ＴｉＡｌ基合金是一种新型的轻质高温结构材料,除具有高的比强度、比刚度外,还具有良好的高温抗氧化性能和一定的高温蠕变强度及高温抗疲劳能力,因而备受材料研究工作者的关注。目前ＴｉＡｌ基合金的一个重要应用就是作发动机的关键工作部件———气门(包括进、排气阀)。采用ＴｉＡｌ基合金材料替代目前通用的不锈钢甚至镍基高温合金来制作气门,其优势在于可减轻材质质量和提高发动机性能。国外一些大的汽车制造厂如美国的福特、通用汽车公司以及日本的本田等公司均在致力于该类零件的开发与研制。但是ＴｉＡｌ基合金的铸造性能较差,易产生疏松,缩孔等铸造缺陷。采用粉末冶金方法制造则可加以避免,而且这种方法在复杂零件的近成型方面具有优势。因此目前采用粉末冶金方法制备ＴｉＡｌ基合金的研究已相当广泛,且所制出的材料性能已达到锻造ＴｉＡｌ基合金的水平。

粉末锻造是一种较为成熟的近终型成形工艺,采用这种工艺制作的粉末连杆已大规模投入生产。而且目前所应用的不锈钢或高温合金排气阀中也有相当一部分采用了锻造方法制造。使用粉末锻造法制备ＴｉＡｌ基合金排气阀,一方面可以缓解ＴｉＡｌ基合金所存在的机加工困难的问题,另一方面可以进一步提高粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的力学性能。本工作主要采用包套锻造的方法研究粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的锻造行为及其显微组织的演变。

1试验过程

将元素Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ粉(均小于45μｍ)按照Ｔｉ47Ａｌ3Ｃｒ(原子百分比)成分均匀混合,在200ＭＰａ压力下冷等静压成形。然后在1300℃,40ＭＰａ,氩气氛保护下热压1ｈ。热压坯经过包套在1180℃,20%·ｓ-1应变速率下一次压下80%。最后样品在1280℃下热处理4ｈ。在工艺的各个阶段,样品都要进行显微组织分析。

2试验结果

热压后的样品显微组织是一种由大量α2/γ层片状晶团和少量γ晶粒组成的近全层片组织。经过包套锻造后的样品呈中间略薄,边缘略厚的圆饼状,没有发现裂纹及其它表面缺陷。将锻坯分为3部分:边缘区、中心区和表层区。可以见到在不同的区域样品的显微组织明显不同。心部为垂直锻造方向的均匀、细长变形流线组织,边缘的显微组织则比心部粗大一点,亦可看到层片晶团呈流线型逐渐连在一起。在局部区域还可看到层片沿压力方向发生扭折。而表面的显微组织与前两个区域不同,主要由弯曲的α2/γ层片晶团及γ等轴晶组成,层片弯曲的方向呈漩涡型。经过热处理后,表面的显微组织与原始组织接近,心部和边缘区的显微组织如图3所示。可以看见心部显微组织仍然残留一些变形流线结构,只是流线发生宽化和再结晶长大,由带状细小的α2/γ层片状晶团组成。其它区域显微组织则主要由γ等轴晶组成。而边缘区域的显微组织较心部粗大,也由α2/γ层片状晶团和γ等轴晶组成,但带状组织结构不明显。

3讨论

ＴｉＡｌ基合金的热塑性变形能力较差,采用普通的自由锻造或等温锻造易发生变形不均匀及产生纵深裂纹。这可以从圆柱样品锻造特征来分析。圆柱样品锻造后按照变形程度大致可以分为3部分:难变形区、自由变形区及易变形区。样品的表面由于受冲头摩擦力的作用,基本不发生轴向变形,仅沿摩擦力的方向流动。样品的侧面边缘区由于不受侧向约束,可以发生自由横向流动,而轴向变形少,应力状态为两拉一压。此时由于α2/γ层片晶团的变形协调性不好,很容易使样品发生撕裂。样品的心部受三向压应力作用,变形比较容易,可以发生大的轴向变形。而采用包套锻造方法,可以在一定程度上约束样品的侧向流动,部分抵消因变形不均匀所造成的径向拉应力,使最大剪应力面上的剪应力大大降低,从而阻止了裂纹的产生。本试验结果表明,通过包套锻造,粉末冶金ＴｉＡｌ合金没有出现开裂现象,表现出很好的高温变形能力。这也表明,包套锻造适合于粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的高温塑性成形。

从样品各部位的显微组织,特别是层片晶团的变化可以看出,样品仍然保持着圆柱锻坯的变形特征。样品的表面仅发生沿摩擦力方向的流动,从而导致层片晶团的弯曲,弯曲的方向与摩擦力方向有关。样品的侧面边缘区虽然受到包套的约束,但仍发生了一定的侧向流动,因此层片晶团虽然有变形,并沿径向连接,但由于变形量不够大,层片结构仍保持下来。而样品的心部由于变形量大,层片晶团已分辨不出,仅见沿径向被拉长并连接的流线型组织。

经过热处理后的样品显微组织与变形后的组织存在密切关系。样品的心部由于变形量大,储能高,而且形核率也大。流线型组织的白色区域主要由层片状晶团演变而来,故保留层片组织的成分,经过再结晶析出细小的层片晶团。但是通过高温扩散,成分重新分配,白色区域内也有一些γ等轴状晶粒再结晶长大。而样品侧面边缘区由于变形量相对较小,储能较低,层片状组织的尺寸变化不明显,与变形后的晶团尺寸接近,但是γ晶粒的长大却较明显,说明这两种相在高温下的晶粒长大速率存在差异。

4结论

(1)包套锻造是粉末冶金ＴｉＡｌ基合金进行高温塑性成形的一种可行的工艺。

(2)锻造后的显微组织与样品在不同区域的真实变形量有关,并在热处理过程存在组织遗传效应。