CN111842488A - 基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于板材轧制和塑性成形领域，公开了基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，旨在通过包套与交叉轧制相结合的方法，解决目前TiAl合金轧制板材存在的组织不均匀问题。包括对TiAl合金铸锭进行均匀化或热等静压后包套处理，在1250℃～1270℃温度下进行RD1和RD2换向的交叉轧制过程，RD1方向道次变形量<24％，轧制速度<0.5m/s，RD2方向道次变形量<18％，轧制速度<1.2m/s，累积总变形量60％～90％，去除包套，得到TiAl合金板材。本发明相比于传统轧制方法，经过交叉轧制的TiAl合金板材内部片层组织充分破碎并发生再结晶，减小或削弱了组织各向异性，提高组织的均匀性；同时采用铸锭TiAl合金直接包套交叉轧制实现低成本的TiAl合金宽幅板材，缩短工艺流程，促进TiAl合金轧制板材的工业应用。
Description
技术领域
本发明属于板材轧制和塑性成形领域，特别涉及基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法。
背景技术
TiAl合金是一种新型轻质的高温结构材料，具有低密度、高比强度和高比模量、优异的高温抗蠕变和抗氧化性能，可用于高性能发动机的喷嘴部件、内部结构部件、防护板等，超声速航空飞行器的热防护板材结构、精确制导导弹翼、舵等结构，在航空航天和汽车发动机等领域极具应用前景。TiAl合金室温塑性低，高温变形能力差，热变形局域流变严重，组织不均匀，严重制约高性能TiAl合金板材的制备。到目前为止，TiAl合金板材制备技术中存在的问题仍没有得到很好地解决。
TiAl合金轧制板材的制备技术主要有等温轧制和包套轧制两种。其中包套轧制采用包套防止氧化和开裂等失稳现象，在传统轧机上即可实现难变形金属板材的制备，是一种低成本、高效的板材制备方法。但TiAl合金轧制过程中容易出现局部流变，片层不易破碎，板材本身存在巨大的残余片层组织，导致组织不均匀现象，而目前包套轧制技术并不能完全消除巨大的残余片层组织、解决组织不均匀的问题。近年来一些科研院所采用多向锻造技术成功制备出组织均匀、晶粒细小的镁、铝及钛铝合金，但因TiAl合金变形抗力大，多向锻造技术并不适合TiAl宽幅薄板材的制备，且成本较高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，解决高品质TiAl基合金板材难以制备和组织不均匀的问题，本发明对传统包套轧制和多向锻造技术进行改进，通过包套与多向交叉轧制相结合的工艺方法，旨在破碎板材内部的巨大片层组织，降低板材组织的各向异性，从而提高组织的均匀性，获得均匀细晶组织、低成本的优质宽幅TiAl合金板材。
本发明的具体技术方案为：基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，包括步骤如下：
步骤1，坯料制备：原始材料采用TiAl合金铸锭，随后对铸锭进行均匀化处理或热等静压工艺；利用电火花线切割和机械打磨处理后获得板形合金坯料；
步骤2，包套及轧制预处理：包套材料可以选择高温变形抗力较大的金属材料，与步骤1得到的板形合金坯料加工、焊接好包套，得到包套板坯；同时，为降低轧制过程中变形抗力，需对包套板坯和轧辊进行预热处理，将包套板坯随炉升温至1250℃～1270℃，保温30～60min，为轧辊预热到200℃～300℃，开始轧制；
步骤3，高温交叉轧制：轧制温度为1250℃～1270℃，轧制速度为不大于1.2m/s，每道次应变速率为1.0～3.0s-1；首先沿包套板坯长度方向，作为轧制方向RD1，轧制1～3道次，每道次变形量<24％，轧制速度<0.5m/s，轧制板材达到目标长度；再将包套板坯水平旋转90°，沿垂直于长度方向，作为轧制方向RD2，轧制1～5道次，每道次变形量为<18％，轧制速度<1.2m/s，累积总变形量为60％～90％，随炉冷却至室温，完成交叉轧制；交叉轧制过程中当温度降至1100℃以下，需将板坯回炉加热到1250℃～1270℃，并保温4～6min；
步骤4，去除包套：采用车削或磨削加工的方法去除步骤3中带有包套的轧制板材的包套，经过机械矫形后得到组织均匀的TiAl合金宽幅板材。
优选的，上述步骤2中包套材料采用变形抗力较大的耐热2520不锈钢(0Cr25Ni20)；包套厚度为板坯厚度的30％～50％，并采用真空电子束焊接方法进行封焊。包套材料变形抗力低容易导致交叉轧制过程中边缘包套开裂，同时其良好的延展性容易导致板材宽幅急剧增加，从而无法实施轧制过程。
优选的，上述步骤3中RD1方向轧制道次为1～3道次，RD1方向总轧制变形量控制依据所需板材宽幅制定，变形量过大无法保证交叉后轧辊宽度能够实施轧制，同时影响包套材料和基体材料的层厚比变化，不利于包套结构稳定性，容易导致开裂和热防护效果下降。
优选的，上述步骤3交叉轧制过程中RD1方向道次变形量18％～24％，控制轧制速度为0.3m/s～0.5m/s。
优选的，上述步骤3交叉轧制过程中RD2方向前两道次变形量10％～16％，轧制速度为0.6m/s～0.8m/s；第三至第五道次变形量<10％，控制轧制速度为0.8m/s～1.0m/s。随着包套板材变形量的增加，需要采用增加轧制速度以及减小变形量的方法，减小轧制力，防止轧制过程散热以及保持包套结构稳定性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供一种高品质TiAl合金板材的工艺方法，通过包套和交叉轧制相结合的方法，减小了板材边裂的可能性，同时TiAl合金板材内部巨大的残余片层组织在双向轧制和剪切力作用下充分破碎并发生再结晶，晶粒更为细小，并减小或削弱了组织的各向异性，提高板材组织的均匀性和等轴性。
2、本发明可直接在铸态下加工成型，缩短工艺流程，设备要求低，可直接获得高品质、低成本的TiAl合金宽幅薄板材，提高了TiAl板材的成材率，促进TiAl合金轧制板材的工业应用。
附图说明
图1是本发明工艺流程的示意图。
图2(a)是本发明采用实施例1中制备的TiAl合金板材的微观组织图片，(b)是采用单向轧制工艺制备的TiAl合金板材的微观组织图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述，但本发明的保护范围并只不限于所述内容。
实施例1：
本实施例中一种交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，
其成形工艺如图1所示，具体步骤有：
本实施例材料是名义成分为Ti-44Al-5Nb-(Mo,V,B)的TiAl合金，采用差示扫描量热法(DSC)测量该合金的α/β相变点温度为1160℃左右。
步骤1，坯料制备：原始材料采取真空自耗电弧熔炼方法经过3次重熔获得的TiAl合金铸锭，随后对铸锭进行均匀化处理，均匀化处理的工艺为：温度1250℃～1270℃，时间4h～6h，炉冷；利用电火花线切割和机械打磨处理后获得表面粗糙度Ra6的板形合金坯料，板坯的厚度为10mm；
步骤2，包套及轧制预处理：对TiAl合金板坯进行包套处理，包套材料采用变形抗力较大的耐热不锈钢，防止包套板材宽幅太宽而发生板材开裂或无法轧制的问题，包套厚度为3mm，采用真空电子束焊接方法进行封焊，得到包套板坯；在包套前需将板坯和包套表面清洗干净；为降低轧制过程中变形抗力，需对包套板坯和轧辊进行预热处理，将包套坯料随炉升温至1250℃～1270℃，保温30～40min；轧辊预热到200℃，开始轧制；
步骤3，交叉轧制：轧制温度为1250℃～1270℃；首先沿包套板坯长度方向(作为轧制方向RD1)轧制3道次，每道次变形量20％～22％，为防止铸态板坯开裂，选择较慢的轧制速度为0.3m/s～0.5m/s，累计变形量约72％，轧制板材的长度至400mm；再将包套板坯水平旋转90°，沿垂直于长度方向(作为轧制方向RD2)轧制3道次，前两道次变形量10％～12％，轧制速度为0.6m/s～0.8m/s；第三道次变形量为8％～10％，控制轧制速度为0.8m/s～1.0m/s，以防散热过快导致开裂问题，累积变形量约40％，随炉冷却至室温，完成交叉轧制；轧制过程中当温度降至1100℃以下，需将板坯回炉加热到1250℃～1270℃，并保温4～6min；
步骤4，去除包套：采用车削或磨削加工的方法去除步骤3中带有包套的轧制板材的包套，得到组织均匀的TiAl合金宽幅板材。
相比于单向轧制工艺下得到的板材组织(见图2b)，本实施例制备得到的TiAl合金板材(见图2a)片层团体积分数及尺寸与常规轧制相比明显减少，出现一定的再结晶组织，组织更加均匀，晶粒更为细小，表面平整度良好，无裂纹缺陷。
本实施例可直接在铸态下加工成型，缩短工艺流程，设备要求低，可获得高品质、低成本、尺寸为400mm×240mm×2mm(长度×宽度×厚度)的TiAl合金宽幅板材。
实施例2：
与实施例1不同的是：本实施例步骤3中沿RD1方向轧制2道次，道次变形量为22％～24％，轧制速度为0.3m/s～0.5m/s；沿RD2方向轧制4～5道次，前两道次变形量12％～14％，轧制速度为0.6m/s～0.8m/s；第三至第五道次变形量为6％～8％，轧制速度为0.8m/s～1.2m/s。其它加工步骤及工艺参数与实施例1相同。本实施例制备得到的TiAl合金宽幅板材与常规轧制相比巨大片层团体积分数也明显减少，组织更加均匀，晶粒更细小，无裂纹缺陷。
实施例3：
与实施例1不同的是：本实施例中，步骤3中沿RD1方向轧制1道次，道次变形量22％～24％；沿RD2轧制2～3道次，道次变形量均为10％，控制轧制速度为0.8m/s～1.0m/s。其它加工步骤及工艺参数与实施例1相同。本实施例制备得到的TiAl合金宽幅板材片层团体积分数有所减少，组织较均匀，表面平整度良好，无裂纹缺陷。
Claims (5)
1.基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1，坯料制备：原始材料采用TiAl合金铸锭，随后对铸锭进行均匀化处理或热等静压工艺；利用电火花线切割和机械打磨处理后获得板形合金坯料；
步骤2，包套及轧制预处理：包套材料为金属材料，与步骤1得到的板形合金坯料加工得到包套板坯；对包套板坯和轧辊进行预热处理，将包套板坯随炉升温至1250℃～1270℃，保温30～60min，为轧辊预热到200℃～300℃，开始轧制；
步骤3，高温交叉轧制：轧制温度为1250℃～1270℃，轧制速度为不大于1.2m/s，每道次应变速率为1.0～3.0s-1；首先沿包套板坯长度方向，作为轧制方向RD1，轧制1～3道次，每道次变形量<24％，轧制速度<0.5m/s，轧制板材达到目标长度；再将包套板坯水平旋转90°，沿垂直于长度方向，作为轧制方向RD2，轧制1～5道次，每道次变形量为<18％，轧制速度<1.2m/s，累积总变形量为60％～90％，随炉冷却至室温，完成交叉轧制；交叉轧制过程中当温度降至1100℃以下，需将板坯回炉加热到1250℃～1270℃，并保温4～6min；
步骤4，去除包套：采用车削或磨削加工的方法去除步骤3中带有包套的轧制板材的包套，经过机械矫形后得到组织均匀的TiAl合金宽幅板材。
2.根据权利要求1所述的基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，其特征在于，步骤2中包套材料采用耐热2520不锈钢；包套厚度为板坯厚度的30％～50％，并采用真空电子束焊接方法进行封焊。
3.根据权利要求1或2所述的基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，其特征在于，步骤3交叉轧制过程中RD1方向道次变形量18％～24％，控制轧制速度为0.3m/s～0.5m/s。
4.根据权利要求1或2所述的基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，其特征在于，步骤3交叉轧制过程中RD2方向前两道次变形量10％～16％，轧制速度为0.6m/s～0.8m/s；第三至第五道次变形量<10％，控制轧制速度为0.8m/s～1.0m/s。
5.根据权利要求1或2所述的基于交叉包套轧制实现TiAl合金均匀细晶组织的工艺方法，其特征在于，步骤1中坯料制备：原始材料采取真空自耗电弧熔炼方法经过3次重熔获得的TiAl合金铸锭，随后对铸锭进行均匀化处理，均匀化处理的工艺为：温度1250℃～1270℃，时间4h～6h，炉冷；利用电火花线切割和机械打磨处理后获得表面粗糙度Ra6的板形合金坯料，板坯的厚度为10mm。
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