CN111254372B - 一种减轻TiAl合金氧化的方法 - Google Patents

Abstract

一种减轻TiAl合金氧化的方法，采用箱式电阻炉对TiAl合金试样进行热处理时，将该TiAl合金试样用石棉包裹后埋进容器中的砂子里。热处理温度为700℃～1400℃，保温0.5～100h，试样随炉升温和降温。待炉温冷至室温后取出试样。TiAl合金埋进砂子中进行热处理时，铸件表面组织中氧含量低，氧化层薄；未做任何处理的试样热处理后，表面组织中氧含量明显升高，氧化层厚度明显增加，说明砂子覆盖在铸件表面减缓了氧与铸件的作用，从而显著减轻了铸件表面的氧化，提高铸件的表面质量。本发明操作简单易行，砂子可以重复使用，节省成本。

Description

一种减轻TiAl合金氧化的方法

技术领域

本发明涉及防氧化技术领域，特别涉及一种减轻TiAl合金氧化的方法。

背景技术

钛铝合金以其优异的高温性能广泛的应用在航空、航天和汽车等领域。热处理是改善组织和性能的一种重要的热加工工序。合适的热处理工艺可以改善显微组织和力学性能。TiAl合金在热处理过程中会出现近γ组织、双态组织、近片层组织、全片层组织四种典型的组织，其中片层组织是TiAl合金高温服役条件下的理想组织。而TiAl合金想要获得片层组织就必须在1000℃以上的高温区进行热处理。另外，TiAl合金铸件一般需要经过高温热处理来消除显微偏析，改善组织均匀性。然而TiAl合金在高温区进行热处理时就会使合金表面发生严重的氧化，高温氧化会使合金表面组织因吸氧而发生改变，恶化合金表面性能，导致TiAl合金性能的不均匀。

一般防止合金在热处理过程中氧化的方法是将合金放进真空炉或惰性气体保护的热处理炉中进行热处理，但这会使热处理的成本增加。

赵慧君在《中国有色金属学报(英文版)》2015(6)：1881-1888公开的论文《真空退火对TA15合金板材组织和力学性能的影响》中研究真空热处理对性能的影响，当热处理工艺为930℃/2h/AC+600℃/2h/AC时，可获得最佳的抗拉强度1070MPa。采用真空封管的方式可以提供真空环境，但是石英玻璃管在急冷急热和高温条件下容易破裂。而TiAl合金经常在1000℃以上进行长时间热处理，石英玻璃管容易在热处理过程中破裂。

在公开号为CN109320267A的发明中提出了一种用于钛合金热处理过程中临时保护涂层的制备方法，该方法采用了搪瓷釉与石英、黏土等填充物组成的涂层体系，涂覆在工件表面来减轻钛合金热处理过程中的氧化。热处理结束后，涂层通过喷砂去除。但该方法所用涂层工艺和操作复杂，成本高。

综上所述，目前关于减轻TiAl合金氧化的方法报道较少，而热处理又是改善合金组织和性能的重要热加工工序。因此急需提出简单易行的减轻TiAl合金氧化的方法。

发明内容

为克服现有技术中存在的TiAl合金在高温热处理过程中易氧化的不足，本发明提出了一种减轻TiAl合金氧化的方法。

本发明的具体过程是：

步骤1、准备TiAl合金试样。

步骤2、准备容器。容器中装满砂子。所述砂子容器中装满莫来砂或氧化锆砂或氧化钇砂。

步骤3、热处理。采用箱式电阻炉对所述TiAl合金试样进行热处理，具体是：

将所述TiAl合金试样用石棉包裹后埋进容器中的砂子里。热处理温度为700℃～1400℃，保温0.5～100h，试样随炉升温和降温。待炉温冷至室温后取出试样。

对比图1和图2发现，近表面组织和氧含量明显不同。TiAl合金埋进砂子中进行热处理时，铸件表面组织中氧含量低，氧化层薄；未做任何处理的试样热处理后，表面组织中氧含量明显升高，氧化层厚度明显增加，说明砂子覆盖在铸件表面减缓了氧与铸件的作用，从而显著减轻了铸件表面的氧化，提高铸件的表面质量。本发明操作简单易行，砂子可以重复使用，节省成本。

附图说明

图1为埋砂处理的Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金试样近表面组织的SEM及EDS图；其中：1a为近表面组织的SEM图，1b为近表面组织中氧含量分布的EDS图。

图2为未做处理的Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金铸态试样近表面组织的SEM及EDS图；其中，2a为近表面组织的SEM图，2b为近表面组织中氧含量分布的EDS图。

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种减轻圆柱形TiAl合金试样氧化的方法。具体过程是：

步骤1、准备试样。所述试样为TiAl合金试样。该TiAl合金试样为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×10mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满莫来砂。

步骤3、热处理。将所述TiAl合金试样用石棉包裹起来，埋进容器中的砂子里，将容器放进箱式电阻炉中。将该箱式电阻炉按常规方法加热至1400℃，保温1小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

为验证本实施例的效果，本发明还提出了本实施例的对比例1，具体是：

步骤1、准备试样。所述TiAl合金试样与实施例1中的TiAl合金试样相同，为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×10mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满莫来砂。

步骤3、热处理。将制备的TiAl合金试样置于箱式电阻炉内。将该箱式电阻炉按常规方法加热至1360℃，保温4小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

分别对实施例得到的TiAl合金试样和对比例得到的TiAl合金试样进行微观组织的SEM观察和EDS分析。图1为埋在砂子里进行热处理的试样近表面组织的SEM及EDS图，图2为未做任何处理的试样热处理后的近表面组织的SEM及EDS图。对比图1和图2发现，用石棉包裹后埋在砂子里进行热处理的试样近表面氧化层深度为40μm，未做任何处理的试样近表面氧化层深度为600μm，证明用石棉包裹后埋在砂子里进行高温热处理能够有效减轻TiAl合金的氧化，改善了铸件表面质量。操作简单，砂子可以循环使用，节省成本。

实施例2

本实施例是一种减轻叶片氧化的方法，具体过程是：

步骤1、准备试样。所述试样为TiAl合金叶片。该TiAl合金叶片为Ti-44Al-4Nb-2Cr合金叶片。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满氧化钇砂。

步骤3、热处理。将所述TiAl合金叶片用石棉包裹起来，埋进容器中的氧化钇砂中。将容器放进箱式电阻炉中。将该箱式电阻炉按常规方法加热至1260℃，保温0.5小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金叶片随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金叶片。

为验证实施例2的效果，本发明还提出了本实施例的对比例2，具体是：

步骤1、准备试样。所述TiAl合金叶片与实施例2中的TiAl合金叶片相同，为Ti-44Al-4Nb-2Cr合金叶片。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满氧化钇砂。

步骤3、热处理。将制备的TiAl合金叶片置于箱式电阻炉内。将该箱式电阻炉按常规方法加热至1260℃，保温0.5小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金叶片随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金叶片。

分别对实施例2中得到的TiAl合金叶片和对比例2中得到的TiAl合金叶片进行微观组织的SEM观察和EDS分析。分析发现，叶片包裹石棉后埋在砂子里再进行热处理后氧化程度明显减小。

实施例3

本实施例是一种减轻增压涡轮氧化的方法，具体过程是：

步骤1、准备试样。所述试样为Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮。

步骤2、准备容器。所容器直径为150mm，高度为20mm。将容器中装满氧化锆砂。

步骤3、热处理。将所述Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮用石棉包裹起来，埋进容器中的氧化锆砂中。将容器放进箱式电阻炉中。将该箱式电阻炉按常规方法加热至700℃，保温100小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮。

为验证实施例3的效果，本发明还提出了本实施例的对比例3，具体是：

步骤1、准备试样。所述试样与实施例3中的试样相同，为Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮。

步骤2、准备容器。所容器直径为150mm，高度为200mm。将容器中装满氧化锆砂。

步骤3、热处理。将所述Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮置于箱式电阻炉内。将该箱式电阻炉按常规方法加热至700℃，保温100小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮。

分别对实施例3中得到的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮和对比例3中得到的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金增压涡轮进行微观组织的SEM观察和EDS分析。分析发现，增压涡轮包裹石棉后埋在砂子里再进行热处理后氧化程度明显减小。

实施例7

本实施例是一种减轻圆柱形TiAl合金试样氧化的方法。具体过程是：

步骤1、准备试样。所述试样为TiAl合金试样。该TiAl合金试样为Ti-42Al-3.5Nb-1Mo合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×8mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满氧化锆砂。

步骤3、热处理。将所述TiAl合金试样用石棉包裹起来，埋进容器中的砂子里，将容器放进箱式电阻炉中。将该箱式电阻炉按常规方法加热至900℃，保温50小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

为验证本实施例的效果，本发明还提出了本实施例的对比例7，具体是：

步骤1、准备试样。所述TiAl合金试样与实施例1中的TiAl合金试样相同，为Ti-42Al-3.5Nb-1Mo合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×8mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满氧化锆砂。

步骤3、热处理。将制备的TiAl合金试样置于箱式电阻炉内。将该箱式电阻炉按常规方法加热至900℃，保温50小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

分别对实施例7中得到的Ti-42Al-3.5Nb-1Mo合金圆柱形试样铸件和对比例7中得到的Ti-42Al-3.5Nb-1Mo合金圆柱形试样进行微观组织的SEM观察和EDS分析。分析发现，圆柱形试样包裹石棉后埋在砂子里再进行热处理后氧化程度明显减小。

实施例8

本实施例是一种减轻圆柱形TiAl合金试样氧化的方法。具体过程是：

步骤1、准备试样。所述试样为TiAl合金试样。该TiAl合金试样为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×71mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满莫来砂。

步骤3、热处理。将所述TiAl合金试样用石棉包裹起来，埋进容器中的砂子里，将容器放进箱式电阻炉中。将该箱式电阻炉按常规方法加热至850℃，保温20小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

为验证本实施例的效果，本发明还提出了本实施例的对比例1，具体是：

步骤1、准备试样。所述TiAl合金试样与实施例1中的TiAl合金试样相同，为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×71mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满莫来砂。

步骤3、热处理。将制备的TiAl合金试样置于箱式电阻炉内。将该箱式电阻炉按常规方法加热至850℃，保温20小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

分别对实施例8中得到的Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金圆柱形试样铸件和对比例8中得到的Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金圆柱形试样进行微观组织的SEM观察和EDS分析。分析发现，圆柱形试样包裹石棉后埋在砂子里再进行热处理后氧化程度明显减小。

实施例9

本实施例是一种减轻圆柱形TiAl合金试样氧化的方法。具体过程是：

步骤1、准备试样。所述试样为TiAl合金试样。该TiAl合金试样为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×7mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满氧化锆砂。

步骤3、热处理。将所述TiAl合金试样用石棉包裹起来，埋进容器中的砂子里，将容器放进箱式电阻炉中。将该箱式电阻炉按常规方法加热至1000℃，保温60小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

为验证本实施例的效果，本发明还提出了本实施例的对比例1，具体是：

步骤1、准备试样。所述TiAl合金试样与实施例1中的TiAl合金试样相同，为Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金的圆柱形试样，尺寸为φ12×7mm。

步骤2、准备容器。所容器直径为100mm，高度为150mm。将容器中装满氧化锆砂。

步骤3、热处理。将制备的TiAl合金试样置于箱式电阻炉内。将该箱式电阻炉按常规方法加热至1000℃，保温60小时。保温结束后，位于该箱式电阻炉内的TiAl合金试样随炉降温至室温。取出试样。得到经过热处理的TiAl合金试样。

分别对实施例8中得到的Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金圆柱形试样铸件和对比例8中得到的Ti-48Al-7Nb-2.5V-1Cr合金圆柱形试样进行微观组织的SEM观察和EDS分析。分析发现，圆柱形试样包裹石棉后埋在砂子里再进行热处理后氧化程度明显减小。

Claims (2)

1.一种减轻TiAl合金氧化的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1、准备TiAl合金试样；

步骤2、准备容器；容器中装满砂子；

步骤3、热处理；采用箱式电阻炉对所述TiAl合金试样进行热处理，具体是：

将所述TiAl合金试样用石棉包裹后埋进容器中的砂子里；热处理温度为700℃～1400℃，保温0.5～1h，试样随炉升温和降温；待炉温冷至室温后取出试样。

2.如权利要求1所述减轻TiAl合金氧化的方法，其特征在于，所述砂子容器中装满莫来砂或氧化锆砂或氧化钇砂。

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