CN115404381B - 一种TiAl合金薄板及其低成本轧制方法 - Google Patents

一种TiAl合金薄板及其低成本轧制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TiAl合金薄板及其低成本轧制方法，所述TiAl合金薄板的主要成分为：Al 46‑48%，Re 0.5‑2%，Nb或Cr 1‑5%，B或Y的≤0.3%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。高温轧制过程为将封装好的TiAl合金坯料置于热处理炉中加热至1150‑1200℃，保温0.5‑1h，取出立即进行第一道次轧制，轧制速度20mm/s‑180mm/s，变形量为初始厚度的15%‑25%，然后放入热处理炉中保温0.3‑0.6h，再取出重复上述轧制步骤，直到若干道次后达到设定的总变形量，将包套及块体坯料缓慢空冷。本发明主要通过设计TiAl合金的成分，在提升合金变形能力的同时兼顾其机械性能，简化TiAl合金板材轧制的工艺路线，在制备高品质薄板的前提下降低工艺难度，大幅缩减生产成本。

Description

一种TiAl合金薄板及其低成本轧制方法
技术领域
本发明属于金属间化合物轧制技术领域，尤其涉及一种TiAl合金薄板及其低成本轧制方法。
背景技术
随着航空航天装备的发展，大运力、高飞速、低能耗成为先进飞行器所追求的重要目标。而飞行器的轻量化设计，也就是飞行器减重，是增加运载能力，提高机械性能，加大飞行距离或射程，减少燃油或推进剂消耗的重要手段。显然，在此过程中，轻质结构材料的应用必不可少。TiAl合金凭借其低密度、高比强、良好的高温抗氧化性和蠕变性能等特点，成为镍基高温合金使用温度下限，钛合金使用温度上限区间（650-900℃）减重的唯一候选材料，在航空航天飞机的蒙皮、高超声速飞行器的受热端面和舵面、火箭发动机喷口附近部分受热区结构等热防护***上具有重要的应用价值。为此，TiAl合金板材，特别是薄板的应用备受关注。结合超塑变形和扩散连接等技术，TiAl合金薄板可以用于制造复杂的轻质耐高温蜂窝结构，其优良的电绝缘性和透电磁波性能，以及突出的隔音隔热减震功能，使得该种材料不仅在航空航天领域应用潜力巨大，而且在微波通讯、建筑工业等领域具有广阔的应用前景。在传统的制造工艺中，热轧是TiAl合金板材最为常用的方法。但是，TiAl合金是一种金属间化合物，其强烈的共价键特性使得合金具有本征脆性。在热轧过程中，TiAl合金面临热加工窗口窄，轧制温度高，变形易开裂等问题，而苛刻的变形条件和低成品率也造成了TiAl合金的生产成本高。因此，实现TiAl合金薄板的低成本制备成为该领域内亟需突破的关键技术。
通过文献和专利检索发现，多道次高温包套轧制是TiAl合金板材制备的最常用方法。专利CN03137516提出了一种TiAl合金板材的制备方法，采用“退火热处理+高温包套轧制”的技术路线，经热处理调整组织从而改善合金的力学性能后，用不锈钢做包套，在1250℃~1290℃下进行多道次轧制。该方法虽然能够成功地制备出TiAl合金板材，但是轧制温度过高，对轧辊的性能要求高，增加了设备成本。同时，过高的温度更容易促使所用不锈钢包套在轧制过程中发生氧化并破碎，起不到包套应有的作用，板材成品率低，导致因材料和人力浪费等带来的生产成本上升。另外，该方法需在轧制之前热处理进行组织预调整，而在专利CN201710502760中则是通过二次锻造开坯+热等静压的方式进行坯料预制，这些方法均增加了TiAl合金板材制备的工序，工艺过程不够简化，工艺成本较高。此外，本团队先前在专利CN202111584215也提出了TiAl合金板材轧制方法，以较小的变形量（5%-15%）进行每道次的轧制，并且该变形量为每道次轧制前板材实时厚度的相应百分比。也就是说，随着轧制的继续，板材厚度减小，每道次的实际变形厚度逐渐减小，造成达到总轧制变形量所需的道次数增加，进一步增加了TiAl合金板材轧制的生产周期、人力使用和能源消耗，提升了板材的附加成本。而且，TiAl合金板材的厚度越小，其工艺难度越大。目前所公开的制备方法多以生产厚度1mm以上TiAl合金板材为主，例如Haitao Zhou等人（Haitao Zhou, et al. Hotdeformation behavior and microstructural evolution of as-forged Ti-44Al-8Nb-(W, B, Y) alloy with nearly lamellar microstructure. Intermetallics, 81(2017): 62-72.）利用高温包套轧制技术制备了（180-220）mm×65mm×3mm的TiAl合金板材。因此，本专利以TiAl合金的成分设计为核心，改善合金的变形能力，降低轧制温度，简化轧制工艺，发展出TiAl合金薄板的低成本轧制方法。
发明内容
本发明的目的是解决目前TiAl合金板材制备中因轧制温度较高、薄板制造难度大、工序复杂等造成的高成本问题，从而提供了一种TiAl合金薄板及其低成本轧制方法，本发明主要通过设计TiAl合金的成分，在提升合金变形能力的同时兼顾其机械性能，简化TiAl合金板材轧制的工艺路线，在制备高品质薄板的前提下降低工艺难度，大幅缩减生产成本。
具体的，本发明第一方面提供一种TiAl合金薄板，按原子百分含量计，所述TiAl合金薄板的主要成分为：Al 46-48%，Re 0.5-2%，Nb或Cr 1-5%，B或Y的≤0.3%，余量为Ti和不可避免的杂质元素。
上述TiAl合金薄板中，Re的优选含量为0.8-1.5%，Nb的优选含量为3-5%，Cr的优选含量为1-2%，B或Y的优选含量为0.1-0.2%。其中，Nb的添加有助于合金强度的提升，Cr的添加有助于合金塑性的改善，根据薄板技术指标的需求选择两者其一即可。而Re促进合金在热变形过程中塑性变形能力优异的高温无序β相的析出，是改善合金变形能力的主要原因，同时也能保证合金的蠕变性能。添加B或Y等元素可以细化晶粒，进一步提升合金强度。
本发明第二方面提供一种TiAl合金薄板的低成本轧制方法，包括如下步骤：
第一步：成分调整：依据上述的TiAl合金薄板各成分的原子百分含量计算出所需原料的质量百分数。
第二步：坯料准备：根据所述计算出的所需原料的质量百分数配置所需原料，然后将所述原料熔炼制成铸锭，并将所述铸锭加工成块体坯料；
其中，熔炼方式包括真空自耗电弧熔炼或真空感应熔炼等常规的合金熔炼方式。
进一步的，上述熔炼制成的铸锭可直接利用机械加工的方式加工为块体坯料用于轧制，坯料厚度为8-20mm，宽度为30-60mm，长度50-90mm。
更进一步的，为防铸锭中缩松缩孔等缺陷的影响，可选择将所述铸锭在温度1200-1280℃，压力120-170MPa下进行时长3-6h的热等静压，然后再加工成块体坯料。
第三步：包套加工：依据所述块体坯料的尺寸，加工相对应尺寸的包套。
进一步的，可以采用机械加工的方法加工相对应的包套，且包套厚度为坯料厚度的50%-80%，包套材料选用碳钢、不锈钢、钛合金或高温合金等均可。
第四步：包套封装：在所述块体坯料表面涂敷具有阻焊作用或者减小摩擦的涂剂，然后用Ti箔包裹所述块体坯料放入包套凹槽内，进一步增加润滑效果；然后将所述包套焊封，在所述包套外侧涂敷润滑剂。
其中，所述块体坯料表面涂敷的涂剂优选为氧化钇或玻璃润滑剂；所述包套外侧涂敷的润滑剂优选为玻璃润滑剂。
第五步：高温轧制：将封装好的所述块体坯料和所述包套置于热处理炉中加热至1150-1200℃，保温0.5-1h，取出立即进行第一道次轧制，轧制速度20mm/s-180mm/s，变形量为初始厚度的15%-25%，然后放入热处理炉中保温0.3-0.6h，再取出重复上述轧制步骤，直到若干道次后达到设定的总变形量，将所述包套及所述块体坯料缓慢空冷。
第六步：包套去除：利用机械加工的方式将包套去除，得到TiAl合金薄板。
作为本发明的进一步说明，所述方法还包括第七步：薄板校平：如果得到的所述TiAl合金薄板因轧制过程应力作用产生弯曲，则对所述TiAl合金薄板施压，在真空气氛和800-900℃下进行时长5-7h的退火，进行薄板校平。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过引入Re这一元素优化TiAl合金的成分，凭借其β稳定化作用，扩大β相区，从而使温度较低时即可产生塑性变形能力优异的高温无序β相辅助变形，降低了TiAl合金的轧制温度，使其在普通轧机上即可实现，减少了因设备昂贵带来的生产成本。而且，结合Re对α2+γ片层团延展性的改进作用，有效提升合金的变形能力，使得轧制工艺设计时可增大每道次轧制的变形量，从而以更少的道次数达到所需的总变形量，缩减了工艺用时，节省了人力和能源成本。此外，本发明省去了轧制前通过热处理或机械热处理（热锻、热挤压）等对组织预调整的工序，仅需通过，甚至不需通过热等静压这一常规的铸锭处理方法即可用于轧制，简化了工艺步骤，进一步降低附加工艺所带来的成本。更重要的是，本发明通过Nb或Cr的加入来改善TiAl合金的强塑性，且Re本身具备提升合金蠕变性能的作用。另外，通过这些元素的调整促使板材组织中β/β0相中析出γ相，降低因室温脆性较大的β/β0相残留所导致的板材塑性下降。因此，本发明在实现TiAl合金薄板的低成本制备的同时，还保证了TiAl合金薄板的服役性能，对于TiAl合金的工程化应用具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明提供的TiAl合金薄板的低成本轧制工艺路线图。
图2 为本发明实施例一中所制TiAl合金薄板的宏观形貌及显微组织图。
图3 为本发明实施例二中所制TiAl合金薄板的宏观形貌及显微组织图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例一
本实施例所用的TiAl合金成分为Ti-46Al-1Re-4Nb-0.1B（原子百分含量），采用的工艺参数包括温度1200℃，轧制速度150mm/s，道次变形量为初始厚度的19%，道次间保温0.5h，道次数为5。
本实施例所述的TiAl合金薄板的低成本轧制方法具体过程如下：
第一步，成分调整。依据Ti-46Al-1Re-4Nb-0.1B的百分含量计算所需原料的质量百分数。
第二步，坯料准备。配置所需原材料，通过真空感应熔炼制备铸锭，直接利用机械加工的方式加工为厚度15mm，宽度30mm，长度60mm的块体坯料。
第三步，包套加工。依据坯料的尺寸，采用机械加工的方法加工相对应的包套，包套厚度为坯料厚度的60%，包套材料选用304不锈钢。
第四步，包套封装。在块体坯料表面涂敷玻璃润滑剂，用Ti箔包裹坯料放入包套凹槽内，然后将包套焊封，在包套外侧涂敷玻璃润滑剂。
第五步，高温轧制。将封装好的坯料和包套置于热处理炉中加热至1200℃，保温1h，取出立即进行第一道次轧制，轧制速度150mm/s，变形量为初始厚度的19%，然后放入热处理炉中保温0.5h，再取出重复上述轧制步骤，直到第五道次后达到设定的总变形量，将包套及坯料缓慢空冷。
第六步，包套去除。利用机械加工的方式将包套去除，得到TiAl合金薄板。
本实施例获得的TiAl合金薄板表面质量良好，无宏观裂纹及微裂纹存在，薄板厚度仅为1mm，如图2所示。且对该薄板进行组织观察可以发现，合金中的β/β0相中存在有大量短片状的γ相，有助于减弱室温β/β0相的脆性。
实施例二
本实施例所用的TiAl合金成分为Ti-47Al-1.5Re-1Cr-0.3Y（原子百分含量），采用的工艺参数包括温度1150℃，轧制速度60mm/s，道次变形量为初始厚度的22.5%，道次间保温0.3h，道次数为4。
本实施例所述的TiAl合金薄板的低成本轧制方法具体过程如下：
第一步，成分调整。依据Ti-47Al-1.5Re-1Cr-0.3Y的百分含量计算所需原料的质量百分数。
第二步，坯料准备。配置所需原材料，通过真空感应熔炼制备铸锭。铸锭在温度1240℃，压力170MPa下进行时长4h的热等静压，然后利用机械加工的方式将铸锭加工为厚度8mm，宽度40mm，长度90mm的块体坯料。
第三步，包套加工。依据坯料的尺寸，采用机械加工的方法加工相对应的包套，包套厚度为坯料厚度的50%，包套材料选用高温合金Inconel 625。
第四步，包套封装。在块体坯料表面涂敷氧化钇涂料，用Ti箔包裹坯料放入包套凹槽内，然后将包套焊封，在包套外侧涂敷玻璃润滑剂。
第五步，高温轧制。将封装好的坯料和包套置于热处理炉中加热至1150℃，保温0.5h，取出立即进行第一道次轧制，轧制速度60mm/s，变形量为初始厚度的22.5%，然后放入热处理炉中保温0.3h，再取出重复上述轧制步骤，直到第四道次后达到设定的总变形量，将包套及坯料缓慢空冷。
第六步，包套去除。利用机械加工的方式将包套去除，得到TiAl合金薄板。
第七步，薄板校平。对薄板施压，在真空气氛和900℃下进行时长6h的退火，进行薄板校平。
本实施实例获得的TiAl合金薄板表面平整，无明显氧化和裂纹产生，薄板厚度仅为0.8mm，如图3所示。在该薄板上取样后进行组织观察，结果表明，合金的组织均匀性良好，且β/β0相中存在有大量针状的γ相，有助于提升室温β/β0相的塑性。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种能够改善合金的热变形能力的TiAl合金薄板，其特征在于，按原子百分含量计，所述TiAl合金薄板的主要成分为：Al 46-48%，Re 0.8-1.5%，Nb3-4%或Cr 1-2%，B或Y0.1-0.2%，余量为Ti和不可避免的杂质元素；
所述TiAl合金薄板的低成本轧制方法，包括：
成分调整：依据所述TiAl合金薄板各成分的原子百分含量计算出所需原料的质量百分数；
坯料准备：根据所述计算出的所需原料的质量百分数配置所需原料，然后将所述原料熔炼制成铸锭，并将所述铸锭加工成块体坯料；
包套加工：依据所述块体坯料的尺寸，加工相对应尺寸的包套；
包套封装：在所述块体坯料表面涂敷具有阻焊作用或者减小摩擦的涂剂，然后用Ti箔包裹所述块体坯料放入包套内，然后将所述包套焊封，在所述包套外侧涂敷润滑剂；
高温轧制：将封装好的所述块体坯料和所述包套置于热处理炉中加热至1150-1200℃，保温0.5-1h，取出立即进行第一道次轧制，轧制速度20mm/s-180mm/s，变形量为初始厚度的15%-25%，然后放入热处理炉中保温0.3-0.6h，再取出重复上述轧制步骤，直到若干道次后达到设定的总变形量，将所述包套及所述块体坯料缓慢空冷；
包套去除：将包套去除，得到TiAl合金薄板。
2.根据权利要求1所述的能够改善合金的热变形能力的TiAl合金薄板，其特征在于，所述熔炼方式包括真空自耗电弧熔炼或真空感应熔炼。
3.根据权利要求1所述的能够改善合金的热变形能力的TiAl合金薄板，其特征在于，在将所述铸锭加工成块体坯料之前还包括：将所述铸锭在温度1200-1280℃，压力120-170MPa下进行时长3-6h的热等静压。
4.根据权利要求1所述的能够改善合金的热变形能力的TiAl合金薄板，其特征在于，所述铸锭加工成的块体坯料的厚度为8-20mm，宽度为30-60mm，长度50-90mm。
5.根据权利要求1所述的能够改善合金的热变形能力的TiAl合金薄板，其特征在于，所述包套厚度为所述块体坯料厚度的50%-80%，所述包套材料选用碳钢、不锈钢、钛合金或高温合金。
6.根据权利要求1所述的能够改善合金的热变形能力的TiAl合金薄板，其特征在于，所述块体坯料表面涂敷的涂剂为氧化钇或玻璃润滑剂；所述包套外侧涂敷的润滑剂为玻璃润滑剂。
7.根据权利要求1所述的能够改善合金的热变形能力的TiAl合金薄板，其特征在于，所述方法还包括：薄板校平：如果得到的所述TiAl合金薄板因轧制过程应力作用产生弯曲，则对所述TiAl合金薄板施压，在真空气氛和800-900℃下进行时长5-7h的退火，进行薄板校平。
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