热处理对铸态Ti48Al2Cr2Nb1B合金组织和性能的影响

焦 勇，吴天栋，张利军，周中波

(西安西工大超晶科技发展有限责任公司，陕西 西安 710200)

0 引 言

TiAl基合金具有轻质、高比强、高比刚、耐蚀、耐磨、耐高温以及优异的抗氧化性等优点，是航空航天及汽车发动机用耐热结构件的优选材料，具有广阔的应用前景[1-3]。然而，铸态TiAl 基合金组织通常为粗大片团的层片结构，室温塑性几乎为零，严重阻碍了其工程化应用[4]。研究发现，具有均匀细小全层片状组织或双态组织的TiAl基合金可以获得良好的综合力学性能，最有可能得到实际应用[5]。目前细化铸态晶粒的方法主要有2种，一种是添加B、Y等元素通过合金化细化，另一种是直接热处理细化，通过相变来控制组织。

随着研究的深入，γ-TiAl基合金成为一种可部分替代Ni基高温合金的极具应用潜力的新型轻质高温结构材料，可广泛应用于航空发动机热端部件(如叶片、涡轮盘、气门阀)以及汽车领域(如发动机、排气阀)等[4, 6]。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金是一种典型的第二代γ-TiAl基合金，该合金是在Ti48Al合金的基础上加入Cr、Nb元素通过合金化来提高其抗蠕变和抗氧化性能，是GE公司迄今为止研发出的室温塑性最优的γ-TiAl基合金。2006年6月，Ti-48Al-2Cr-2Nb合金成功替代原来的镍基高温合金，制造了GEnx发动机第6、7两级低压涡轮叶片，使单台发动机质量减少了约90 kg，节油20%，氮化物(NOx)排放量减少80%，噪音显著降低[7-8]。由于硼元素在TiAl基合金中可以形成硼化物，从而可细化晶粒，提高合金性能。为此，本研究通过添加1%(原子分数)的B来细化晶粒，制备出Ti48Al2Cr2Nb1B合金并浇注成试棒，对试棒热处理后，进行力学性能测试及组织形貌观察，研究热处理工艺对铸态Ti48Al2Cr2Nb1B合金组织和性能的影响，旨在建立Ti48Al2Cr2Nb1B合金工艺-组织-性能的关系。

1 实 验

实验所采用的Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒经真空自耗凝壳炉浇注而成，规格为φ20 mm×100 mm，共14支。其中2支试棒用于原始铸态组织观察，并对其力学性能进行测试；另外12支试棒经不同热处理后用于分析热处理工艺对其组织和性能的影响。Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的化学成分见表1。

Ti-Al 二元合金相图中间部分包括2个包晶反应，即L+β→α和L+α→γ；1个共析反应，即α→α2+γ[9]。当TiAl基合金的Al含量在46% ～50% (原子分数)之间时，液相冷却的过程中会发生以下相变：L→L+β→L+β+α→β+α+γ→α+γ→lamellar(α2+γ)+γ。

通过差热分析测得Ti48Al2Cr2Nb1B合金的共析转变温度为1 128 ℃，α转变开始温度为1 305 ℃，α转变结束温度为1 362 ℃，故本实验选择在α转变温度(Tα)以上的1 380 ℃进行淬火， 然后在α+γ两相区进行时效处理，具体的热处理工艺见表2。

表2 Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的热处理制度Table 2 Heat treatments for Ti48Al2Cr2Nb1B alloy test bars

采用OLYMPUS GX41光学显微镜对试样进行组织观察，采用 JSM-6360 型扫描电镜附加 X 射线能谱仪进行微区成分分析；采用Instron-4507拉力试验机测试室温力学性能。

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

2.1.1 铸件的显微组织

图1为铸态Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的显微组织照片。

图1 不同放大倍数的铸态Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的显微组织Fig.1 Microstructures of as-cast Ti48Al2Cr2Nb1B alloy test bars under different amplifications:(a)100×；(b)2000×；(c)2000×

从图1a可以看出，铸态Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的显微组织为全层片组织，其中层片的生长方向垂直于柱状晶方向，在层片中分布着针状组织，其存在位置主要有2种：一种位于层片内部，割裂了层片；另一种位于层片团交界位置或靠近层片团交界位置处。对针状组织进行能谱分析，具体分析位置如图1b、1c所示，得到的各元素含量见表3。通过能谱分析可以确定针状组织为硼化物。

2.1.2 淬火后的显微组织

铸态Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的粗大层片组织比较稳定，难以通过常规的热处理进行组织细化，为此，本实验采用了淬火处理。将试样在Tα以上保温 30 min，然后快速冷却(冷却方式分别为水冷、油冷、空冷)。热处理过程中，铸态Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的层片组织首先转变为α晶粒，然后在快速冷却时发生块状转变，形成块状组织(γm)或非平衡组织(γf)，并含有大量的微观缺陷，为后续时效过程提供丰富的形核位置。图2是 Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒淬火时分别经水冷、油淬、空冷后的显微组织。从图2可以看出，经3种不同冷却方式的淬火处理后，Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒均没有获得完整的块状γm组织。水冷后的组织以块状γm组织为主，并含有大量的非平衡态的羽毛状γf组织，如图2a所示；油冷后的组织依然为层片组织，且层片组织发生粗化，其中的γ层片厚度明显比α2层片厚，层片中间和层片团交界处分布着针状硼化物组织，如图 2b所示；空冷后的组织也为层片组织，且与铸态层片组织相同，仅在层片团交界处γ层片厚度比α2层片略厚，同样在层片中间和层片团交界处分布着针状硼化物组织，如图2c所示。

表3 图1中针状组织的能谱分析结果Table 3 EDS results of the acicular structure in fig.1

Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒淬火后均未获得预期的完整的块状γm组织，只是在冷却速度最快的水冷条件下才观察到有块状γm组织和羽毛状非平衡组织γf，这是由于B元素的加入除了可以细化晶粒尺寸，还能提高全片层组织的稳定性，有效抑制抑制γm块状组织的形成和非平衡羽毛状层束的生成。 虽然较高的淬火温度和较快的冷却速度有利于获得γm块状组织和非平衡羽毛组织γf，但过快的冷却速度容易在TiAl基合金内部产生裂纹，因此本实验中水冷条件下虽然能获得块状γm组织和羽毛状非平衡组织γf，但也有一组试样在淬火后出现了开裂的现象。

图2 Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒经淬火处理后的显微组织 Fig.2 Microstructures of Ti48Al2Cr2Nb1B alloy test bars after quenching: (a)water-cooling; (b)oil-cooling; (c)air-cooling

2.1.3 时效后的显微组织

对经淬火处理后的Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒加热到α+γ两相区保温6 h空冷后得到的显微组织如图3所示。其中，图3a为经1-2工艺处理后得到的Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的显微组织。由图3a可见，组织为层片组织，但层片粗大，并分布着大量的块状和等轴γ相，介于近层片组织和双态组织之间。这是因为水淬后的组织中缺陷最多，时效过程中γm组织可充分转变为α相，但由于时效时间较长，α相又逐渐长大，冷却过程中部分γ相又从α相中析出，形成了层片状组织，而淬火过程已将原有的层片组织破碎，因此形成了介于近层片组织和双态组织之间的一种组织。

图3b为经2-2工艺处理后的Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的显微组织。由图3b可见，组织为双态组织，其中亮色区域为γ相，呈等轴状或短条状，暗色区域为α2+γ片层组织。经油淬后，试棒的组织虽然还是层片组织，但是淬火产生了大量缺陷，另外分布于层片间的硼化物为α相提供了形核核心，时效过程中首先在缺陷部位发生γ相向α相的转变，α相在γ相上沿不同的方向和惯习面析出，造成长条状γ相发生断裂，形成晶粒尺寸较小的双态组织。

图3c为经3-2工艺处理后的Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的显微组织。由图3c可见，组织为近层片组织， 由α2/γ层片团以及少量的分布于层片间的等轴γ晶粒所组成。空冷后的组织中由于缺陷较少，时效过程中无法形成足够的α相，只在晶界处缺陷较多的部位和硼化物聚集处发生了γ相向α相的转变，同样α相在γ相上沿不同的方向和惯习面析出，造成长条状γ相发生断裂，在晶界处和硼化物聚集处生成了等轴γ相，因此合金试棒的组织为典型的近层片组织。

图3 Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒经淬火+时效处理后的显微组织Fig.3 Microstuctures of Ti48Al2Cr2Nb1B alloy test bars after quenching and aging with different experiment conditions:(a)aging after water-cooling; (b)aging after oil-cooling; (c)aging after air-cooling

2.2 力学性能分析

表4为Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒铸态和热处理后的室温抗拉强度及伸长率。从表4可以看出，采用3种热处理工艺处理后的Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒抗拉强度均有所提高，而伸长率几乎没有变化。通过前面的组织分析可知，淬火+时效处理可以细化Ti48Al2Cr2Nb1B合金的晶粒尺寸和层片间距，提高室温力学性能，但其组织仍为层片组织，试样拉伸断裂方式仍为脆断，对塑性的影响有限。

表4 Ti48Al2Cr2Nb1B合金试棒的室温力学性能Table 4 Room temperature mechanical properties of Ti48Al2Cr2Nb1B alloy test bars

3 结 论

(1)Ti48Al2Cr2Nb1B合金中的硼化物可以提高全层片组织的稳定性，通过淬火很难获得完整粗大的块状γm组织，但在硼化物聚集处存在大量的缺陷，可以在后续的时效中促进α相的形成，细化晶粒。

(2)采用淬火+时效的热处理方式可以提高Ti48Al2Cr2Nb1B合金的室温抗拉强度，但对塑性的影响不大，其中经过1 380 ℃×30 min/OC+1 240 ℃×6 h/AC处理后，其组织为均匀细小的双态组织，抗拉强度最高。

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