CN103801581B - 一种高铌钛铝基合金板材的制备方法 - Google Patents

一种高铌钛铝基合金板材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高温结构材料板材制备技术领域，涉及一种高铌钛铝基合金板材的制备方法。本发明所采用的技术方案为，直接从铸锭上切取合金坯料，经均匀化热处理后，放入三明治式的结构包套中，在坯料与包套间添加剥离剂，将包套在保护性气氛中加热，进行热轧后，去除包套，得到大尺寸高铌钛铝基合金板材。本发明设计出一条新型的冶金铸锭包套热轧制备高铌钛铝基合金板材工艺路线，工艺路线简单经济。较之目前普遍的热等静压+等温锻造/等温挤压预处理相比，流程大幅度缩短，适合工业化大规模生产；本方法在普通轧机上制备，较之等温轧机、等温锻造等相比，设备要求大幅度降低，可普遍应用。

Description

一种高铌钛铝基合金板材的制备方法
技术领域
本发明属于高温结构材料板材制备技术领域，特别是提供了一种利用冶金铸锭坯料直接包套热轧制备大尺寸高铌钛铝基合金板材的制备方法。
研究背景
钛铝基金属间化合物因其具有低密度、高弹性模量、高比强度以及优异的抗氧化性能等优点，使用温度可达700~900℃，被认为是在航空航天领域Ti合金使用温度上限和Ni基高温合金使用温度下线的唯一候选材料。高铌钛铝基合金因为高熔点Nb元素的添加提高了合金的熔点和有序化温度，降低了层错能和原子扩散，从而提高了合金的高温强度以及改善了合金的抗氧化性能。与Ni基高温合金和高温陶瓷材料相比，它比Ni基高温合金比强度高，比陶瓷塑性和韧性好，使用温度比普通钛铝基合金高出60~100℃。因此，高铌钛铝基合金代表了目前钛铝基合金研究的方向。
钛铝基合金由于其本征脆性，室温及高温加工性能都比较差。特别是钛铝基合金板材的制备比较困难，制约了其广泛应用。相比于普通钛铝基合金，高铌钛铝基合金所需热加工温度更高，热加工窗口更小。目前普通钛铝基合金和高铌钛铝基合金板材的制备选用的合金坯料都需要经过热等静压处理+热机械处理开坯，其中热机械处理包括多次近等温包套锻造或者包套热挤压，因此工艺流程长、成本高。
钛铝基合金板材的制备主要有铸锭冶金法和粉末冶金法。目前的铸锭冶金法在轧前需要经过热等静压和均匀化退火处理，然后在一定温度区间（α+γ两相区）和一定应变速率（＜10-1s-1）条件下轧制，工艺流程长，制备效率低。粉末冶金法也需经过粉末混合、压制、挤压和轧制等过程成形为混合粉板材，再进行反应合成制备钛铝基合金板材，或将原料粉末混合并进行包套抽气处理后，直接进行热轧或热等静压制备钛铝基合金板材。由于氧元素含量控制难度大及工艺路线复杂，目前还未见板材应用报道。
发明内容
本发明提供了一种以冶金铸锭为坯料直接包套热轧制备大尺寸高铌钛铝基合金板材的工艺路线。制备的合金板材变形量大，表面质量良好，无开裂，工艺流程短，成本低，易于实现工业化生产。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，此制备方法直接从铸锭上切取合金坯料，经均匀化热处理后，放入三明治式的结构包套中，在坯料与包套间添加剥离剂，将包套在保护性气氛中加热，进行热轧后，去除包套，得到大尺寸高铌钛铝基合金板材。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，所述制备方法的步骤包括：
（1）从高铌钛铝合金冶金铸锭上切取轧制坯料；
（2）均匀化热处理：在1200~1300℃保温1~6小时，炉冷至900℃，于900℃保温1~6小时，空冷；
（3）包套：包套采用三明治式的结构，合金置于包套材料中间；
（4）轧前加热：在保护性气氛中加热，随炉加热到1250~1300℃，保温1小时，出炉热轧；
（5）包套热轧：开轧温度1250~1300℃，道次压下量15~25%，应变速率0.5~2s-1；采用一火一道的轧制方法，道次间回炉保温10~20分钟，经过3~6道次后或总变形量达到60~80%之后，随炉冷至900℃后保温1~6h，随后空冷至室温；
（6）去除包套：去除包套，得到高铌钛铝基合金板材。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，此合金的成分为：Ti-（44~49at.%）Al-（6~10at.%）Nb-（0.01~0.3at.%）B-（0.01~0.3at.%）W-（0.01~0.3at.%）Y。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，合金铸锭可采用等离子冷床炉熔炼或采用真空电弧熔炼+感应凝壳熔炼。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，所述包套材料为304不锈钢或TC4钛合金中的一种。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，步骤（5）中轧制后，在冷却的过程中，在900℃保温2h后，随炉冷却。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，在步骤（3）中，在合金坯料与包套之间添加1~2mm厚度的ZrO粉末做为剥离剂。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，所述剥离剂ZrO的纯度为99.5%，粒度为20μm。
上述高铌钛铝基合金板材制备方法的优选方案为，所述步骤（3）中的包套为焊接密封。
本发明的有益效果在于：
1.设计出一条新型的冶金铸锭包套热轧制备高铌钛铝基合金板材工艺路线，工艺路线简单经济。较之目前普遍的热等静压+等温锻造/等温挤压预处理相比，流程大幅度缩短，适合工业化大规模生产。
2.在普通轧机上，通过冶金铸锭包套热轧工艺，制备出大尺寸高品质的高铌钛铝基合金板材。较之等温轧机、等温锻造等相比，设备要求大幅度降低，可普遍应用。
3.采用本工艺路线，道次压下量大，应变速率大，可以显著提高板材制备效率。
附图说明
图1高铌钛铝基合金板材包套设计示意图：1合金坯料，2剥离剂，3包套；
图2实施例2高铌钛铝基合金板材轧后显微组织照片。
具体实施方式
实施例1
合金名义成分为Ti-45Al-6Nb-0.01B-0.01W-0.01Y（原子百分比），合金经过等离子冷床炉熔炼制备。经过均匀化热处理，1200℃保温1小时，再置于900℃保温1小时，空冷后，从铸锭中切取长方形坯料，尺寸为120mm（长）×80mm（宽）×15mm（高），装入304不锈钢制成的包套中，包套设计如图1所示，ZrO剥离剂厚度1mm。
在保护性气氛中，轧件随炉加热到开轧温度1250℃，保温1h，然后出炉开轧。轧制方式采用一火一道次工艺，每道次压下量为25%，应变速率控制在1s-1，回炉保温10min，轧制4道次后回炉并炉冷至900℃，保温1h后空冷至室温。利用机加工方式去除包套。4道次轧制后的板材的厚度为5.6mm，总变形量达到了62%，表面质量良好，无开裂，显微组织均匀。
实施例2
合金名义成分为Ti-45Al-8.5Nb-0.2B-0.2W-0.02Y（原子百分比），合金经过真空电弧熔炼+感应凝壳熔炼制备。经过均匀化热处理，1250℃保温4小时，再置于900℃保温4小时，空冷后，从铸锭中切取长方形坯料，尺寸为120mm（长）×80mm（宽）×15mm（高），装入TC4钛合金制成的包套中，包套设计如图1所示，ZrO剥离剂厚度1mm。
在保护性气氛中，轧件随炉加热到开轧温度1280℃，保温1h，然后出炉开轧。轧制方式采用一火一道次工艺，每道次压下量为25%，应变速率控制在1s-1，回炉保温15min，轧制5道次后回炉并炉冷至900℃，保温2h后空冷至室温。利用机加工方式去除包套。5道次轧制后的板材的厚度为3.9mm，总变形量达到了74%，表面质量良好，无开裂，显微组织均匀。轧制后板材的显微组织如图2所示。
实施例3
合金名义成分为Ti-45Al-10Nb-0.3B-0.3W-0.3Y（原子百分比），合金经过等离子冷床炉熔炼制备。经过均匀化热处理（1300℃保温6小时，再置于900℃保温6小时，空冷）后，从铸锭中切取长方形坯料，尺寸为120mm（长）×80mm（宽）×15mm（高），装入304不锈钢包套中，包套设计如图1所示，ZrO剥离剂厚度2mm。
在保护性气氛中，轧件随炉加热到开轧温度1300℃，保温1h，然后出炉开轧。轧制方式采用一火一道次工艺，每道次压下量为15%，应变速率控制在1s-1，回炉保温20min，轧制6道次后回炉并炉冷至900℃，保温6h后空冷至室温。利用机加工方式去除包套。6道次轧制后的板材的厚度为5.7mm，总变形量达到了62%，表面质量良好，无开裂，显微组织均匀。

Claims (8)

1.一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，此制备方法直接从铸锭上切取合金坯料，经均匀化热处理后，放入三明治式的结构包套中，在坯料与包套间添加剥离剂，将包套在保护性气氛中加热，进行热轧后，去除包套，得到大尺寸高铌钛铝基合金板材，所述制备方法的步骤包括：
(1)从高铌钛铝基合金冶金铸锭上切取轧制坯料；
(2)均匀化热处理：在1200～1300℃保温4～6小时，炉冷至900℃，于900℃保温1～6小时，空冷；
(3)包套：包套采用三明治式的结构，合金置于包套材料中间；
(4)轧前加热：在保护性气氛中加热，随炉加热到1250～1300℃，保温1小时，出炉热轧；
(5)包套热轧：开轧温度1250～1300℃，道次压下量25％，应变速率1～2s-1；采用一火一道的轧制方法，道次间回炉保温10～20分钟，经过3～6道次后或总变形量达到60～80％之后，随炉冷至900℃后保温1～6h，随后空冷至室温；
(6)去除包套：去除包套，得到高铌钛铝基合金板材；
所述步骤(3)中，在合金坯料与包套之间添加1～2mm厚度的ZrO粉末做为剥离剂。
2.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，此合金的成分为：Ti-(44～49at.％)Al-(6～10at.％)Nb-(0.01～0.3at.％)B-(0.01～0.3at.％)W-(0.01～0.3at.％)Y。
3.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，合金铸锭采用等离子冷床炉熔炼。
4.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，合金铸锭采用真空电弧熔炼+感应凝壳熔炼。
5.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，所述包套材料为304不锈钢或TC4钛合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，步骤(5)中轧制后，在冷却的过程中，在900℃保温2h后，随炉冷却。
7.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，所述剥离剂ZrO的纯度为99.5％，粒度为20μm。
8.根据权利要求1所述的一种高铌钛铝基合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的包套为焊接密封。
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