CN112916644A - 一种包套叠轧制备TiAl合金板材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种包套叠轧制备TiAl合金板材的方法，步骤包括：制备长方体TiAl合金坯料；包套；热轧，其中道次压下量和轧制速度控制：道次压下量和轧制速度按照如下公式执行：0.15＜Δhn/hn‑1≤0.3(当n＝1,2时)，0.1≤Δhn/hn‑1≤0.15(当n＝3，…,n＝N‑2时)，0.05≤Δhn/hn‑1＜0.1(当n＝N‑1,N时)，Δhn＞Δhn+1，0.1s‑1≤υn/hn‑1≤2s‑1，轧制总变形量为50％～70％；最后去除包套，根据需要对TiAl合金表面进行处理，获得TiAl合金板材；本发明采用包套形式、多道次精确工艺控制、复合叠轧的方法，高效制备出表面无裂纹、厚度均匀、组织均匀的TiAl合金板材。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，涉及一种包套叠轧制备TiAl合金板材的方法。
背景技术
TiAl合金是新型的轻质耐高温结构材料，目前已经作为航空发动机压气机和涡轮叶片、汽车和坦克发动机的涡轮和排气阀结构获得应用。同时，高超声速飞行器的翼舵结构，机体、机翼、尾翼等部位的热防护结构，先进航空发动机尾喷口的一些零部件对TiAl合金板材均提出了迫切需求。
由于TiAl合金热加工工艺性能非常差，热加工工艺窗口很窄，加之板材轧制过程中板坯受力压力和拉力状态复杂，应变速率高，导致TiAl合金板材轧制成形难度非常大。国内外对TiAl合金板材的研制从上世纪90年代开始，目前只有奥地利Plansee公司可以稳定供应TiAl合金板材，其采用包套热轧的方法生产TiAl合金板材，但是其技术细节保密未公开。
目前TiAl合金板材的制备的相关研究主要是采用包套热轧的方法，包套热轧的方式可以缓解坯料温降的问题，主要体现在两个方面：一是通过包套结构来减少TiAl合金在轧制过程中的温降，二是TiAl坯料不与轧辊直接接触，没有接触散热。防止或减少TiAl合金温降对TiAl合金板材轧制至关重要，一方面，维持TiAl合金坯料温度在可加工的热加工工艺窗口内，保证板材成形；另一方面，TiAl合金的组织演变与变形温度相关性很大，温度的差异直接影响到板材各部位的组织均匀性，在传统的TiAl合金板材轧制后，往往出现较大尺寸板材长度方向头部、中部、尾部存在梯度组织状态，组织均匀性难以保证。为了尽量减少轧制过程中的温降，往往要增加包套材料厚度，这样就增加了生产成本。
TiAl合金包套热轧的技术关键是温度和变形速率的控制，与其直接相关的是包套结构的设计和轧制工艺的匹配。
已见报道多项TiAl合金板材制备相关专利，但是其均采用一个包套制备一件TiAl合金板材的形式，究其原因可能有以下原因：现阶段各研究机构在TiAl合金板材研制上处于实验室研究层面，多针对包套结构的适应性、热轧工艺—板材成形、工艺—组织相关性等研究阶段，TiAl合金板材预制坯料的制备成本较高，在工艺研究阶段，多会避免浪费TiAl坯料，导致其一个包套制备一个TiAl合金板材的状况，未见TiAl合金板材包套叠轧的公开报道。
目前叠轧技术在易变形材料的功能性拓展方面有应用，钛/钢复合板主要是通过热叠轧过程使钢板和钛板实现冶金结合，从而制备出钛/钢复合板，其技术关键是轧前板之间的真空处理，与冶金复合界面的工艺控制；此外铝合金叠轧也有报道，其主要是通过不同厚度铝合金板材的叠放加温轧，形成晶粒尺寸沿厚度方向上梯度排布，获得具有梯度结构的铝合金板。
发明内容
本发明的目的是：提供一种包套叠轧制备TiAl合金板材的方法，以降低TiAl合金板材制备成本、提高板材制备效率和质量。为TiAl合金板材在航空、航天、汽车等领域的推广应用提供技术支撑。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：。
一种包套叠轧制备TiAl合金板材的方法，其按照以下步骤进行：
步骤一、制备长方体TiAl合金坯料：
坯料厚度为3mm～20mm，各边倒角R2～R8mm；
步骤二、包套：根据坯料尺寸加工轧制用的包套，然后将n个表面防护处理后的TiAl合金坯料装入包套中，坯料间和坯料与包套间用隔离层分隔开，隔离层厚度≤0.2mm，保证包套结构各个内表面与TiAl合金坯料间距控制在1mm以下，再封焊包套；
步骤三、热轧：
(1)包套封焊完成后，装入高温电炉中，炉温控制在1100℃～1300℃范围内，保温30min～180min；转移包套；
(2)道次压下量和轧制速度控制：
道次压下量和轧制速度按照如下公式执行：0.15＜Δhn/hn-1≤0.3(当n＝1,2时)，0.1≤Δhn/hn-1≤0.15(当n＝3，…,n＝N-2时)，0.05≤Δhn/hn-1＜0.1(当n＝N-1,N时)，Δhn＞Δhn+1，0.1s-1≤υn/hn-1≤2s-1，
其中Δhn为第n道次的压下量，hn-1为第n道次轧制前的包套厚度，υn为第n道次的轧制速度，N为总的轧制道次数；
(3)道次间回炉保温，每道次回炉温度与上一道次保持一致或降低50℃以内，且最低轧制温度控制在1100℃以上，回炉保温时间以整个包套结构热透为准，一般控制在10min～60min；
(4)轧制总变形量为50％～70％；
(5)轧后放入800℃～1000℃热处理炉中，保温1h～5h后随炉冷却；
步骤四、蠕变矫直：蠕变矫直温度控制在950℃～1000℃，给包套施加150MPa～300MPa的载荷；
步骤五、去除包套：采用机加工方式去除包套，取出TiAl合金板材；
步骤六、TiAl合金板材表面处理：根据需要，可采用喷砂或磨削等方式对TiAl合金表面进行处理，最终获得外观质量完好的TiAl合金板材。
步骤一具体操作为：采用粉末冶金或铸锭冶金方法制备TiAl合金预制坯料，利用机械加工的方法将TiAl合金预制坯料加工成长方体TiAl合金坯料。
TiAl合金坯料表面粗糙度控制在Ra6～Ra8范围内，单位为μm。
步骤二所述的单个包套内TiAl合金坯料数量，根据坯料厚度，其数量控制在2～5为宜。
步骤二中包套材料优选304不锈钢。
步骤二中隔离层材料为金属箔材。
步骤三所述的总轧制道次N取值为5～7。
步骤三中(1)到(2)的TiAl合金包套转移时间≤120s。
步骤三中(2)轧制速度在10mm/s～80mm/s范围内，道次压下量为轧前厚度的5％～30％。
步骤四中根据轧后包套尺寸设置矫直所用设备和工艺条件，在合适尺寸的电炉中进行，或与步骤三中(5)合并进行。
本发明的有益效果是：本发明针对TiAl合金难变形材料特点，提供一种采用包套形式、多道次精确工艺控制、复合叠轧的方法，高效制备出表面无裂纹、厚度均匀、组织均匀的TiAl合金板材。从材料的成型难度、结构复杂程度、多道次热力耦合工艺控制等角度来讲，与现有已报到的叠轧技术相比具有显著差异。
(1)本发明的包套和多件TiAl合金坯料组合的结构形式，降低了保温控制难度，一方面相同包套和坯料厚度条件下，这种包套结构增大了热容量，减少了轧制过程中的热量损失，尤其在后几道次轧制时体现出了比传统单一坯料形式保温效果好的优势，有利于TiAl合金板材成形质量的提高。
(2)由于不锈钢与TiAl合金的热膨胀系数差异较大，轧后冷却过程，不锈钢包套的收缩量远大于TiAl合金板材，多层TiAl合金板材的存在，共同抑制包套对其的作用力，同时轧后立即回炉退火和蠕变矫形过程可以释放这种作用力，避免TiAl板材被包套压裂。
(3)本发明提供的包套叠轧制备TiAl合金板材方法，提供了一种适用于TiAl合金板材叠轧的包套结构和与其相匹配的热轧工艺设计，包套过程易于操作，轧制工艺可控。
(4)本发明提供的包套叠轧制备TiAl合金板材方法，通过一次的包套热轧可以制备出多块TiAl合金板材，板材制备效率提高，包套成本及过程成本显著降低。
(5)本发明提供的包套叠轧制备TiAl合金板材方法，提出了TiAl合金蠕变矫形方法，保证了去除包套后，获得具有较好板型的TiAl合金板材。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为图1为包套叠轧TiAl合金板材组织形貌，其中，图1(a)为全截面形貌，图1(b)局部组织形貌。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。
在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。
包套叠轧用名义成分为Ti-44Al-5V-1Cr-0.1B，TiAl合金轧制所用坯料的加工历史为：三次真空自耗熔炼制备的铸锭，经过1200℃挤压开坯+1150℃退火再结晶处理，TiAl合金板材坯料为等轴晶组织构成，平均晶粒尺寸约为15μm。
一、TiAl合金板坯料准备：利用机械加工的方法将上述TiAl合金板坯加工成长方体TiAl合金坯料，坯料宽度为150mm、长度160mm、厚度为5mm，各边倒角R2，TiAl合金坯料表面粗糙度Ra＝8μm，坯料表面涂料防护处理。
二、包套：加工304不锈钢包套，包套分为上下两部分结构，下部为盒型结构，内腔尺寸为151mm×162mm×18mm，然后将2个表面防护处理后的TiAl合金坯料装入包套中，坯料间和坯料与包套间用0.2mm厚的箔材隔离层分隔开，坯料完全装入后，将包套上盖与下部盒体封焊，采用钨极氩弧焊的方式封焊包套，保证焊缝强度和完整性，包套整体厚度28mm。
三、热轧：(1)坯料预热：温度1200℃，保温120min；(2)使用轧辊宽度550mm的热轧机，每道次轧制TiAl合金转移时间在80s～100s之间，轧制6道次，轧制速度从10mm/s升到20mm/s，道次压下量从22％逐渐降到8％；(3)道次间回炉保温，温度1200℃，保温时间在20min～40min范围内；(4)轧制总变形量为65％。
四、蠕变矫直：轧后马上装入1000℃的电炉中，包套上配重载荷约300MPa，48小时后取出。
五、去除包套：采用机加工方式去除包套，取出TiAl合金板材，板材质量完好。
六、板材表面处理：板材表面喷砂处理，获得2件表面质量完好，无裂纹的TiAl合金板材，板材平直，2件板材的厚度一致，板材厚度约为2.2mm。
TiAl合金板材的组织形貌如附图1所示。其中附图1(a)为板材全截面形貌，可以看到板材表面无氧化，且表面到中心位置组织均匀；附图1(b)为板材显微组织，组织由γ、α2和B2三相组成，各相均匀分布，尺寸细小。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种包套叠轧制备TiAl合金板材的方法，其特征在于：其按照以下步骤进行：
步骤一、制备长方体TiAl合金坯料：
坯料厚度为3mm～20mm，各边倒角R2～R8mm；
步骤二、包套：根据坯料尺寸加工轧制用的包套，然后将n个表面防护处理后的TiAl合金坯料装入包套中，坯料间和坯料与包套间用隔离层分隔开，隔离层厚度≤0.2mm，保证包套结构各个内表面与TiAl合金坯料间距控制在1mm以下，再封焊包套；
步骤三、热轧：
(1)包套封焊完成后，装入高温电炉中，炉温控制在1100℃～1300℃范围内，保温30min～180min；转移包套；
(2)道次压下量和轧制速度控制：
道次压下量和轧制速度按照如下公式执行：0.15＜Δhn/hn-1≤0.3(当n＝1,2时)，0.1≤Δhn/hn-1≤0.15(当n＝3，…,n＝N-2时)，0.05≤Δhn/hn-1＜0.1(当n＝N-1,N时)，Δhn＞Δhn+1，0.1s-1≤υn/hn-1≤2s-1，
其中Δhn为第n道次的压下量，hn-1为第n道次轧制前的包套厚度，υn为第n道次的轧制速度，N为总的轧制道次数；
(3)道次间回炉保温，每道次回炉温度与上一道次保持一致或降低50℃以内，且最低轧制温度控制在1100℃以上，回炉保温时间以整个包套结构热透为准；
(4)轧制总变形量为50％～70％；
(5)轧后放入800℃～1000℃热处理炉中，保温1h～5h后随炉冷却；
步骤四、蠕变矫直：蠕变矫直温度控制在950℃～1000℃，给包套施加150MPa～300MPa的载荷；
步骤五、去除包套，取出TiAl合金板材；
步骤六、TiAl合金板材表面处理：根据需要对TiAl合金表面进行处理，获得TiAl合金板材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一具体操作为：
采用粉末冶金或铸锭冶金方法制备TiAl合金预制坯料，利用机械加工的方法将TiAl合金预制坯料加工成长方体TiAl合金坯料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一TiAl合金坯料表面粗糙度控制在Ra6～Ra8范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二所述的单个包套内TiAl合金坯料数量为2～5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中包套材料为304不锈钢。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中隔离层材料为金属箔材。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三所述的总轧制道次N取值为5～7。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中(1)到(2)的TiAl合金包套转移时间≤120s。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中(2)轧制速度在10mm/s～80mm/s范围内，道次压下量为轧前厚度的5％～30％。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中根据轧后包套尺寸设置矫直所用设备和工艺条件，在合适尺寸的电炉中进行，或与步骤三中(5)合并进行。
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