝金属间化合物熔炼技术 4
1.3.1真空电弧熔炼 4
1.3.2感应凝壳熔炼 4
1.3.3等离子束熔炼 4
1.4钛铝合金制备加工技术 5
1.4.1粉末冶金技术 5
1.4.2快速凝固技术 6
1.4.3铸锭冶金技术 7
1.4.4 复合材料技术 7
1.5钛铝合金的合金化 8
1.6钛铝合金的相、相变及热处理 8
1.6.1钛
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2感应凝壳熔炼 4
1.3.3等离子束熔炼 4
1.4钛铝合金制备加工技术 5
1.4.1粉末冶金技术 5
1.4.2快速凝固技术 6
1.4.3铸锭冶金技术 7
1.4.4 复合材料技术 7
1.5钛铝合金的合金化 8
1.6钛铝合金的相、相变及热处理 8
1.6.1钛铝合金的单极热处理 12
1.6.2钛铝合金的循环热处理 12
1.6.3钛铝合金的双温热处理 13
第二章 实验材料与实验设计方案 14
2.1实验工艺流程 14
2.2实验材料 14
2.3合金成分设计 14
2.4合金熔炼制备工艺与设备 15
2.5试样切割 17
2.6原始组织观察 17
2.7热处理工艺 17
2.8热处理后的显微观察 19
第三章 实验数据分析 21
3.1成分设计对新型β/γTiAl合金铸态组织的影响 21
3.2冷却速率，保温时间，冷却方式对合金组织的影响 24
3.2.1 Ti44.5Al5Cr的热处理后组织分析 24
3.2.2 Ti44.5Al5Cr的热处理后组织分析 27
3.2.3 Ti45Al3Cr的热处理后组织分析 30
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1选题的背景和意义
时代的发展，科学技术的不断进步，人类对航天领域的探索不断加深，高标准，高水平的航空航天活动更加频繁，这对追求轻质高温结构材料更加紧迫，对材料的性能要求更加苛刻，作为一种金属间化合物的钛铝合金，且同时具有金属和陶瓷的特性，高强度，高比刚度，轻密度，弹性模量大，抗高温蠕变性能，耐热性能及阻燃性能优异，高温抗氧化能力强，高温力学性能稳定等一系列特点使得高温部件的使用温度范围变宽，预期可拓宽500℃温度范围[1]。在轻质高温合金界，钛铝合金一跃成为了当代航空工业，钛铝合金一跃成为了高端技术行业，工业生产行业，民用工程等各领域中高温工程材料界的新宠[2,3]，又是下一代航天飞行器核心部分的首选材料[4]，故此成为轻质合金的研究重点[5,6]。2006年，由美国GE,PCC公司合作打造的波音发动机低压涡轮Ti48Al2Cr2Nb叶片，这是钛合金首次应用于航空发动机，它即奠定了钛铝合金的基础，也推动了钛铝基合金的发展[7]。表11是近年来利用其性能特点开发的研究使用价值。
表11 近年来利用其性能特点开发的研究使用价值
性能特点
研究使用价值
高的弹性模量
制备航空器中要求低间隙的结构零件，如机匣、支撑架和鼓彭
比传统结构材料一半以上的比模量
将声学原因造成的振动移向较高频率，适用于制作发动机叶片和喷管中的相关部件
低密度及良好的蠕变性能
TiAl基合金可以替代高温合金，制备相应的结构件
良好的阻燃性能
可以替代比重大和昂贵的阻燃钛合金
钛铝合金主要有Ti3Al、TiAl、和TiAl3。它们为传统的钛铝合金，存在很多缺点，Ti3Al高温条件下，抗氧化能力差，高温力学稳定性差，使用温度窄，只能在651℃以下使用[9]。而新型beta钛铝铬三元合金相对于上述合金来说，其性能和功能上都得到一定的优化，它是一种型合金，在钛铝基合金的基础之上，通过单独与复合添加Cr等其他微合金元素，获得了新型–TiAl合金。其中Cr等微量合金元素有促使合金形成片层结构和近γ组织，针状魏氏组织的作用；Cr还有稳定相作用[10]，像Ti44Al2Cr2Nb就属于这类合金的典型例子。然而作为应用于航天飞行器发动机的关键部件及其他高温条件下使用，应力状态复杂多变且服役时间长，组织和性能老化现象严重，要求材料质量达到高标准，制造工艺达到高水平[11,12]。而在室温下脆性，缺乏足够的延展性.变形加工性、耐磨性较差、高温抗氧化能力低等。为了克服以上缺点，提高材料的高温力学性能、疲劳寿命以及高温稳定性以及更好的应用于实际生产[9]，我们应该找到更好的制备手段和完美的加工路线。
1.2国内外研究情况及发展进程
国内和国外都对钛铝合金产生了浓厚的兴趣，世界各国更是对此做了大量研究工作。到现在，钛铝基合金的研究发展共经历了4代。第一代钛铝基合金Ti48Al1V0.3C（at.%)，是由美国空军材料研究所和PW公司共同开发的[13].强度虽然满足要求，但是断裂韧性不足，没有能够实际应用的，只停留在研究阶段。80年代末第二代合金（Ti48Al2Cr2Nb)由美国GE公司研制成功，各项性能优
表12 TiAl基合金发展各阶段代表成分
发展阶段
代表成分（at%）
加工方法
第一代
Ti48Al1V0.3C
研发
第二代
Ti47Al3.5(Nb,Cr,Mn)0.8(B,Si)
铸造
Ti47Al2W0.5Si
Ti48Al2Nb2Cr<
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