CN104646419B - TiAl合金改进包套及应用其进行大变形量轧板的方法 - Google Patents
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Abstract
TiAl合金改进包套及应用其进行大变形量轧板的方法，本发明属于TiAl合金轧制加工领域，它为了解决现有大厚度包套浪费包套材料以及小变形量多道次轧制板坯易使板坯破裂的问题。轧制方法：一、TiAl合金板坯装入包套中，然后加热至轧板温度，保温加工工件；二、转运至轧板机，控制第一道次的总变形量为30％～50％，保温后进行二次轧板，第二道次的总变形量为剩余工件厚度的20％～30％，保温后校平；三、最后对加工工件进行缓冷处理。该改进包套在矩形边框上、下表面焊接盖板，TiAl合金板坯的上下表面设有导热垫片，减薄板坯上下方盖板的厚度。本发明TiAl合金改进包套采用不等厚结构，并进行大变形量轧制，有效降低了TiAl合金板材轧制过程中破裂现象的发生。
Description
技术领域
本发明属于TiAl合金轧制加工领域，具体涉及一种改进的轧制用包套及应用其轧制TiAl合金的方法。
背景技术
TiAl合金热加工的条件比较苛刻，这是因为TiAl合金的本质脆性，在高温变形过程中一旦力学状态恶化，比如存在拉应力状态，TiAl合金极易产生裂纹，从而断裂。TiAl合金能够顺利进行高温变形的温度区间非常狭窄，TiAl合金的热加工都是在等温条件下进行，而等温条件下热加工的成本很高，难以大规模生产。所以，TiAl合金的轧制一般采取用金属材料包裹TiAl合金板坯在普通轧机下进行约束条件下的准等温轧制的方法，此方法的优点在于利用包套保持板坯的加工温度；包套材料和TiAl合金在热加工过程中强度配合度高的情况下，能使TiAl合金获得良好的力学状态，如压应力状态；由于利用普通轧机而不是等温轧机，成本大幅下降，可以形成规模化生产。基于保温考虑，现有包套采取完全等厚和大厚度设计，即在长度、宽度和高度等三个方向上的包套厚度相同，而包套厚度是板坯的3～4倍。但现有包套有两个缺点，一是在三个方向上的完全等厚度设计没有考虑到工件在高温轧板过程中实际的温度场分布特点，浪费包套材料；二是大厚度设计使得包套材料和板坯材料在高温轧板过程中的强度配合不好，从而板坯材料处于不利的应力状态，易于破裂。
基于TiAl合金硬脆而难变形的特点，现有TiAl合金轧板工艺采用小变形量(道次变形量在5％-10％之间)多道次轧制方法，此种小变形量多道次工艺的缺点在于小变形量并不能使变形非常容易进行，而且由于多道次的轧制，板坯的温度场从高温到低温又到高温地交替变化多次，包套和板坯多次变形，板坯的应力状态趋于恶化，对于难变形的TiAl合金而言，增大了板坯破裂的几率，同时增加了轧板成本。
发明内容
本发明目的是为了解决现有大厚度包套浪费包套材料以及小变形量多道次轧制板坯易使板坯破裂的问题，而提供TiAl合金改进包套及应用其进行大变形量轧板的方法。
本发明由长边围板、宽边围板、上盖板、下盖板、保温层和导热垫片组成，长边围板和宽边围板围成矩形边框，在矩形边框的上、下表面焊接有上盖板和下盖板形成包套腔，置于包套腔内的TiAl合金板坯与宽边围板之间填充有保温层，TiAl合金板坯与上盖板、下盖板之间夹有导热垫片，长边围板和宽边围板的厚度相同，上盖板的厚度与TiAl合金板坯的厚度比为0.8～1.2︰1，下盖板的厚度与TiAl合金板坯的厚度比为0.8～1.2︰1。
本发明TiAl合金改进包套根据高温轧板时工件的温度场变化和分布特点设计合理的包套结构和包套厚度，保证合金板坯在高温轧板过程中处于合适的温度场中，使包套材料和板坯材料强度配合良好，并节约包套材料。
本发明应用TiAl合金改进包套进行大变形量轧板的方法按以下步骤实现：
一、将TiAl合金板坯装入TiAl合金改进包套中制成加工工件，然后将加工工件送进加热炉加热，加工工件随炉加热至TiAl合金板坯的轧板温度(即塑性变形温度)，加工工件在轧板温度下保温，得到保温的加工工件；
二、将保温的加工工件出炉转运至轧板机进行轧板，控制第一道次的总变形量为30％～50％，随后将加工工件送回加热炉，在轧板温度下保温，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉，转运至轧板机进行轧板，第二道次的总变形量为剩余工件厚度的20％～30％，加工工件再次送回加热炉，再在轧板温度下保温，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉，转运至轧板机对加工工件进行校平，得到校平后的加工工件；
三、将校平后的加工工件送进600℃的缓冷炉进行缓冷处理，当加工工件的温度达到600℃后出炉，完成TiAl合金的轧板。
本发明根据实验研究和对TiAl合金高温变形规律的分析，发现小变形量并不容易使TiAl合金在高温下变形，滑移系开动困难，同时小变形量在轧板过程中会使TiAl合金表面存在有害的拉应力状态，导致TiAl合金加工面产生微裂纹。而本发明采用大变形量不但在轧板过程中对TiAl合金产生压应力，同时为滑移系开动提高足够高的能量，这些都有利于TiAl合金塑性变形，使TiAl合金轧板顺利进行。大变形量也减少了道次数，TiAl合金应力状态恶化的几率降低，轧板的成本由于加工时间和工序的减少而显著降低。
综上，本发明TiAl合金改进包套及应用其进行大变形量轧板的方法包含以下有益效果：
1、现有包套直接利用包套材料本身对板坯侧面进行保温，因为包套材料的导热系数高，所以保温效果不好，而为了提高保温效果，不得不加大包套厚度，增加了包套材料的用量。本发明利用耐高温的保温层对板坯侧面进行保温，保温效果好，价格也比包套材料低廉。采用导热系数高的导热垫片覆盖板坯加工面，有利于板坯加热升温和温度均匀。
2、现有包套没有考虑工件不同部位降温速率不同的现象，也就没有区别对待降温快的部位和降温相对慢的部位，将包套设计成等厚形式，显然浪费了包套材料。本发明在板坯的长度和宽度方向加大保温层厚度，减薄板坯加工面法线方向的包套厚度，完全能够确保板坯各部位在轧板过程中始终处于加工温度区，不会出现板坯侧面处于低温区而板坯加工面处于加工温度区的现象。
3、虽然现有包套的大厚度设计能使板坯各部位易于处在加工温度区，但是也容易造成板坯被大量同温度的强度远低于板坯材料的包套材料包裹，使得包套材料和板坯材料强度配合不合理，板坯材料处于不利的应力状态下，容易导致板坯破裂。本发明则通过减薄板坯上下方包套的厚度，保证包套材料处于低温区而板坯材料处于高温区，包套材料和板坯材料强度相近，使板坯在良好的应力状态下加工。
4、虽然为了防止TiAl合金因高温变形过大产生断裂而采取小变形量累加的方式轧板，但是在小变形量下，合金反而不容易变形，而且小变形量轧制板材将使板坯表面处于拉应力状态，容易在板坯表面形成裂纹，导致板坯开裂。为了达到一定的总变形量，采用每道次小变形量轧板，必然要增加道次数，在多道次轧板过程中，会出现很多不确定的不利轧板的因素，如包套厚度减薄等，这使包套材料和板坯材料的强度配合不易达到合理的程度，板坯应力状态趋于恶化，不利于后几道次的轧制。而本发明大变形量轧制使处于包套中心的板坯材料的大部分处于压应力状态，有利于板坯材料变形。在要求相同的总变形量情况下，大变形量轧板需要的道次数要少于小变形量轧板，不但可以在板坯的应力状态恶化前完成轧制，而且可以缩短轧板的总时间，节约轧板成本。经研究，大变形量轧板进行TiAl合金轧板能够提高合金能承受的应变速率，使在快速轧机上进行TiAl合金轧板成为可能。
附图说明
图1为TiAl合金改进包套的俯视图；
图2为图1中Ⅱ处的放大图；
图3为TiAl合金改进包套A-A截面的结构示意图；
图4为图3中Ⅰ处的放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式TiAl合金改进包套由长边围板6、宽边围板1、上盖板2、下盖板7、保温层5和导热垫片4组成，长边围板6和宽边围板1围成矩形边框，在矩形边框的上、下表面焊接有上盖板2和下盖板7形成包套腔，置于包套腔内的TiAl合金板坯3与宽边围板1之间填充有保温层5，TiAl合金板坯3与上盖板2、下盖板7之间夹有导热垫片4，长边围板6和宽边围板1的厚度相同，上盖板2的厚度与TiAl合金板坯3的厚度比为0.8～1.2︰1，下盖板7的厚度与TiAl合金板坯3的厚度比为0.8～1.2︰1。
本实施方式通过传热计算得到上、下盖板的厚度，以使包套材料和TiAl合金的强度相配合，而长边围板厚度起支撑作用。在矩形边框的上、下表面焊接有上盖板和下盖板，在焊接处开有焊接坡口。
本实施方式改进的包套根据高温轧板时工件的温度场变化和分布特点设计合理的包套结构和包套厚度，保证合金板坯在高温轧板过程中处于合适的温度场中，使包套材料和板坯材料获得良好的强度配合，并节约包套材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是长边围板6、宽边围板1、上盖板2和下盖板7的材质均为304不锈钢。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是保温层5的材质为含锆硅酸铝纤维毡。
待加工工件形状是长方体。在高温轧板时，工件两平面相交处散热速率远大于工件平面法线方向的散热速率。因此，在工件的垂直截面，温度场的分布特点为由里到外温度逐渐降低，等温线为椭圆形。当低于轧板温度的低温区接近板坯侧面时，板坯加工面和接近加工面的一部分包套材料仍然处于轧板温度区。因此，利用保温效果好的耐高温含锆硅酸铝纤维对板坯的侧面加强保温，以符合温度场变化和分布特点。
本实施方式利用耐高温的含锆硅酸铝纤维对板坯侧面进行保温，因为其导热系数低，所以保温效果良好，价格也比包套材料低廉。
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的是导热垫片4的材质为石墨。
本实施方式采用导热系数高的石墨薄片覆盖板坯加工面，有利于板坯加热升温和温度均匀。
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的是长边围板6和宽边围板1的厚度为10mm～15mm。
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的是长边围板6和宽边围板1焊接成矩形边框，在焊接处开有焊接坡口。
具体实施方式七：本实施方式应用TiAl合金改进包套进行大变形量轧板的方法按以下步骤实现：
一、将TiAl合金板坯装入TiAl合金改进包套中制成加工工件，然后将加工工件送进加热炉加热，加工工件随炉加热至TiAl合金板坯的轧板温度(即塑性变形温度)，加工工件在轧板温度下保温，得到保温的加工工件；
二、将保温的加工工件出炉转运至轧板机进行轧板，控制第一道次的总变形量为30％～50％(即工件厚度减薄30％～50％)，随后将加工工件送回加热炉，在轧板温度下保温，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉，转运至轧板机进行轧板，第二道次的总变形量为剩余工件厚度的20％～30％，加工工件再次送回加热炉，再在轧板温度下保温，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉，转运至轧板机对加工工件进行校平，得到校平后的加工工件；
三、将校平后的加工工件送进600℃的缓冷炉进行缓冷处理，当加工工件的温度达到600℃后出炉，完成TiAl合金的轧板。
本实施方式中所使用的轧板机为普通轧板机。步骤一TiAl合金板坯的轧板温度为1220～1270℃。步骤二所述的第一道次的总变形量为30％～50％，即加工工件的整体厚度减薄30％～50％。
如果采取保温材料全包围板坯的形式，将不利于板坯加热升温和温度均匀，所以在板坯加工面上不覆盖保温材料，而是覆盖导热系数高的石墨薄片，为板坯提供加热通道，同时因为石墨薄片在x和y方向的导热系数较高而且相同，所以有利于板坯加工面的温度均匀化。在轧板过程中，石墨薄片还能起到润滑的作用，减少加工面表面裂纹发生的几率。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是步骤一所述TiAl合金板坯的厚度为4mm～7mm。其它步骤及参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是TiAl合金板坯的材质为两相γ型TiAl合金。其它步骤及参数与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是控制每道次的应变速率小于0.2s-1。其它步骤及参数与具体实施方式七至九之一相同。
实施例：本实施例应用TiAl合金改进包套进行大变形量轧板的方法按以下步骤实现：
一、将尺寸为6mm×52mm×80mm的TiAl合金(Ti46Al4Nb1Cr0.2B)板坯装入TiAl合金改进包套中制成加工工件，然后将加工工件送进电阻炉加热，加工工件随炉按2℃/min的升温速率加热至TiAl合金板坯的轧板温度1260℃，加工工件在轧板温度下保温40min，保温结束后得到保温的加工工件；
二、将保温的加工工件出炉转运至轧板机(耗时10s)进行轧板，加工工件的上、下面为加工面，控制第一道次的总变形量为40％，工件厚度减薄了8mm，耗时10s，随后将加工工件送回加热炉，在轧板温度1260℃下保温30min，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉(耗时10s)，转运至轧板机进行轧板，第二道次的总变形量为剩余工件厚度的25％，加工工件再次送回加热炉，再在轧板温度1260℃下保温30min，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉，转运至轧板机对加工工件校平1次，得到校平后的加工工件；
三、将校平后的加工工件送进600℃的缓冷炉进行缓冷4小时后出炉，完成TiAl合金的轧板，得到厚度为3mm的TiAl合金板材。
本实施例TiAl合金改进包套的材料为304不锈钢，外形尺寸为20mm×100mm×120mm，盖板厚度为7mm，各围板厚度为12mm。石墨导热垫片的厚度为0.75mm。
本实施例轧辊直径为350mm，共进行2道次轧制，应变速率为0.1s-1，总变形量为50％。
采取现有大厚度包套，包套厚度为TiAl合金板坯的3倍，控制每道次的变形量为5％进行轧制，十五次加工仅有1次TiAl合金板材没有破裂，而利用本实施例的改进包套和大变形量加工方法，十五次加工有6次TiAl合金板材没有破裂，不破裂的次数明显增多。
Claims (9)
1.TiAl合金改进包套，其特征在于该TiAl合金改进包套由长边围板(6)、宽边围板(1)、上盖板(2)、下盖板(7)、保温层(5)和导热垫片(4)组成，长边围板(6)和宽边围板(1)围成矩形边框，在矩形边框的上、下表面焊接有上盖板(2)和下盖板(7)形成包套腔，置于包套腔内的TiAl合金板坯(3)与宽边围板(1)之间填充有保温层(5)，TiAl合金板坯(3)与上盖板(2)、下盖板(7)之间夹有导热垫片(4)，长边围板(6)和宽边围板(1)的厚度相同，上盖板(2)的厚度与TiAl合金板坯(3)的厚度比为0.8～1.2︰1，下盖板(7)的厚度与TiAl合金板坯(3)的厚度比为0.8～1.2︰1。
2.根据权利要求1所述的TiAl合金改进包套，其特征在于长边围板(6)、宽边围板(1)、上盖板(2)和下盖板(7)的材质均为304不锈钢。
3.根据权利要求1所述的TiAl合金改进包套，其特征在于保温层(5)的材质为含锆硅酸铝纤维毡。
4.根据权利要求1所述的TiAl合金改进包套，其特征在于导热垫片(4)的材质为石墨。
5.根据权利要求1所述的TiAl合金改进包套，其特征在于长边围板(6)和宽边围板(1)的厚度为10mm～15mm。
6.根据权利要求1所述的TiAl合金改进包套，其特征在于长边围板(6)和宽边围板(1)焊接成矩形边框，在焊接处开有焊接坡口。
7.应用TiAl合金改进包套进行大变形量轧板的方法，该TiAl合金改进包套由长边围板(6)、宽边围板(1)、上盖板(2)、下盖板(7)、保温层(5)和导热垫片(4)组成，长边围板(6)和宽边围板(1)围成矩形边框，在矩形边框的上、下表面焊接有上盖板(2)和下盖板(7)形成包套腔，置于包套腔内的TiAl合金板坯(3)与宽边围板(1)之间填充有保温层(5)，TiAl合金板坯(3)与上盖板(2)、下盖板(7)之间夹有导热垫片(4)，长边围板(6)和宽边围板(1)的厚度相同，上盖板(2)的厚度与TiAl合金板坯(3)的厚度比为0.8～1.2︰1，下盖板(7)的厚度与TiAl合金板坯(3)的厚度比为0.8～1.2︰1；其特征在于是按下列步骤实现：
一、将TiAl合金板坯装入TiAl合金改进包套中制成加工工件，然后将加工工件送进加热炉加热，加工工件随炉加热至TiAl合金板坯的轧板温度，加工工件在轧板温度下保温，得到保温的加工工件；
二、将保温的加工工件出炉转运至轧板机进行轧板，控制第一道次的总变形量为30％～50％，随后将加工工件送回加热炉，在轧板温度下保温，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉，转运至轧板机进行轧板，第二道次的总变形量为剩余工件厚度的20％～30％，加工工件再次送回加热炉，再在轧板温度下保温，待加工工件的温度回升至轧板温度后出炉，转运至轧板机对加工工件进行校平，得到校平后的加工工件；
三、将校平后的加工工件送进600℃的缓冷炉进行缓冷处理，当加工工件的温度达到600℃后出炉，完成TiAl合金的轧板。
8.根据权利要求7所述的应用TiAl合金改进包套进行大变形量轧板的方法，其特征在于步骤一所述TiAl合金板坯的厚度为4mm～7mm。
9.根据权利要求7所述的应用TiAl合金改进包套进行大变形量轧板的方法，其特征在于控制每道次的应变速率小于0.2s-1。
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