CN104588997B - 一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法 - Google Patents

一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法 Download PDF

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Abstract

一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，它涉及一种合金构件的制备方法。本发明的目的是要解决现有方法制备的TiAl合金构件存在TiAl合金制备困难，加工困难、对模具和设备要求高且力学性能较差的问题。制备方法：准备TiAl合金铸锭、均匀化热处理、热等静压、包套锻造、车削加工、近等温模锻，得到TiAl合金构件。本发明对TiAl合金铸锭先后进行均匀化处理、热等静压、包套锻造，最后进行近等温模锻，制备TiAl合金构件，该发明制备的TiAl合金构件组织细小，力学性能良好且对设备和锻造模具要求不高。本发明可获得一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法。

Description

一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法
技术领域
本发明涉及一种合金构件的制备方法。
背景技术
TiAl合金具有密度低、比强度高、比刚度高，以及良好的高温抗氧化、抗蠕变性能，是一种非常有潜力的轻质高温结构材料，在航空航天、汽车制造等工业领域有着广阔的应用前景。TiAl合金具有原子长程有序排列的结构特性以及原子间金属与共价键共存的特性，使其同时兼顾金属的塑性和陶瓷的高温强度，与传统钛合金和镍基高温合金相比，TiAl合金具有低比重、高蠕变抗力等性能优势。然而TiAl合金室温塑性低，高温变形能力差，这些因素制约了该合金的工程化应用。目前TiAl合金构件的制造方法主要是精密铸造和热加工方法，因而，用TiAl合金制造的产品性能及种类受到了很大的限制。合金的制备过程较为复杂，容易出现铸造缺陷、成分偏析和组织不均匀现象。
通常，制备TiAl合金构件可以选用铸造冶金或粉末冶金制备TiAl合金，热等静压后再包套热挤压TiAl合金成棒材，再进行模锻，制备TiAl合金构件。热挤压后TiAl合金的尺寸相应变小，进而制备TiAl合金的构件尺寸受到限制，难以制备出大尺寸的TiAl合金构件。另外，TiAl合金包套挤压所需温度较高，一般要求在1300℃以上，对设备要求较高，还需要长时间高温下有相当强度的模具，制备TiAl合金构件所需成本较高。本发明采用普通的锻造机对TiAl合金进行锻造，获取组织细小的TiAl合金锻坯，再进行近等温模锻则可制备组织细小，力学性能良好的TiAl合金构件且对设备要求不高。
发明内容
本发明的目的是要解决现有方法制备的TiAl合金构件存在TiAl合金制备困难，加工困难、对模具和设备要求高且力学性能较差的问题，而提供一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法。
一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl合金铸锭；
步骤一中所述的Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)中X为Mo、Cr、Nb、V、Si、Fe、Zr、Mn、B、C、W和Y中的一种或其中几种的混合；
二、均匀化热处理：将步骤一中选取的铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为800℃～1000℃，均匀化热处理的保温时间为12h～100h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1100℃～1280℃，压力为100MPa～200MPa，时间为1h～4h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢、纯钛或钛合金；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1100℃～1280℃，保温时间为2h～12h，锻造压下量为50％～90％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热温度为860℃～1300℃的TiAl预模锻坯料放入预热温度为850℃～1200℃的模具中，在应变速率为0.005s-1～1s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。
本发明步骤六中所述的近等温模锻是指TiAl预模锻坯料的预热温度与模具的预热温度两者的温差在10℃～450℃之间的锻造。
本发明的优点：
一、本发明先准备TiAl合金铸锭，然后进行均匀化热处理和热等静压，再进行包套锻造，最后进行近等温模锻制备TiAl合金构件；本发明制备的TiAl合金构件的组织细小，力学性能良好；
二、本发明可制备出大尺寸的TiAl合金构件，锻造所需温度低于包套挤压温度，对设备和模具要求不高，利用普通的锻机和钛合金锻造用高温合金模具就可实现。
本发明可获得一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)的TiAl合金铸锭；
步骤一中所述的Ti-(40～50)Al-(0.1～10)X(at％)中X为Mo、Cr、Nb、V、Si、Fe、Zr、Mn、B、C、W和Y中的一种或其中几种的混合；
二、均匀化热处理：将步骤一中选取的铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为800℃～1000℃，均匀化热处理的保温时间为12h～100h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1100℃～1280℃，压力为100MPa～200MPa，时间为1h～4h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢、纯钛或钛合金；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1100℃～1280℃，保温时间为2h～12h，锻造压下量为50％～90％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热温度为860℃～1300℃的TiAl预模锻坯料放入预热温度为850℃～1200℃的模具中，在应变速率为0.005s-1～1s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。
本实施方式步骤六中所述的近等温模锻是指TiAl预模锻坯料的预热温度与模具的预热温度两者的温差在10℃～450℃之间的锻造。
本实施方式的优点：
一、本实施方式先准备TiAl合金铸锭，然后进行均匀化热处理和热等静压，再进行包套锻造，最后进行近等温模锻制备TiAl合金构件；本实施方式制备的TiAl合金构件的组织细小，力学性能良好；
二、本实施方式可制备出大尺寸TiAl合金构件，锻造所需温度低于包套挤压温度，对设备和模具要求不高，利用普通的锻机和钛合金锻造用高温合金模具就可实现。
本实施方式可获得一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中选取的TiAl合金铸锭的名义化学式为Ti-(41～44)Al-(4～9)X(at％)。其他步骤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或二之一不同点是：步骤一中选取的TiAl合金铸锭的名义化学式为Ti-(45～48)Al-(4～8.5)X(at％)。其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中选取的TiAl合金铸锭的名义化学式为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)。其他步骤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之一不同点是：步骤二中所述的均匀化热处理的温度为900℃～950℃，均匀化热处理的保温时间为12h～48h。其他步骤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之一不同点是：步骤四中所述的锻造处理的温度为1150℃～1280℃，保温时间为5h～10h，锻造压下量为50％～70％。其他步骤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之一不同点是：步骤四中所述的锻造处理的温度为1100℃～1250℃，保温时间为4h～8h，锻造压下量为50％～60％。其他步骤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之一不同点是：步骤六中将预热后温度为900℃～1100℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为850℃～1000℃的模具中，在应变速率为0.005s-1～0.1s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件。其他步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤六中将预热后温度为850℃～1050℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为850℃～900℃的模具中，在应变速率为0.05s-1～0.5s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件。其他步骤与具体实施方式一至八相同。
采用以下试验验证本发明的有益效果：
试验一：一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％)的TiAl合金铸锭；
二、均匀化热处理：将步骤一中选取的Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％)铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为950℃，均匀化热处理的保温时间为24h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1200℃，压力为140MPa，时间为2h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1250℃，保温时间为6h，锻造压下量为50％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热后温度为1050℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为900℃的模具中，在应变速率为0.01s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。
试验二：一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)的TiAl合金铸锭；
二、均匀化热处理：将步骤一中的Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为900℃，均匀化热处理的保温时间为24h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1200℃，压力为160MPa，时间为3h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1200℃，保温时间为6h，锻造压下量为70％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热后温度为1100℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为900℃的模具中，在应变速率为0.05s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。
试验三：一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y(at％)的TiAl合金铸锭；
二、均匀化热处理：将步骤一中的Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y(at％)铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为950℃，均匀化保温时间为30h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1280℃，压力为140MPa，时间为3h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1250℃，保温时间为8h，锻造压下量为60％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热后温度为1150℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为950℃的模具中，在应变速率为0.01s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。

Claims (3)

1.一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％)的TiAl合金铸锭；
二、均匀化热处理：将步骤一中选取的Ti-47Al-2Cr-2Nb(at％)铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为950℃，均匀化热处理的保温时间为24h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1200℃，压力为140MPa，时间为2h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1250℃，保温时间为6h，锻造压下量为50％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热后温度为1050℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为900℃的模具中，在应变速率为0.01s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。
2.一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)的TiAl合金铸锭；
二、均匀化热处理：将步骤一中的Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为900℃，均匀化热处理的保温时间为24h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1200℃，压力为160MPa，时间为3h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1200℃，保温时间为6h，锻造压下量为70％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热后温度为1100℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为900℃的模具中，在应变速率为0.05s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。
3.一种近等温模锻制备TiAl合金构件的方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：
一、准备TiAl合金铸锭：选取名义成分为Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y(at％)的TiAl合金铸锭；
二、均匀化热处理：将步骤一中的Ti-44Al-8Nb-0.2W-0.2B-Y(at％)铸锭进行均匀化热处理，均匀化热处理的温度为950℃，均匀化保温时间为30h，得到均匀化处理后的TiAl合金铸锭；
三、热等静压：对均匀化处理后的TiAl合金铸锭进行热等静压处理，得到TiAl预锻坯料；
步骤三中所述的热等静压处理的温度为1280℃，压力为140MPa，时间为3h；
四、包套锻造：将TiAl预锻坯料放到包套中，再进行封焊，得到包含TiAl预锻坯料的包套；再将包含TiAl预锻坯料的包套进行锻造处理，再将包含TiAl预锻坯料的包套随炉冷却到室温，再采用机械加工方法去除包含TiAl预锻坯料的包套中的包套，得到TiAl合金锻造坯料；
步骤四中所述的包套的材质为不锈钢；
步骤四中所述的锻造处理的温度为1250℃，保温时间为8h，锻造压下量为60％；
五、车削加工：采用机械加工的方法将步骤四中得到的TiAl合金锻造坯料进行机械加工，得到TiAl预模锻坯料；
六、近等温模锻：将预热后温度为1150℃的TiAl预模锻坯料，放入预热后温度为950℃的模具中，在应变速率为0.01s-1下进行近等温模锻，得到TiAl合金构件；
步骤六中所述的模具为钛合金锻造用高温合金模具。
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