CN101457331A - 一种TiAl合金棒材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属间化合物制备成形技术,具体地说是一种TiAl合金棒材的制备方法。工艺流程如下:坯料→均一化热处理→车削加工→包套→挤压→去包套→后续热处理,通过精确控制挤压间歇时间,以便使包套材料与TiAl合金在挤压变形中协调一致,成功得到综合性能良好的棒材。本发明通过对脆性材料金属间化合物TiAl合金复合包套,使TiAl合金可以通过传统挤压方法进行变形,很大程度上降低了对设备的依赖性;本发明通过严格控制挤压间歇时间,调节出炉后空冷时间和在挤压筒中停留时间,使包套材料和TiAl合金产生温度梯度达到二者流变抗力匹配变形协调,制备出棒材变形充分表面光滑无裂纹,得到TiAl合金组织细小均匀,具有优良的综合力学性能。

Description

一种TiAl合金棒材的制备方法
技术领域
本发明涉及金属间化合物制备成形技术,具体地说是一种TiAl合金棒材的制备方法。
背景技术
γ-TiAl合金具有密度小、高温力学性能高和较好的抗高温氧化性能等优点,早在50年代,便被认为是一种理想的航空航天用高温结构材料。γ-TiAl合金表现出高的高温强度、抗蠕变性能、高温显微组织稳定性和弹性模量等高温结构材料应具备的特征,并且,还具有一定的结构材料所应有的室温韧性、塑性和抗裂纹扩展性能。它的综合性能介于金属材料和陶瓷材料之间。它所具备的特殊性能使其成为近期有待于开发应用的高温航空发动机材料,随着航空航天技术不断发展,为了提高发动机的热效率和减轻零件的自重,对发动机的结构材料提出了更高的要求。作为一种有待于开发的新型航空航天用高温材料,金属间化合物这些特征一直受到研究者的重视。
TiAl合金作为新一代高温结构材料的研究目前还处于起步阶段,合金制备质量好坏将关系到合金本征性能的深刻认识,从而严重影响进一步优化合金研究工作能否顺利进行,同时也是合金从研究阶段走向实用阶段的前提,而优良的制备工艺是获得高质量合金的前提。因而对TiAl制备进行深入的探索研究具有现实的意义。
虽然在过去几年里TiAl合金热加工的研究已经取得显著的进展,但是粗大的组织,不均匀的组织、织构和偏析组织以及低的断裂抗力使得TiAl合金铸锭材料的热加工困难。TiAl合金的热成形方法主要有以下两种方法:等温锻造、包套锻造和普包套挤压。无论是那种方法,加工前都要将铸锭等静压或均匀化热处理,TiAl合金热等静压多选择在1260℃/175MPa进行。等温锻造多在1100~1200℃进行,名义应变速率10-2~10-3/s,变形比为4:1~6:1;该工艺条件可以保证铸锭有足够的塑性而不开裂,同时又有大于50%的片层组织球化,但是对设备要求比较高,要求有在长时间高温下有相当强度的模具,变形过程在真空或还原气氛下进行。
普通包套锻造也是一种加工TiAl合金的行之有效的方法,相比等温锻造对设备要求不高。该工艺一般用冷模(≈20℃)或温模(≈200℃)锻造。为降低锻模对锻件的过度冷却以防开裂,一般应变速率较高(≈1/s)。即使如此,仍需包套保护以减缓坯料冷却。由于摩擦阻力影响及热量的散失,要保证坯料和包套的均匀变形,需要严格设计包套及隔热材料的厚度及其它相应工艺参数。由于包套锻造较等温锻造的应变速率明显要高,在相同的形变温度及形变比下,包套锻造组织要更均匀细化,而且残余片层更少。
发明内容
本发明目的是提供一种TiAl合金挤压棒材的制备方法,利用TiAl合金的特点通过挤压方法制备出具有优异综合机械性能的棒材。
本发明的技术方案是:
一种TiAl合金棒材的制备方法,其工艺流程为:坯料→均一化热处理→车削加工→包套→挤压→去包套→后续热处理,其中:
挤压:挤压温度范围1250~1400℃,保温40~60分钟后出炉,挤压坯料出炉后,在空气和挤压筒中停滞一段间歇时间15-30s。
所述的TiAl合金棒材的制备方法,包套采用TiAl合金复合包套,包套与TiAl坯料之间采用隔热材料隔离,包套材料为不锈钢、钛或钛合金。
所述的TiAl合金棒材的制备方法,TiAl合金坯料为铸造或粉末烧结后车削成型。其中,铸造采用一次自耗加感应悬浮熔模铸造。
所述的TiAl合金棒材的制备方法,均一化热处理:在1250~1400℃保温4~10小时,炉冷,进行成分均一化处理。
所述的TiAl合金棒材的制备方法,挤压后通过机械或化学手段去除包套并进行常规TiAl合金后续热处理。
所述的TiAl合金棒材的制备方法,形变速率优选范围为0.1~5s-1
本发明提供TiAl合金热变形的优点在于:
1、本发明通过一次自耗+感应悬浮熔模铸造,成功解决了难熔中间合金及成分严重偏析的问题。将两种熔炼工艺复合在一起,从而使铸锭致密化和成分进一步均匀化。
2、本发明采用费用低廉的不锈钢做为包套材料,改变了传统的挤压方式,对脆性材料进行包裹挤压,并在出炉和挤压前保留一定间歇时间,使包套材料温度下降后,变形中流变抗力与TiAl合金相协调。制备出挤压件表面光滑无裂纹,其晶粒组织细小均匀,平均晶粒度为80~120μm。对变形态TiAl合金在α+γ双相区或α单相区热处理,分别可以得到具有优良综合力学性能的双态等轴组织和细小全片层组织。
3、本发明通过对脆性材料金属间化合物TiAl合金复合包套,使TiAl合金可以通过传统挤压方法进行变形,很大程度上降低了对设备的依赖性。
4、本发明将包套挤压被成功地用于热加工TiAl合金,与包套锻造相似,但是材料在变形过程中始终受三向压应力,容易遏制裂纹的产生,从而利于提高变形速率得到更为细小组织。合理地选择包套材料和尺寸、绝热材料及加工参数对获得致密均匀的锻件是至关重要的。典型的包套挤压参数为:挤压速度10~50mm/s、挤压变形比4:1~12:1、加热温度1150℃~1450℃,包套材料可以选用不锈钢、Ti-6Al-4V或纯Ti。在坯料与包套之间填充绝热材料,以减少包套挤压过程中固有的径向温度不均匀性。
附图说明
图1为TiAl包套挤压坯料结构示意图。图中,1、前端盖;2、侧包套;3、隔热材料;4、TiAl合金;5后盖。
图2为TiAl合金挤压坯料形貌。
图3为TiAl合金包套挤压后棒材形貌和尺寸。
图4(a)-(b)为经热处理得到的组织。其中,图4(a)双态等轴组织;图4(b)细小全片层组织。
具体实施方式
下面通过附图和实施例进一步详述本发明。
实施例1
本实施例TiAl合金棒材牌号为Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.15B-0.2W,其制备工艺流程如下:
熔炼→均一化热处理→车削加工→包套→挤压→去包套→后续热处理。
具体工艺参数:
熔炼:一次自耗加感应悬浮熔模铸造;即:
首先,采用常规真空自耗电极电弧熔炼炉一次自耗熔炼;
然后,采用真空感应悬浮熔炼炉感应悬浮熔炼。
均一化热处理:在1250~1400℃保温4~10小时;本实施例为1300℃/6h+FC(炉冷)。
车削加工:铸锭车削到定尺,表面粗糙度为Ra1.6~0.8。
包套:采用外径为73mm,厚度为5~6mm的304不锈钢管做为包套,在不锈钢管与TiAl坯料之间填满隔热材料SiC纤维棉,采用氩弧焊将包套前后密封(附图1、2)。
如图1-2所示,TiAl包套挤压坯料结构包括前端盖1、侧包套2、隔热材料3、TiAl合金4、后盖5,前端盖1、侧包套2、后盖5由上至下依次设置形成包套结构,其内放置TiAl合金4,在包套结构与TiAl合金4之间设有隔热材料3,TiAl合金挤压坯料表面为高温玻璃防护剂GTA-1350。
包套加热:随炉加热到1250~1400℃保温40~60分钟后出炉;本实施例为在1350℃下保温50分钟。
挤压:挤压筒预热到300℃,挤压坯料出炉后需要在空气中和挤压筒中停滞一段间歇时间(约20s);本实施例平均形变速率为1s-1,变形比为6:1。
本发明TiAl合金棒材包套-间歇挤压方法通过精确控制挤压间歇时间,以便使包套材料与TiAl合金在挤压变形中协调一致,成功得到综合性能良好的棒材。
挤压后机械去除厚度为2~3mm后不锈钢包套后得到TiAl合金的棒材(附图3)。如图3所示,TiAl合金包套挤压后棒材尺寸为Φ30×340mm。
后续热处理:本实施例后续热处理的工艺参数如下,
(1)1280℃/4h+FC(炉冷);或者,
(2)1340℃/10min+FC(炉冷)。
如图4(a)-(b)所示,制备出挤压件表面光滑无裂纹,其晶粒组织细小均匀,平均晶粒度为80~120μm。对变形态TiAl合金在α+γ双相区或a单相区热处理,分别可以得到具有优良综合力学性能的双态等轴组织和细小全片层组织。
本实施例得到棒材室温力学性能如下:
双态等轴组织:σ0.2=560MPa,σb=670MPa,δ=3.3%
细小全片层组织:σ0.2=625MPa,σb=730MPa,δ=3.0%
实施例2
与实施例1不同之处在于:
本实施例TiAl合金棒材牌号为Ti-45.3Al-2Cr-2Nb-0.15B,其制备方法中:
均一化热处理:1280℃/8h+FC(炉冷);
包套加热:在1300℃下保温60分钟;
挤压:挤压筒预热到300℃,挤压坯料出炉后需要在空气中和挤压筒中停滞一段间歇时间(约20s);本实施例平均形变速率为2s-1,变形比为12:1;
后续热处理:本实施例后续热处理的工艺参数如下,
(1)1260℃/4h+FC(炉冷);或者,
(2)1320℃/10min+FC(炉冷)。
本实施例主要力学性能如下:
双态等轴组织:σ0.2=600MPa,σb=680MPa,δ=2.2%
细小全片层组织:σ0.2=670MPa,σb=770MPa,δ=2.1%
实施例3
与实施例1不同之处在于:
本实施例TiAl合金棒材牌号为Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.15B-0.2W,其制备方法中:
坯料:粉末通过无坩锅气体雾化成100~200μm颗粒后筛分封装,然后包套进行热等静压,最后车削成型;
包套加热:在1360℃下保温40分钟;
挤压:挤压筒预热到300℃,挤压坯料出炉后需要在空气中和挤压筒中停滞一段间歇时间(约30s);本实施例平均形变速率为1.5s-1,变形比为8:1。
后续热处理:本实施例后续热处理的工艺参数如下,
Figure A200710158828D00071
或者,
实施例结果表明,本发明严格控制挤压间歇时间,调节出炉后空冷时间和在挤压筒中停留时间,使包套材料和TiAl合金产生温度梯度达到二者流变抗力匹配变形协调,制备出棒材变形充分表面光滑无裂纹,得到TiAl合金组织细小均匀,具有优良的综合力学性能。

Claims (7)

1、一种TiAl合金棒材的制备方法,其工艺流程为:坯料→均一化热处理→车削加工→包套→挤压→去包套→后续热处理,其特征在于,
挤压:挤压温度范围1250~1400℃,保温40~60分钟后出炉,挤压坯料出炉后,在空气和挤压筒中停滞一段间歇时间15-30s。
2、按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法,其特征在于,TiAl合金复合包套,包套与TiAl坯料之间采用隔热材料隔离,包套材料为不锈钢、钛或钛合金。
3、按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法,其特征在于,TiAl合金坯料为铸造或粉末烧结后车削成型。
4、按照权利要求3所述的TiAl合金棒材的制备方法,其特征在于,其中铸造采用一次自耗加感应悬浮熔模铸造。
5、按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法,其特征在于,均一化热处理:在1250~1400℃保温4~10小时,炉冷,进行成分均一化处理。
6、按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法,其特征在于,挤压后通过机械或化学手段去除包套并进行常规TiAl合金后续热处理。
7、按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法,其特征在于,形变速率范围为0.1~5s-1
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