CN105666038B - 一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法，涉及一种金属蜂窝结构的制备方法。本发明是为了解决目前制备的蜂窝结构存在大量的缩松等缺陷、工序长、能耗高，成本高，且蜂窝壁存在大量焊缝，工艺稳定性差，而且目前TiAl基合金高温变形抗力大，薄板制备技术难以突破的技术问题。本发明：一、锻造；二、挤压；三、水切割；四、拉制；五、钎焊。在本发明的方法降低了成本，蜂窝单元通过高温拉伸获得，避免了精铸法的大量铸造缺陷和弯折/焊接工艺的大量焊缝，提高了其力学性能和结构稳定性；此外，本发明的蜂窝芯为整体成形，提高了结构的平整性。本发明应用于制备TiAl基合金蜂窝结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属蜂窝结构的制备方法。
背景技术
TiAl基合金具有密度小、高温比强度高等优点，作为一种新型轻质高强材料在航空航天领域具有巨大应用潜力。蜂窝结构具有强度高、密度小、隔音隔热等优点，在航空航天领域获得广泛应用。TiAl基合金蜂窝结构对提高飞行器的推重比具有重大意义。现有制备蜂窝结构的工艺主要包括精铸法和芯板弯折/焊接组合工艺。精铸法制备TiAl基合金蜂窝结构存在大量的缩松等缺陷，大大降低了其使用性能；芯板弯折/焊接组合工艺多需要薄板的制备、弯折、焊接等复合工艺，工序长、能耗高，大大提高了其成本，且蜂窝壁存在大量焊缝，工艺稳定性差。目前由于TiAl基合金高温变形抗力大，薄板制备技术难以突破，利用传统的制备工艺难以制备出合格的TiAl基合金蜂窝结构。因此开发一种兼顾高性能、低成本的TiAl基蜂窝结构制备工艺，推动TiAl基合金在飞行器上的应用，是目前的研究重点。
发明内容
本发明是为了解决目前制备的蜂窝结构存在大量的缩松等缺陷、工序长、能耗高，成本高，且蜂窝壁存在大量焊缝，工艺稳定性差，而且目前TiAl基合金高温变形抗力大，薄板制备技术难以突破的技术问题，而提供一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法。
本发明的一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法是按以下步骤进行：
一、锻造：将TiAl基合金坯料电火花切割成圆柱体棒材，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为5℃/min～15℃/min的条件下从室温升温至1150℃～1300℃，在真空度为10-3Pa和温度为1150℃～1300℃的条件下保温10min～60min，然后在真空度为10-3Pa、温度为1150℃～1300℃和应变速率为10-1s-1～10-4s-1的条件下进行开坯锻造至总变形量为30％～80％，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至950℃～1100℃，在真空度为10-3Pa和温度为950℃～1100℃的条件下保温2h～6h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到锻造完的TiAl基合金；所述的圆柱体棒材的高和直径比为1:(0.67～1)；
二、挤压：将步骤一得到的锻造完的TiAl基合金电火花切割成块体，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为10℃/min～15℃/min的条件下从室温升温至1200℃～1350℃，在真空度为10-3Pa和温度为1200℃～1350℃的条件下保温10min～60min，然后在挤压温度为1200℃～1350℃、挤压速率为5mm/min～10mm/min、挤压比为(2～8):1和挤压道次为1～4的条件下进行挤压，挤压完成后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至900℃～1150℃，在真空度为10-3Pa和温度为900℃～1150℃的条件下退火2h～6h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，精密抛光得到厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材；
三、水切割：将步骤二得到的厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材进行水切割，水切割缝宽度为1mm～2mm，切缝长度为5mm～15mm，切缝两端为180°且半径为0.5mm的圆角，然后进行清洗，将清洗完的TiAl基合金板材放在真空烘箱中，在真空度为1Pa～10Pa和温度为60℃的条件下烘干10h，得到水切割完后的TiAl基合金板材；
四、拉制：将步骤三得到的水切割完后的TiAl基合金板材放入真空高温多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa、拉制温度为950℃～1200℃和拉制速度为0.1mm/min～10mm/min的条件下拉制至总变形量为100％～1000％，得到TiAl基合金蜂窝芯，拉制完成后在真空度为10-3Pa和退火温度为1000℃～1300℃的条件下退火2h～4h，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到TiAl基合金蜂窝芯；
五、钎焊：将步骤二精密抛光得到厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材电火花切割出2块厚度为1mm～4mm的TiAl基合金板材，然后精密抛光，将抛光后的2块TiAl基合金板材和步骤四得到的TiAl基合金蜂窝芯进行钎焊，得到两侧为TiAl基合金板材、中间为TiAl基合金蜂窝芯的三明治结构；所述的钎焊工艺为：采用TiCuNi系钎料、钎焊温度为900℃～1100℃、钎焊压力为1MPa～5MPa、钎焊保温时间为20min～60min，最后随炉冷却至室温。
本发明选用TiAl基合金为原料，经过高温锻造退火后，线切割成一定尺寸的TiAl基合金块体，在真空多功能热压炉中进行高温挤压，制得一定尺寸的TiAl基合金厚板，高温退火及机加工后进行水切割制备出TiAl基蜂窝拉伸坯料，在真空多功能热压炉中进行高温拉制成型，退火后制得TiAl基蜂窝芯，在挤压厚板上通过线切割切下TiAl基箔材机加工后与TiAl基蜂窝芯进行高温钎焊连接制得TiAl基合金蜂窝结构。
本发明的制备方法解决了现有方法在TiAl基蜂窝结构制备过程中需要薄板制备困难的难题，解决了现有方法蜂窝壁存在大量焊缝导致其力学性能差的难题，且本发明的制备方法具有生产工艺简单、生产效率高、成本低、无需大规模使用TiAl基薄板的优点，制备得到的TiAl基蜂窝结构稳定，缺陷少，可广泛应用于金属材料蜂窝结构的制备。
本发明的有益效果：在本发明的方法中TiAl基合金经过高温锻造和高温挤压后性能得到大幅度提高，通过水切割TiAl基合金厚板，避免了TiAl基合金薄板的轧制，大大降低了成本，蜂窝单元通过高温拉伸获得，避免了精铸法的大量铸造缺陷和弯折/焊接工艺的大量焊缝，本发明的方法大大提高了其力学性能和结构稳定性；此外，本发明的方法制备的蜂窝芯为整体成形，提高了结构的平整性。
附图说明
图1为本发明步骤三中水切割完后的TiAl基合金板材的切缝分布示意图；
图2为本发明步骤四中TiAl基合金蜂窝芯拉制过程示意图；
图3为本发明步骤四中制备的TiAl基合金蜂窝芯的示意图；
图4为本发明步骤五中钎焊示意图，1为TiAl基合金板材，2为TiAl基合金蜂窝芯。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法，具体是按以下步骤进行：
一、锻造：将TiAl基合金坯料电火花切割成圆柱体棒材，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为5℃/min～15℃/min的条件下从室温升温至1150℃～1300℃，在真空度为10-3Pa和温度为1150℃～1300℃的条件下保温10min～60min，然后在真空度为10-3Pa、温度为1150℃～1300℃和应变速率为10-1s-1～10-4s-1的条件下进行开坯锻造至总变形量为30％～80％，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至950℃～1100℃，在真空度为10-3Pa和温度为950℃～1100℃的条件下保温2h～6h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到锻造完的TiAl基合金；所述的圆柱体棒材的高和直径比为1:(0.67～1)；
二、挤压：将步骤一得到的锻造完的TiAl基合金电火花切割成块体，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为10℃/min～15℃/min的条件下从室温升温至1200℃～1350℃，在真空度为10-3Pa和温度为1200℃～1350℃的条件下保温10min～60min，然后在挤压温度为1200℃～1350℃、挤压速率为5mm/min～10mm/min、挤压比为(2～8):1和挤压道次为1～4的条件下进行挤压，挤压完成后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至900℃～1150℃，在真空度为10-3Pa和温度为900℃～1150℃的条件下退火2h～6h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，精密抛光得到厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材；
三、水切割：将步骤二得到的厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材进行水切割， 水切割缝宽度为1mm～2mm，切缝长度为5mm～15mm，切缝两端为180°且半径为0.5mm的圆角，然后进行清洗，将清洗完的TiAl基合金板材放在真空烘箱中，在真空度为1Pa～10Pa和温度为60℃的条件下烘干10h，得到水切割完后的TiAl基合金板材；
四、拉制：将步骤三得到的水切割完后的TiAl基合金板材放入真空高温多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa、拉制温度为950℃～1200℃和拉制速度为0.1mm/min～10mm/min的条件下拉制至总变形量为100％～1000％，得到TiAl基合金蜂窝芯，拉制完成后在真空度为10-3Pa和退火温度为1000℃～1300℃的条件下退火2h～4h，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到TiAl基合金蜂窝芯；
五、钎焊：将步骤二精密抛光得到厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材电火花切割出2块厚度为1mm～4mm的TiAl基合金板材，然后精密抛光，将抛光后的2块TiAl基合金板材和步骤四得到的TiAl基合金蜂窝芯进行钎焊，得到两侧为TiAl基合金板材、中间为TiAl基合金蜂窝芯的三明治结构；所述的钎焊工艺为：采用TiCuNi系钎料、钎焊温度为900℃～1100℃、钎焊压力为1MPa～5MPa、钎焊保温时间为20min～60min，最后随炉冷却至室温。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一所述的圆柱体棒材的高和直径比为1:0.67。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二所述的挤压比为2:1。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤二所述的挤压道次为2。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至三的不同点是：步骤五所述的TiCuNi系钎料为钎料Ti15Cu15Ni。其他与具体实施方式一相同。
通过以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：本试验为一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法是按以下步骤进行：
一、锻造：将TiAl基合金坯料电火花切割成圆柱体棒材，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为10℃/min的条件下从室温升温至1250℃，在真空度为10-3Pa和温度为1250℃的条件下保温30min，然后在真空度为10-3Pa、温度为1250℃和应变速率为10-3s-1的条件下进行开坯锻造至总变形量为70％，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至1100℃，在真空度为10-3Pa和温度为1100℃的条件下保温2h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到锻造完的TiAl基合金；所述的圆柱体棒材 的高和直径比为1:0.67；
二、挤压：将步骤一得到的锻造完的TiAl基合金电火花切割成150mm×40mm×80mm的块体，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为10℃/min的条件下从室温升温至1300℃，在真空度为10-3Pa和温度为1300℃的条件下保温60min，然后在挤压温度为1300℃、挤压速率为5mm/min～10mm/min、挤压比为2:1和挤压道次为2的条件下进行挤压，挤压完成后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至1000℃，在真空度为10-3Pa和温度为1000℃的条件下退火4h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，精密抛光得到厚度为10mm的TiAl基合金板材；
三、水切割：将步骤二得到的厚度为10mm的TiAl基合金板材进行水切割，水切割缝宽度为1mm，切缝长度为6mm，切缝两端为180°且半径为0.5mm的圆角，然后进行清洗，将清洗完的TiAl基合金板材放在真空烘箱中，在真空度为10Pa和温度为60℃的条件下烘干10h，得到水切割完后的TiAl基合金板材；
四、拉制：将步骤三得到的水切割完后的TiAl基合金板材放入真空高温多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa、拉制温度为1000℃和拉制速度为2mm/min的条件下拉制至总变形量为300％，得到TiAl基合金蜂窝芯，拉制完成后在真空度为10-3Pa和退火温度为1000℃的条件下退火4h，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到TiAl基合金蜂窝芯；
五、钎焊：将步骤二精密抛光得到厚度为10mm的TiAl基合金板材电火花切割出2块厚度为2mm的TiAl基合金板材，然后精密抛光，将抛光后的2块TiAl基合金板材和步骤四得到的TiAl基合金蜂窝芯进行钎焊，得到两侧为TiAl基合金板材、中间为TiAl基合金蜂窝芯的三明治结构；所述的钎焊工艺为：采用TiCuNi系钎料、钎焊温度为1000℃、钎焊压力为3MPa、钎焊保温时间为30min，最后随炉冷却至室温；所述的TiCuNi系钎料为钎料Ti15Cu15Ni。
Claims (5)
1.一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于TiAl基合金蜂窝结构的制备方法是按以下步骤进行：
一、锻造：将TiAl基合金坯料电火花切割成圆柱体棒材，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为5℃/min～15℃/min的条件下从室温升温至1150℃～1300℃，在真空度为10-3Pa和温度为1150℃～1300℃的条件下保温10min～60min，然后在真空度为10-3Pa、温度为1150℃～1300℃和应变速率为10-1s-1～10-4s-1的条件下进行开坯锻造至总变形量为30％～80％，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至950℃～1100℃，在真空度为10-3Pa和温度为950℃～1100℃的条件下保温2h～6h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到锻造完的TiAl基合金；所述的圆柱体棒材的高和直径比为1:(0.67～1)；
二、挤压：将步骤一得到的锻造完的TiAl基合金电火花切割成块体，放置在真空多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa和升温速度为10℃/min～15℃/min的条件下从室温升温至1200℃～1350℃，在真空度为10-3Pa和温度为1200℃～1350℃的条件下保温10min～60min，然后在挤压温度为1200℃～1350℃、挤压速率为5mm/min～10mm/min、挤压比为(2～8):1和挤压道次为1～4的条件下进行挤压，挤压完成后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至900℃～1150℃，在真空度为10-3Pa和温度为900℃～1150℃的条件下退火2h～6h，在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，精密抛光得到厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材；
三、水切割：将步骤二得到的厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材进行水切割，水切割缝宽度为1mm～2mm，切缝长度为5mm～15mm，切缝两端为180°且半径为0.5mm的圆角，然后进行清洗，将清洗完的TiAl基合金板材放在真空烘箱中，在真空度为1Pa～10Pa和温度为60℃的条件下烘干10h，得到水切割完后的TiAl基合金板材；
四、拉制：将步骤三得到的水切割完后的TiAl基合金板材放入真空高温多功能热压炉中，在真空度为10-3Pa、拉制温度为950℃～1200℃和拉制速度为0.1mm/min～10mm/min的条件下拉制至总变形量为100％～1000％，得到TiAl基合金蜂窝芯，拉制完成后在真空度为10-3Pa和退火温度为1000℃～1300℃的条件下退火2h～4h，然后在真空度为10-3Pa的条件下随炉冷却至室温，得到TiAl基合金蜂窝芯；
五、钎焊：将步骤二精密抛光得到厚度为5mm～20mm的TiAl基合金板材电火花切割出2块厚度为1mm～4mm的TiAl基合金板材，然后精密抛光，将抛光后的2块TiAl基合金板材和步骤四得到的TiAl基合金蜂窝芯进行钎焊，得到两侧为TiAl基合金板材、中间为TiAl基合金蜂窝芯的三明治结构；所述的钎焊工艺为：采用TiCuNi系钎料、钎焊温度为900℃～1100℃、钎焊压力为1MPa～5MPa、钎焊保温时间为20min～60min，最后随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于步骤一所述的圆柱体棒材的高和直径比为1:0.67。
3.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于步骤二所述的挤压比为2:1。
4.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于步骤二所述的挤压道次为2。
5.根据权利要求1所述的一种TiAl基合金蜂窝结构的制备方法，其特征在于步骤五所述的TiCuNi系钎料为钎料Ti15Cu15Ni。
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Granted publication date: 20170825 Termination date: 20210413 |