粉末鍛造TiAl基合金的顯微組織

ＴｉＡｌ基合金是一種新型的輕質高溫結構材料，除具有高的比強度、比剛度外，還具有良好的高溫抗氧化性能和一定的高溫蠕變強度及高溫抗疲勞能力，因而備受材料研究工作者的關注。目前ＴｉＡｌ基合金的一個重要應用就是作發動機的關鍵工作部件———氣門(包括進、排氣閥)。采用ＴｉＡｌ基合金材料替代目前通用的不銹鋼甚至鎳基高溫合金來制作氣門，其優勢在于可減輕材質質量和提高發動機性能。國外一些大的汽車制造廠如美國的福特、通用汽車公司以及日本的本田等公司均在致力于該類零件的開發與研制。但是ＴｉＡｌ基合金的鑄造性能較差，易產生疏松，縮孔等鑄造缺陷。采用粉末冶金方法制造則可加以避免，而且這種方法在復雜零件的近成型方面具有優勢。因此目前采用粉末冶金方法制備ＴｉＡｌ基合金的研究已相當廣泛，且所制出的材料性能已達到鍛造ＴｉＡｌ基合金的水平。

粉末鍛造是一種較為成熟的近終型成形工藝，采用這種工藝制作的粉末連桿已大規模投入生產。而且目前所應用的不銹鋼或高溫合金排氣閥中也有相當一部分采用了鍛造方法制造。使用粉末鍛造法制備ＴｉＡｌ基合金排氣閥，一方面可以緩解ＴｉＡｌ基合金所存在的機加工困難的問題，另一方面可以進一步提高粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的力學性能。本工作主要采用包套鍛造的方法研究粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的鍛造行為及其顯微組織的演變。

1試驗過程

將元素Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ粉(均小于45μｍ)按照Ｔｉ47Ａｌ3Ｃｒ(原子百分比)成分均勻混合，在200ＭＰａ壓力下冷等靜壓成形。然后在1300℃，40ＭＰａ，氬氣氛保護下熱壓1ｈ。熱壓坯經過包套在1180℃，20%·ｓ-1應變速率下一次壓下80%。最后樣品在1280℃下熱處理4ｈ。在工藝的各個階段，樣品都要進行顯微組織分析。

2試驗結果

熱壓后的樣品顯微組織是一種由大量α2/γ層片狀晶團和少量γ晶粒組成的近全層片組織。經過包套鍛造后的樣品呈中間略薄，邊緣略厚的圓餅狀，沒有發現裂紋及其它表面缺陷。將鍛坯分為3部分:邊緣區、中心區和表層區。可以見到在不同的區域樣品的顯微組織明顯不同。心部為垂直鍛造方向的均勻、細長變形流線組織，邊緣的顯微組織則比心部粗大一點，亦可看到層片晶團呈流線型逐漸連在一起。在局部區域還可看到層片沿壓力方向發生扭折。而表面的顯微組織與前兩個區域不同，主要由彎曲的α2/γ層片晶團及γ等軸晶組成，層片彎曲的方向呈漩渦型。經過熱處理后，表面的顯微組織與原始組織接近，心部和邊緣區的顯微組織如圖3所示。可以看見心部顯微組織仍然殘留一些變形流線結構，只是流線發生寬化和再結晶長大，由帶狀細小的α2/γ層片狀晶團組成。其它區域顯微組織則主要由γ等軸晶組成。而邊緣區域的顯微組織較心部粗大，也由α2/γ層片狀晶團和γ等軸晶組成，但帶狀組織結構不明顯。

3討論

ＴｉＡｌ基合金的熱塑性變形能力較差，采用普通的自由鍛造或等溫鍛造易發生變形不均勻及產生縱深裂紋。這可以從圓柱樣品鍛造特征來分析。圓柱樣品鍛造后按照變形程度大致可以分為3部分:難變形區、自由變形區及易變形區。樣品的表面由于受沖頭摩擦力的作用，基本不發生軸向變形，僅沿摩擦力的方向流動。樣品的側面邊緣區由于不受側向約束，可以發生自由橫向流動，而軸向變形少，應力狀態為兩拉一壓。此時由于α2/γ層片晶團的變形協調性不好，很容易使樣品發生撕裂。樣品的心部受三向壓應力作用，變形比較容易，可以發生大的軸向變形。而采用包套鍛造方法，可以在一定程度上約束樣品的側向流動，部分抵消因變形不均勻所造成的徑向拉應力，使最大剪應力面上的剪應力大大降低，從而阻止了裂紋的產生。本試驗結果表明，通過包套鍛造，粉末冶金ＴｉＡｌ合金沒有出現開裂現象，表現出很好的高溫變形能力。這也表明，包套鍛造適合于粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的高溫塑性成形。

從樣品各部位的顯微組織，特別是層片晶團的變化可以看出，樣品仍然保持著圓柱鍛坯的變形特征。樣品的表面僅發生沿摩擦力方向的流動，從而導致層片晶團的彎曲，彎曲的方向與摩擦力方向有關。樣品的側面邊緣區雖然受到包套的約束，但仍發生了一定的側向流動，因此層片晶團雖然有變形，并沿徑向連接，但由于變形量不夠大，層片結構仍保持下來。而樣品的心部由于變形量大，層片晶團已分辨不出，僅見沿徑向被拉長并連接的流線型組織。

經過熱處理后的樣品顯微組織與變形后的組織存在密切關系。樣品的心部由于變形量大，儲能高，而且形核率也大。流線型組織的白色區域主要由層片狀晶團演變而來，故保留層片組織的成分，經過再結晶析出細小的層片晶團。但是通過高溫擴散，成分重新分配，白色區域內也有一些γ等軸狀晶粒再結晶長大。而樣品側面邊緣區由于變形量相對較小，儲能較低，層片狀組織的尺寸變化不明顯，與變形后的晶團尺寸接近，但是γ晶粒的長大卻較明顯，說明這兩種相在高溫下的晶粒長大速率存在差異。

4結論

(1)包套鍛造是粉末冶金ＴｉＡｌ基合金進行高溫塑性成形的一種可行的工藝。

(2)鍛造后的顯微組織與樣品在不同區域的真實變形量有關，并在熱處理過程存在組織遺傳效應。