CN101817143A - 一种提高TiAl合金热加工性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高TiAl合金热加工性能的方法，它涉及一种提高合金热加工性能的方法。本发明解决了现有提高TiAl合金的热加工性能的方法制作成本高、制作得到的TiAl合金高温热加工性能差、热加工窗口窄的问题。方法：一、熔炼；二、热等静压；三、均匀化退火；四、电火花线切割；五、包套封焊；六、经保温处理、热挤压即提高了TiAl合金的热加工性能。本发明制作得到的TiAl合金的热加工窗口宽、高温热加工性能好，且本发明的制作方法与现有提高TiAl合金的热加工性能的多步热机械处理方法相比较，成本降低50％以上。

Description

一种提高TiAl合金热加工性能的方法

技术领域

本发明涉及一种提高合金热加工性能的方法。

背景技术

高温结构材料的研究与应用是21世纪航空航天推进系统实现革命性变革和发展的重要因素。TiAl金属间化合物以其优异的高温性能成为当前国内外广泛关注和迅速发展的新型轻质高温结构材料，并己步入实用化研究阶段。NASA报告指出，到2020年TiAl基合金及其复合材料的用量在航空航天发动机中将占有20％左右的份额。

通过对TiAl基合金显微组织的控制和优化，获取具有细晶全层片组织形态的合金，可以基本解决其拉伸强度、塑性与断裂/蠕变抗力成反比关系的缺陷，但TiAl基合金实用化的缺点(室温塑性低、高温热加工性能差，以及800℃以上的抗氧化性能不足的缺点)依然存在

为了提高TiAl合金的热加工性能，通常的方法包括以下几种：大量使用β稳定元素，从而使得材料中具有大量的热加工性能优异的β相(体积分数大于30％)；制备具有双态组织或者近gamma组织的原始铸态组织；加入Y(0.3at.％)元素或者B(0.2at.％)元素细化原始的铸态组织；采用多步热机械处理工艺。但是，大量的研究证明：β相的引入将削弱材料自身的蠕变性能；具备双态组织或者近gamma组织的材料其综合力学性能不能够达到最佳匹配，耐高温性能差，难以满足使用需求；加入细化剂可以从一定程度上解决其高温热加工性能差的难题，但是其改善效果依然无法满足其实际生产需求；多步热机械处理工艺得到的TiAl合金的热加工窗口也很窄，只能采用钼合金在保护气氛下进行等温锻造，其成本十分高昂。

发明内容

本发明是为了解决现有提高TiAl合金的热加工性能的方法制作成本高、制作得到的TiAl合金高温热加工性能差、热加工窗口窄的问题，而提供了一种提高TiAl合金热加工性能的方法。

本发明提高TiAl合金热加工性能的方法按照如下步骤进行：

一、熔炼：先将Mo元素添加到TiAl合金中，然后采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭；

二、热等静压：将TiAl合金铸锭在温度为1250～1280℃、压力为130～140Mpa的条件下保温处理4～5h，而后随炉冷却并出炉；

三、均匀化退火：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭在温度为1250～1300℃条件下保温处理12～24h，而后随炉冷却并出炉；

四、电火花线切割：将经均匀化退火处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；

五、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为2～7mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为2～7mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；

六：将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，而后在温度为1200～1400℃条件下保温处理3～4h，随后在空气中放置10～30s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即提高了TiAl合金热加工性能；其中步骤一中Mo元素添加量占TiAl合金总重量的0.5％～2.5％；步骤五中不锈钢管的壁厚为2～7mm。

本发明的制作方法中加入的β相稳定元素(Mo)，利用β相稳定元素的偏析现象，再通过热加工的方法，使β相均匀分布，提高了TiAl合金的高温热加工性能，且由于本发明方法中β相稳定元素的含量(Mo元素添加量占TiAl合金总重量的0.5％～2.5％)较少，可通过后继的均匀化热处理去除β相，在提高热加工性能的同时，本发明方法不存在削弱材料自身的蠕变性能的问题，本发明制作得到的TiAl合金热加工窗口向低温方向扩展了50～100℃，可以在大气环境下使用镍基高温合金模具进行等温锻造，从而使锻造效率提高3倍以上，本发明制作得到的TiAl合金的热加工窗口宽、高温热加工性能好；本发明的方法制作工艺简单，对设备的要求低，极大的降低了生产成本，与现有提高TiAl合金的多步热机械处理提高热加工性能的方法相比较，成本降低了50％以上。

附图说明

图1为具体实施方式九步骤一中使用水冷铜坩埚感应熔炼法熔制TiAl合金铸锭时电流、电压及功率控制图；图2为具体实施方式九步骤一中制作得到的TiAl合金铸锭的组织结构图；图3为具体实施方式九中TiAl合金的组织结构图；图4是采用现有多步热机械处理方法制备得到的TiAl合金热加工效果图；图5为具体实施方式九制作得到的TiAl合金热加工效果图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式提高TiAl合金热加工性能的方法按照如下步骤进行：

一、熔炼：先将Mo元素添加到TiAl合金中，然后采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭；

二、热等静压：将TiAl合金铸锭在温度为1250～1280℃、压力为130～140Mpa的条件下保温处理4～5h，而后随炉冷却并出炉；

三、均匀化退火：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭在温度为1250～1300℃条件下保温处理12～24h，而后随炉冷却并出炉；

四、电火花线切割：将经均匀化退火处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；

五、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为2～7mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为2～7mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；

六：将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，而后在温度为1200～1400℃条件下保温处理3～4h，随后在空气中放置10～30s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即提高了TiAl合金热加工性能；其中步骤一中Mo元素添加量占TiAl合金总重量的0.5％～2.5％；步骤五中不锈钢管的壁厚为2～7mm。

本实施方式步骤一中将Mo元素以中间合金的方式添加到TiAl合金中。

本实施方式步骤四中电火花线切割的切割速度为0.05mm/s。

本实施方式制作得到的TiAl合金热加工窗口向低温方向扩展了50～100℃，还可以在大气环境下使用镍基高温合金模具进行等温锻造，锻造效率提高3倍以上，本实施方式制作得到的TiAl合金的热加工窗口宽、高温热加工性能好；本实施方式的方法制作工艺简单，反应条件温和，对设备的要求低，极大的降低了生产成本，与现有提高TiAl合金的热加工性能的多步热机械处理方法相比较，成本降低了50％以上。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中温度为1270℃、压力为135Mpa的条件下保温处理4.5h。其它步骤及参数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至二不同的是：步骤三中在温度为1270℃条件下保温处理16h。其它步骤及参数与具体实施方式一至二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤五中喷涂厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，包裹厚度为5mm的硅酸铝纤维得到基体，用厚度为5mm的不锈钢板进行焊接封装。其它步骤及参数与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：步骤六中涂覆厚度为0.12mm的玻璃润滑剂。其它步骤及参数与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是：步骤六中在温度为1300℃条件下保温处理3.5h。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是：步骤六中在空气中放置15s。其它步骤及参数与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是：步骤六中挤压比为7～19。其它步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式提高TiAl合金热加工性能的方法按照如下步骤进行：

一、熔炼：先将Mo元素添加到TiAl合金中，然后采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭；

二、热等静压：将TiAl合金铸锭在温度为1270℃、压力为135Mpa的条件下保温处理4～5h，而后随炉冷却并出炉；

三、均匀化退火：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭在温度为1270℃条件下保温处理16h，而后随炉冷却并出炉；

四、电火花线切割：将经均匀化退火处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；

五、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为6mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为5mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；

六：将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，而后在温度为1300℃条件下保温处理3.5h，随后在空气中放置20s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即提高了TiAl合金热加工性能；其中步骤一中Mo元素添加量占TiAl合金总重量的0.15％；步骤五中不锈钢管的壁厚为5mm。

本实施方式制作得到的TiAl合金热加工窗口向低温方向扩展了50～100℃，还可以在大气环境下使用镍基高温合金模具进行等温锻造，锻造效率提高了4倍，本实施方式制作得到的TiAl合金的热加工窗口宽、高温热加工性能好；本实施方式的方法制作工艺简单，反应条件温和，对设备的要求低，极大的降低了生产成本，与现有提高TiAl合金的热加工性能的多步热机械处理方法相比较，成本降低了90％。

本实施方式步骤一中使用水冷铜坩埚感应熔炼法熔制TiAl合金铸锭时电流、电压及功率控制如图1所示，图1中■表示电压(V)，△表示电流(A)，□表示功率(KW)。

图2是本实施方式步骤一制作得到的TiAl合金铸锭的组织结构图，从图2可以看出β相存在偏聚现象。

图3是本实施方式得到的TiAl合金的组织结构图，从图1可以看出本实施方式的TiAl合金组织细小，β相分布均匀。

图4是采用现有多步热机械处理方法制备得到的TiAl合金热加工效果图，图4中□表示开裂，●表示完好；图5为本实施方式得到的TiAl合金热加工效果图，图5中□表示开裂，●表示完好；通过图4和图5可以看出本实施方式的热加工图中的完好数量明显多于采用现有方法制备得到的TiAl合金。

本发明利用TiAl合金中β相稳定元素的偏析现象，通过加入β相稳定元素的方法，引入一定量的β相，并且通过热加工的方法改善其分布形态，而后通过均匀化热处理过程能够消除β偏析，得到全层片组织形态，则β相的引入带来的热加工性能提升的效果将得以保留，而其削弱材料自身的蠕变性能的缺点得以避免。

Claims (7)

1.一种提高TiAl合金热加工性能的方法，其特征在于提高TiAl合金热加工性能的方法按照如下步骤进行：

一、熔炼：先将Mo元素添加到TiAl合金中，然后采用水冷铜坩埚感应熔炼法制得TiAl合金铸锭；

二、热等静压：将TiAl合金铸锭在温度为1250～1280℃、压力为130～140MPa的条件下保温处理4～5h，而后随炉冷却并出炉；

三、均匀化退火：将经热等静压处理后得到的TiAl合金铸锭在温度为1250～1300℃条件下保温处理12～24h，而后随炉冷却并出炉；

四、电火花线切割：将经均匀化退火处理后得到的TiAl合金铸锭切割成圆柱体铸锭；

五、包套封焊：将圆柱体铸锭表面先喷涂厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，再包裹厚度为2～7mm的硅酸铝纤维得到基体，然后将基体放置于不锈钢管的中部并将不锈钢管的两端采用厚度为2～7mm的不锈钢板进行焊接封装，得坯料；

六：将坯料表面进行清洗，然后涂覆厚度为0.1～0.15mm的玻璃润滑剂，而后在温度为1200～1400℃条件下保温处理3～4h，随后在空气中放置10～30s，再在挤压比大于7的条件下进行热挤压，即提高了TiAl合金热加工性能；其中步骤一中Mo元素添加量占TiAl合金总重量的0.5％～2.5％；步骤五中不锈钢管的壁厚为2～7mm。

2.根据权利要求1所述一种提高TiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤二中温度为1270℃、压力为135MPa的条件下保温处理4.5h。

3.根据权利要求1或2所述一种提高TiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤三中在温度为1270℃条件下保温处理16h。

4.根据权利要求3所述一种提高TiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤五中喷涂厚度为0.12mm的玻璃润滑剂，包裹厚度为5mm的硅酸铝纤维得到基体，用厚度为5mm的不锈钢板进行焊接封装。

5.根据权利要求1、2或4所述一种提高TiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤六中涂覆厚度为0.12mm的玻璃润滑剂。

6.根据权利要求6所述一种提高TiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤六中在温度为1300℃条件下保温处理3.5h。

7.根据权利要求1、2、4或6所述一种提高TiAl合金热加工性能的方法，其特征在于步骤六中在空气中放置15s。

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