ＴｉＡｌ基合金是一種新型的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料,除具有高的比強(qiáng)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(qiáng)度及高溫抗疲勞能力,因而備受材料研究工作者的關(guān)注[1～3]。目前ＴｉＡｌ基合金的一個重要應(yīng)用就是作發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵工作部件———氣門（包括進(jìn)、排氣閥）[4～7]。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(yōu)勢在于可減輕材質(zhì)質(zhì)量和提高發(fā)動機(jī)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(fā)與研制。但是ＴｉＡｌ基合金的鑄造性能較差,易產(chǎn)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(fù)雜零件的近成型方面具有優(yōu)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(dāng)廣泛[8～11],且所制出的材料性能已達(dá)到鍛造ＴｉＡｌ基合金的水平[12]。
    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(guī)模投入生產(chǎn)。而且目前所應(yīng)用的不銹鋼或高溫合金排氣閥中也有相當(dāng)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(jī)加工困難的問題,另一方面可以進(jìn)一步提高粉末冶金ＴｉＡｌ基合金的力學(xué)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Ｔｉ 47Ａｌ 3Ｃｒ（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(hù)下熱壓1ｈ。熱壓坯經(jīng)過包套在1180℃,20%·ｓ-1應(yīng)變速率下一次壓下80%。zui后樣品在1280℃下熱處理4ｈ。在工藝的各個階段,樣品都要進(jìn)行顯微組織分析。
2　試驗結(jié)果
    熱壓后的樣品顯微組織是一種由大量α2/γ層片狀晶團(tuán)和少量γ晶粒組成的近全層片組織,如圖1所示。經(jīng)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(fā)現(xiàn)裂紋及其它表面缺陷。將鍛坯分為3部分:邊緣區(qū)、中心區(qū)和表層區(qū)。其顯微組織如圖2所示?？梢砸姷皆诓煌膮^(qū)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(xì)長變形流線組織,邊緣的顯微組織則比心部粗大一點(diǎn),亦可看到層片晶團(tuán)呈流線型逐漸連在一起。在局部區(qū)域還可看到層片沿壓力方向發(fā)生扭折（圖2ｃ）。而表面的顯微組織與前兩個區(qū)域不同,主要由彎曲的α2/γ層片晶團(tuán)及γ等軸晶組成,層片彎曲的方向呈漩渦型。經(jīng)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(qū)的顯微組織如圖3所示?？梢钥匆娦牟匡@微組織仍然殘留一些變形流線結(jié)構(gòu),只是流線發(fā)生寬化和再結(jié)晶長大,由帶狀細(xì)小的α2/γ層片狀晶團(tuán)組成。其它區(qū)域顯微組織則主要由γ等軸晶組成。而邊緣區(qū)域的顯微組織較心部粗大,也由α2/γ層片狀晶團(tuán)和γ等軸晶組成,但帶狀組織結(jié)構(gòu)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(fā)生變形不均勻及產(chǎn)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(qū)、自由變形區(qū)及易變形區(qū)。樣品的表面由于受沖頭摩擦力的作用,基本不發(fā)生軸向變形,僅沿摩擦力的方向流動。樣品的側(cè)面邊緣區(qū)由于不受側(cè)向約束,可以發(fā)生自由橫向流動,而軸向變形少,應(yīng)力狀態(tài)為兩拉一壓。此時由于α2/γ層片晶團(tuán)的變形協(xié)調(diào)性不好,很容易使樣品發(fā)生撕裂。樣品的心部受三向壓應(yīng)力作用,變形比較容易,可以發(fā)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(cè)向流動,部分抵消因變形不均勻所造成的徑向拉應(yīng)力,使zui大剪應(yīng)力面上的剪應(yīng)力大大降低,從而阻止了裂紋的產(chǎn)生。本試驗結(jié)果表明,通過包套鍛造,粉末冶金ＴｉＡｌ合金沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,表現(xiàn)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(tuán)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(fā)生沿摩擦力方向的流動,從而導(dǎo)致層片晶團(tuán)的彎曲,彎曲的方向與摩擦力方向有關(guān)。樣品的側(cè)面邊緣區(qū)雖然受到包套的約束,但仍發(fā)生了一定的側(cè)向流動,因此層片晶團(tuán)雖然有變形,并沿徑向連接,但由于變形量不夠大,層片結(jié)構(gòu)仍保持下來。而樣品的心部由于變形量大,層片晶團(tuán)已分辨不出,僅見沿徑向被拉長并連接的流線型組織。
    經(jīng)過熱處理后的樣品顯微組織與變形后的組織存在密切關(guān)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(qū)域主要由層片狀晶團(tuán)演變而來,故保留層片組織的成分,經(jīng)過再結(jié)晶析出細(xì)小的層片晶團(tuán)。但是通過高溫擴(kuò)散,成分重新分配,白色區(qū)域內(nèi)也有一些γ等軸狀晶粒再結(jié)晶長大。而樣品側(cè)面邊緣區(qū)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(tuán)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(jié)論
    （1）包套鍛造是粉末冶金ＴｉＡｌ基合金進(jìn)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(qū)域的真實變形量有關(guān),并在熱處理過程存在組織遺傳效應(yīng)。

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