CN101011705A - 含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法,它涉及TiAl金属间化合物板材的制备。它解决了TiAl金属间化合物较脆,属于难变形材料,难以进行变形热加工,板材有裂纹及综合性能差的问题。本发明的方法为:一、熔铸得到含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物锭材;二、用不锈钢或钛合金制成包套;三、将步骤一的锭材经热处理后包裹在包套内;四、将步骤三包套包裹的TiAl金属间化合物锭材放入加热炉中加热到950~1320℃,然后放在热轧机上进行轧制,再空冷至室温;五、去除包套,即得到含有钇元素的TiAl金属间化合物板材。本发明采用在TiAl金属间化合物中引入元素钇,改善了TiAl金属间化合物的轧制变形能力,本发明制备的板材变形均匀,表面质量良好,没有宏观或微观的裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及TiAl金属间化合物板材的制备方法。
背景技术
随着航空、航天技术以及汽车工业的飞速发展,各种新型飞行器的飞行距离和飞行速度的提高,对轻质、高强、耐热材料及其精密成形技术提出了越来越高的要求。由于TiAl金属间化合物具有许多突出特点,如:密度低,具有高的比强度和比弹性模量,在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度,同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等等,这使其成为航天、航空及汽车用发动机等耐热结构型材极具竞争力的材料。板材制备技术是TiAl金属间化合物重要的研究方向之一,TiAl金属间化合物板材在航空、航天工业具有非常广泛的应用前景。目前,美国、欧洲、日本等发达国家都在积极开展TiAl金属间化合物板材的研究工作。但是由于TiAl金属间化合物较脆,属于难变形材料,所以变形热加工困难,轧制总变形量很难超过70%,采用轧制工艺也不容易获得尺寸较大且没有裂纹等缺陷的板材。目前,关于通过添加元素钇来提高TiAl金属间化合物板材变形热加工性能、以及相应的轧制成型工艺方面的研究工作,国内外还没有相关的文献报道。
发明内容
本发明为了解决TiAl金属间化合物较脆,属于难变形材料,难以进行变形热加工,目前采用轧制工艺获得的板材有裂纹及板材的综合性能差的问题,提供了一种含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法,解决上述问题的具体技术方案如下:
本发明含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法:
步骤一、将钇含量为0.01~0.6at.%、铝含量为35~55at.%、钛含量为44.9~64.4at.%熔铸得到的含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物锭材,锭材在800℃~1200℃条件下,进行10~80小时的退火处理,在1200~1280℃、150~250MPa条件下,进行3.5~4.5小时热等静压处理,然后从锭材上切取方形坯料;或者是从经过热处理、锻造或挤压等热加工处理得到的含钇元素0.01~0.6at.%的TiAl金属间化合物材料上切取的方形坯料;
步骤二、选用不锈钢、纯钛或钛合金作为包套材料,制成包套,包套的单边厚度为2mm~30mm,包套分上下两块,中间为矩形槽;
步骤三、将步骤一含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物方形坯料,包裹在上下两块包套材料中间形成的矩形槽内,上下两包套的连接处用不锈钢或钛合金专用焊丝焊平,形成立方体形状的整体材料;
步骤四、将步骤三由不锈钢、纯钛或钛合金包套包裹的含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物的整体材料放入加热炉中加热到950~1320℃,并保温10~60分钟,然后放在热轧机上进行轧制,轧制温度为950~1320℃,轧制压力为200~600T,轧制速度为0.1~2m/s,道次变形量为5~25%,道次间回炉5~35分钟,轧制总变形量为70~92%,轧制后回炉,随炉冷却至300~950℃,再空冷至室温;
步骤五、去除包套,即得到含有钇元素的TiAl金属间化合物板材。
本发明采用在TiAl金属间化合物中引入元素钇,来改善TiAl金属间化合物的轧制变形能力,通过控制轧制工艺参数,在普通的轧机上就能通过对包裹0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物坯料的包套进行热轧,即能得到含有钇元素的TiAl金属间化合物板材。该板材变形均匀,表面质量良好,没有宏观或微观的裂纹。广泛适用于航天、航空及汽车发动机等领域。
附图说明
图1是本发明由包套包裹的含有0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物坯料的结构示意图。图中1为包套,2为含有钇元素的TiAl金属间化合物坯料。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1描述本实施方式,本实施方式的制备方法的步骤如下:
步骤一、将钇含量为0.01~0.6at.%、铝含量为35~55at.%、钛含量为44.9~64.4at.%熔铸得到的含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物锭材,锭材需要在800℃~1200℃条件下,进行10~80小时的退火处理,在1200~1280℃、150~250MPa条件下,进行3.5~4.5小时热等静压处理,然后从锭材上切取方形坯料;或者是从经过热处理、锻造或挤压等热加工处理得到的含钇元素0.01~0.6at.%的TiAl金属间化合物材料上切取的方形坯料;
步骤二、选用不锈钢、纯钛或钛合金作为包套材料,制成包套,包套的单边厚度为2mm~30mm,包套分为上下两块,中间为矩形槽;
步骤三、将步骤一含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物方形坯料,包裹在包套材料中间形成的矩形槽内,上下两包套的四边连接处采用堆焊的方法用不锈钢或钛合金专用焊丝焊平,形成立方体形状的整体材料;
步骤四、将步骤三由不锈钢、纯钛或钛合金包套包裹的含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物的整体材料放入加热炉中加热到950~1320℃,并保温10~60分钟,然后放在普通热轧机上进行轧制,轧制温度为950~1320℃,轧制压力为200~600T,轧制速度为0.1~2m/s,道次变形量为5~25%,道次间回炉5~35分钟,轧制总变形量为70~92%,轧制后回炉,随炉冷却至300~950℃,再空冷至室温;
步骤五、采用机械车削将包套去除,即得到厚度为0.5~5mm含有钇元素的TiAl金属间化合物板材。
添加0.01~0.6at.%钇元素使得TiAl金属间化合物板材在热轧成形工艺中总变形量达到70-92%,解决了TiAl金属间化合物由于较脆、难变形带来的板材轧制成形困难的问题。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中TiAl金属间化合物中它还含有Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B等元素中的一种或几种,但元素添加的总含量小于20at.%。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于将经步骤一熔铸工艺得到的Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.2Yat.%合金铸锭,厚度为10mm,在800℃条件下,进行保温48小时退火处理,在1250℃、170MPa条件下,进行4小时热等静压处理,然后切割成方形坯料;步骤三、将方形坯料包在304不锈钢的包套内,包套的厚度为6mm;步骤四、放入热处理炉中加热到1050℃,并保温30分钟后,放在Φ500×846mm二辊式可逆热轧机上,轧制压力为400T,轧制速度为0.5m/s,道次变形量为10%,道次间回炉15分钟进行轧制,轧制后回炉,随炉冷却至600℃,再空冷至室温。经过机加工去除包套,得到厚度为2.2mm的Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.2Yat.%合金板材。轧制总变形量为78%。本方式中的其它步骤与具体实施方式一相同。该板材变形均匀,表面质量良好,没有宏观或微观的裂纹。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一的不同点在于将经步骤一锻造工艺得到的Ti-45Al-5Nb-0.25Yat.%合金饼材,厚度为8mm,在900℃条件下,进行保温40小时热处理,然后切割成方形坯料;步骤三、将方形坯料包裹在Ti-6Al-4V合金的包套内,套的厚度为8mm;步骤四、将包裹Ti-45Al-5Nb-0.25Y合金饼材的包套放在热处理炉中加热到1100℃,并保温40分钟后,放在Φ500×846mm二辊式可逆热轧机上,轧制压力为400T,轧制速度为0.7m/s,道次变形量为8%,道次间回炉20分钟进行轧制,轧制后回炉,随炉冷却至800℃,再空冷至室温。经过机加工去除包套,得到厚度为1.5mm的Ti-45Al-5Nb-0.25Yat.%合金板材,轧制总变形量为79.13%。本方式中的其它步骤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的不同点在于将经步骤一得到的Ti-46.5Al-0.2Y合金锭材,厚度为10mm,在1000℃条件下,保温40小时进行热处理,在1270℃、160MPa条件下,进行3.5小时热等静压处理,然后切割成方形坯料;步骤三、将方形坯料包裹在纯钛的包套内,套的厚度为8mm;步骤四、将包裹Ti-46.5Al-0.2Y合金坯料的包套放在热处理炉中加热到1150℃,并保温30分钟后,放在Φ500×846mm二辊式可逆热轧机上,轧制压力500T,轧制速度为0.9m/s,道次变形量为11%,道次间回炉15分钟进行轧制,轧制后回炉,随炉冷却至650℃,再空冷至室温。采用机械车削去除包套,得到厚度为1.4mm的Ti-46.5Al-0.2Yat.%合金板材,轧制总变形量为86%。本方式中的其它步骤与具体实施方式一相同。
Claims (5)
1、含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法,其特征在于该方法的步骤为:
步骤一、将钇含量为0.01~0.6at.%、铝含量为35~55at.%、钛含量为44.9~64.4at.%熔铸得到的含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物锭材,锭材需要在800℃~1200℃条件下,进行10~80小时的退火处理,在1200~1280℃、150~250MPa条件下,进行3.5~4.5小时热等静压处理,然后从锭材上切取方形坯料;或者是从经过热处理、锻造或挤压等热加工处理得到的含钇元素0.01~0.6at.%的TiAl金属间化合物材料上切取的方形坯料;
步骤二、选用不锈钢、纯钛或钛合金作为包套材料,制成包套,包套的单边厚度为2mm~30mm,包套分上下两块,中间为矩形槽;
步骤三、将步骤一含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物方形坯料,包裹在上下两块包套材料中间形成的矩形槽内,上下两包套的连接处用不锈钢或钛合金专用焊丝焊平,形成立方体形状的整体材料;
步骤四、将步骤三由不锈钢、纯钛或钛合金包套包裹的含0.01~0.6at.%钇元素的TiAl金属间化合物的整体材料放入加热炉中加热到950~1320℃,并保温10~60分钟,然后放在热轧机上进行轧制,轧制温度为950~1320℃,轧制压力为200~600T,轧制速度为0.1~2m/s,道次变形量为5~25%,道次间回炉5~35分钟,轧制总变形量为70~92%,轧制后回炉,随炉冷却至300~950℃,再空冷至室温;
步骤五、去除包套,即得到含有钇元素的TiAl金属间化合物板材。
2、根据权利要求1所述的含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法,其特征在于步骤一中TiAl金属间化合物中它还含有Nb、Cr、Mn、V、Ni、W、Hf、Ta、Mo、Zr、Si、Y、La、Ce、C、B元素中的一种或几种,元素添加的总含量小于20at.%。
3、根据权利要求2所述的含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法,其特征在于将经步骤一熔铸工艺得到的Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.2Yat.%合金铸锭,厚度为10mm,在800℃条件下,进行保温48小时退火处理,在1250℃、170MPa条件下,进行4小时热等静压处理,然后切割成方形坯料;步骤三、将方形坯料包在304不锈钢的包套内,包套的厚度为6mm,步骤四、放入热处理炉中加热到1050℃,并保温30分钟后,放在Φ500×846mm二辊式可逆热轧机上,轧制压力为400T,轧制速度为0.5m/s,道次变形量为10%,道次间回炉15分钟,轧制后回炉,随炉冷却至600℃,再空冷至室温,机械车削去除包套,得到厚度为2.2mm的Ti-47Al-2Nb-2Mn-0.2Yat.%合金板材,轧制总变形量为78%。
4、根据权利要求2所述的含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法,其特征在于将经步骤一锻造工艺得到的Ti-45Al-5Nb-0.25Yat.%合金饼材,厚度为8mm,在900℃条件下,进行保温40小时热处理,然后切割成方形坯料;步骤三、将方形坯料包裹在Ti-6Al-4V合金的包套内,套的厚度为8mm;步骤四将包裹Ti-45Al-5Nb-0.25Y合金饼材的包套放在热处理炉中加热到1100℃,并保温40分钟后,放在Φ500×846mm二辊式可逆热轧机上,轧制压力为450T,轧制速度为0.7m/s,道次变形量为8%,道次间回炉20分钟,轧制后回炉,随炉冷却至800℃,再空冷至室温,机械车削去除包套,得到厚度为1.5mm的Ti-45Al-5Nb-0.25Yat.%合金板材,轧制总变形量为79.13%。
5、根据权利要求1所述的含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法,其特征在于将经步骤一得到的Ti-46.5Al-0.2Y合金锭材,厚度为10mm,在1000℃条件下,进行保温40小时热处理,在1270℃、160MPa条件下,进行3.5小时热等静压处理,然后切割成方形坯料;步骤三、将方形坯料包裹在纯钛的包套内,套的厚度为8mm;步骤四、将包裹Ti-46.5Al-0.2Y合金坯料的包套放在热处理炉中加热到1150℃,并保温30分钟后,放在Φ500×846mm二辊式可逆热轧机上,轧制压力为500T,轧制速度为0.9m/s,道次变形量为11%,道次间回炉15分钟,轧制后回炉,随炉冷却至650℃,再空冷至室温,采用机械车削去除包套,得到厚度为1.4mm的Ti-46.5Al-0.2Yat.%合金板材,轧制总变形量为86%。
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