CN105839039A - 一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，它涉及一种TiAl合金板材的制备方法。本发明的目的是要解决现有TiAl合金板材组织不均匀、综合性能下降的问题。制备方法：一、制坯，得到长方体TiAl合金轧制坯料；二、包套，得到包套的TiAl合金坯料；三、高温轧制前双步热处理，得到双步热处理TiAl合金坯料；四、高温轧制、道次间保温，得到高温轧制的TiAl合金板材；五、去应力退火，得到退火后TiAl合金板材；六、机械加工去除包套，得到的TiAl合金板材。优点：采用轧制前进行双步热处理，获得具有均匀组织的TiAl合金板材。本发明主要用于制备均匀组织的TiAl合金板材。
Description
技术领域
本发明涉及一种TiAl合金板材的制备方法。
背景技术
作为一种新型的高温轻质结构材料，TiAl合金具有低密度(3.9～4.2g/cm3)、高熔点、高的比强度和比刚度、优异的抗氧化性能和蠕变性能，在汽车、航空航天发动机以及其他高温结构零部件等方面具有广阔的应用潜力。但是TiAl合金热加工窗口窄、高温变形能力差、变形过程中容易开裂、热变形后的组织不均匀以及室温塑性差等缺陷制约了TiAl合金的实际工程化应用。
目前，国内外对TiAl合金板材展开了大量的研究，其中铸锭冶金法是制备TiAl合金板材的有效手段之一，其过程主要为：熔炼铸锭，均匀化热处理，热等静压、等温锻造或者包套近等温锻造，最后进行TiAl板材轧制。通过等温锻造或者包套近等温锻造很难使原始铸态TiAl合金中粗大的层片状组织完全破碎，残留的层片状组织在后续的TiAl合金板材轧制过程中也很难完全消除，粗大的层片组织一般具有锯齿状晶界，这种晶界能够有效地阻碍热变形过程中层片状晶团在外力偶矩作用下发生转动，残留的层片组织越多、晶粒尺寸越大，热变形过程中变形抗力越大，在板材轧制过程中很容易产生微裂纹甚至板材的开裂，并且导致最终TiAl合金板材变形量小，组织不均匀，板材性能下降等问题，传统的铸锭冶金法很难得到组织均匀，性能优异的TiAl合金板材。
发明内容
本发明的目的是要解决现有TiAl合金板材组织不均匀、综合性能下降的问题，而提供一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法。
一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，具体是按以下步骤进行：
一、制坯：将熔炼得到的铸锭进行均匀化热处理和热等静压制得TiAl合金预制坯料，采用机械加工的方法将预制坯料加工成长方体坯料，得到长方体TiAl合金轧制坯料；
步骤一中所述的均匀化热处理参数为：800℃～1100℃保温6h～48h；
步骤一中所述的热等静压处理参数为：热等静压温度为1000℃～1250℃，热等静压压力为140MPa～200MPa，热等静压时间为1h～5h；
步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料的厚度为3mm～30mm；
二、包套：采用机械加工的方法将步骤一得到的长方体TiAl合金轧制坯料进行表面打磨，得到表面光洁度为Ra6～Ra8的TiAl合金坯料，然后将表面光洁度为Ra6～Ra8的TiAl合金坯料置于凹槽包套中进行焊合，得到包套的TiAl合金坯料；
步骤二中所述凹槽包套的材质为304不锈钢、纯钛或钛合金；
三、高温轧制前双步热处理：①、将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1300℃～1380℃，在温度为1300℃～1380℃下保温5min～60min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料；②、将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1200℃～1300℃的炉子中保温10min～240min，得到双步热处理TiAl合金坯料；
四、高温轧制、道次间保温：将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.001s-1～1s-1，道次变形量为5％～35％，道次回炉保温，轧制的总变形量为65％～85％，得到高温轧制的TiAl合金板材；
步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1200℃～1300℃的炉子中保温10min～60min；
五、去应力退火：将高温轧制的TiAl合金板材放入炉温为800℃～1000℃的炉子中保温2h～10h，然后随炉冷却至室温，得到退火后TiAl合金板材；
六、机械加工去除包套：采用机械加工的方法去除步骤五得到的退火后TiAl合金板材上的凹槽包套，得到的TiAl合金板材。
本发明的优点：
一、本发明直接将经过热等静压处理过的TiAl合金铸锭进行轧制，相对于传统的铸锭冶金法制备TiAl合金板材，省去了中间等温锻造或包套近等温锻造的过程，降低了TiAl合金板材的制备成本，节省了人力财力。
二、本发明在轧制前采用双步热处理手段，使粗大的层片组织全部转化为细小、等轴的双态组织，在轧制过程中有利于晶粒的转动，降低高温轧制过程的变形抗力，避免轧制过程中板材的开裂，提高TiAl合金的热加工性能，改善了TiAl合金板材的显微组织，获得具有均匀组织的高性能TiAl合金板材。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，具体是按以下步骤进行：：
一、制坯：将熔炼得到的铸锭进行均匀化热处理和热等静压制得TiAl合金预制坯料，采用机械加工的方法将预制坯料加工成长方体坯料，得到长方体TiAl合金轧制坯料；
步骤一中所述的均匀化热处理参数为：800℃～1100℃保温6h～48h；
步骤一中所述的热等静压处理参数为：热等静压温度为1000℃～1250℃，热等静压压力为140MPa～200MPa，热等静压时间为1h～5h；
步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料的厚度为3mm～30mm；
二、包套：采用机械加工的方法将步骤一得到的长方体TiAl合金轧制坯料进行表面打磨，得到表面光洁度为Ra6～Ra8的TiAl合金坯料，然后将表面光洁度为Ra6～Ra8的TiAl合金坯料置于凹槽包套中进行焊合，得到包套的TiAl合金坯料；
步骤二中所述凹槽包套的材质为304不锈钢、纯钛或钛合金；
三、高温轧制前双步热处理：①、将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1300℃～1380℃，在温度为1300℃～1380℃下保温5min～60min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料；②、将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1200℃～1300℃的炉子中保温10min～240min，得到双步热处理TiAl合金坯料；
四、高温轧制、道次间保温：将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.001s-1～1s-1，道次变形量为5％～35％，道次回炉保温，轧制的总变形量为65％～85％，得到高温轧制的TiAl合金板材；
步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1200℃～1300℃的炉子中保温10min～60min；
五、去应力退火：将高温轧制的TiAl合金板材放入炉温为800℃～1000℃的炉子中保温2h～10h，然后随炉冷却至室温，得到退火后TiAl合金板材；
六、机械加工去除包套：采用机械加工的方法去除步骤五得到的退火后TiAl合金板材上的凹槽包套，得到的TiAl合金板材。
本实施方式直接将经过热等静压处理过的TiAl合金铸锭进行轧制，相对于传统的铸锭冶金法制备TiAl合金板材，省去了中间等温锻造或包套近等温锻造的过程，降低了TiAl合金板材的制备成本，节省了人力财力。
本实施方式在轧制前采用双步热处理手段，使粗大的层片组织全部转化为细小、等轴的双态组织，在轧制过程中有利于晶粒的转动，降低高温轧制过程的变形抗力，避免轧制过程中板材的开裂，提高TiAl合金的热加工性能，改善了TiAl合金板材的显微组织，获得具有均匀组织的高性能TiAl合金板材。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料成分为：Ti-(43～45)Al-(6～9)Nb-(0.1～1)X(at.％)，其中X为元素B、元素Si、元素C或元素Y中的一种或其中几种的混合。其他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或二不同的是：步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料成分为：Ti-(43～45)Al-6(Nb,V)-(0.1～1)X(at.％)；其中X为元素B、元素Si、元素C或元素Y中的一种或其中几种的混合。其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
本实施方式Ti-(43～45)Al-6(Nb,V)-(0.1～1)X(at.％)中6(Nb,V)表示元素Nb和元素V的总量为6at.％，但元素Nb与元素V的原子百分比是任意比的。
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：步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料成分为：Ti-43Al-9V-0.3Y(at.％)。其他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之一不同的是：步骤三①中将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1340℃～1380℃，在温度为1340℃～1380℃下保温5min～60min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料。其他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之一不同的是：步骤三①中将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1320℃～1340℃，在温度为1320℃～1340℃下保温5min～60min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料。其他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之一不同的是：步骤三①中将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1300℃～1320℃，在温度为1300℃～1320℃下保温5min～60min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料。其他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之一不同的是：步骤三②中将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1260℃～1300℃的炉子中保温10min～240min，得到双步热处理TiAl合金坯料。其他步骤及参数与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三②中将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1220℃～1260℃的炉子中保温10min～240min，得到双步热处理TiAl合金坯料。其他步骤及参数与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三②中将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1200℃～1220℃的炉子中保温10min～240min，得到双步热处理TiAl合金坯料。其他步骤及参数与具体实施方式一至九相同
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.001s-1～0.5s-1，道次变形量为5％～25％，道次回炉保温，轧制的总变形量为65％～75％，得到高温轧制的TiAl合金板材。其他步骤及参数与具体实施方式一至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一至十一之一不同的是：将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.01s-1～1s-1，道次变形量为5％～30％，道次回炉保温，轧制的总变形量为65％～80％，得到高温轧制的TiAl合金板材。其他步骤及参数与具体实施方式一至十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一至十二之一不同的是：步骤四中将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.5s-1～1s-1，道次变形量为5％～35％，道次回炉保温，轧制的总变形量为65％～85％，得到高温轧制的TiAl合金板材。其他步骤及参数与具体实施方式一至十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一至十三之一不同的是：步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1260℃～1300℃的炉子中保温10min～30min。其他步骤及参数与具体实施方式一至十三相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一至十四之一不同的是：步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1220℃～1260℃的炉子中保温10min～30min。其他步骤及参数与具体实施方式一至十四相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一至十五之一不同的是：步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1200℃～1220℃的炉子中保温10min～30min。其他步骤及参数与具体实施方式一至十五相同。
采用下述试验验证本发明效果
试验一：本试验的一种高性能TiAl合金板的制备方法按以下步骤进行：
一、制坯：将熔炼得到的铸锭进行均匀化热处理和热等静压制得TiAl合金预制坯料，采用机械加工的方法将预制坯料加工成长方体坯料，得到长方体TiAl合金轧制坯料；
步骤一中所述的均匀化热处理参数为：90℃保温10h；
步骤一中所述的热等静压处理参数为：热等静压温度为1200℃，热等静压压力为160MPa，热等静压时间为4h；
步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料的厚度为20mm；
步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料成分为：Ti-43Al-9V-0.3Y(at.％)；
二、包套：采用机械加工的方法将步骤一得到的长方体TiAl合金轧制坯料进行表面打磨，得到表面光洁度为Ra7的TiAl合金坯料，然后将表面光洁度为Ra6～Ra8的TiAl合金坯料置于凹槽包套中进行焊合，得到包套的TiAl合金坯料；
步骤二中所述凹槽包套的材质为钛合金；
三、高温轧制前双步热处理：①、将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1300℃，在温度为1300℃下保温20min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料；②、将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1200℃的炉子中保温60min，得到双步热处理TiAl合金坯料；
四、高温轧制、道次间保温：将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.5s-1，道次变形量为30％，道次回炉保温，轧制的总变形量为85％，得到高温轧制的TiAl合金板材；
步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1200℃的炉子中保温10min；
五、去应力退火：将高温轧制的TiAl合金板材放入炉温为900℃的炉子中保温6h，然后随炉冷却至室温，得到退火后TiAl合金板材；
六、机械加工去除包套：采用机械加工的方法去除步骤五得到的退火后TiAl合金板材上的凹槽包套，得到的TiAl合金板材。
本试验步骤六中得到的TiAl合金板材的厚度＜3.5mm。
经过检测可知：本试验得到TiAl合金板材的室温塑性大于2％，室温下强度大于750MPa，温度为750℃高温下强度大于500MPa。
Claims (9)
1.一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行：
一、制坯：将熔炼得到的铸锭进行均匀化热处理和热等静压制得TiAl合金预制坯料，采用机械加工的方法将预制坯料加工成长方体坯料，得到长方体TiAl合金轧制坯料；
步骤一中所述的均匀化热处理参数为：800℃～1100℃保温6h～48h；
步骤一中所述的热等静压处理参数为：热等静压温度为1000℃～1250℃，热等静压压力为140MPa～200MPa，热等静压时间为1h～5h；
步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料的厚度为3mm～30mm；
二、包套：采用机械加工的方法将步骤一得到的长方体TiAl合金轧制坯料进行表面打磨，得到表面光洁度为Ra6～Ra8的TiAl合金坯料，然后将表面光洁度为Ra6～Ra8的TiAl合金坯料置于凹槽包套中进行焊合，得到包套的TiAl合金坯料；
步骤二中所述凹槽包套的材质为304不锈钢、纯钛或钛合金；
三、高温轧制前双步热处理：①、将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1300℃～1380℃，在温度为1300℃～1380℃下保温5min～60min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料；②、将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1200℃～1300℃的炉子中保温10min～240min，得到双步热处理TiAl合金坯料；
四、高温轧制、道次间保温：将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.001s-1～1s-1，道次变形量为5％～35％，道次回炉保温，轧制的总变形量为65％～85％，得到高温轧制的TiAl合金板材；
步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1200℃～1300℃的炉子中保温10min～60min；
五、去应力退火：将高温轧制的TiAl合金板材放入炉温为800℃～1000℃的炉子中保温2h～10h，然后随炉冷却至室温，得到退火后TiAl合金板材；
六、机械加工去除包套：采用机械加工的方法去除步骤五得到的退火后TiAl合金板材上的凹槽包套，得到的TiAl合金板材。
2.根据权利要求1所述的一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料成分为：Ti-(43～45)Al-(6～9)Nb-(0.1～1)X(at.％)，其中X为元素B、元素Si、元素C或元素Y中的一种或其中几种的混合。
3.根据权利要求1所述的一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料成分为：Ti-(43～45)Al-6(Nb,V)-(0.1～1)X(at.％)；其中X为元素B、元素Si、元素C或元素Y中的一种或其中几种的混合。
4.根据权利要求1所述的一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤一中所述的长方体TiAl合金轧制坯料成分为：Ti-43Al-9V-0.3Y(at.％)。
5.根据权利要求1所述的一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤三①中将包套的TiAl合金坯料放入炉子中，将炉子从室温升温至1300℃，在温度为1300℃下保温20min，得到第一步热处理包套的TiAl合金坯料。
6.根据权利要求1所述的一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤三②中将第一步热处理包套的TiAl合金坯料转移至温度为1200℃℃的炉子中保温60min，得到双步热处理TiAl合金坯料。
7.根据权利要求1所述的一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤四中将步骤三中得到的双步热处理TiAl合金坯料从炉子中取出后放到轧机上进行轧制，应变速率为0.05s-1，道次变形量为30％，道次回炉保温，轧制的总变形量为85％，得到高温轧制的TiAl合金板材。
8.根据权利要求1或7所述的一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤四中所述的道次回炉保温操作如下：单次轧制结束后得到的TiAl合金坯料放到炉温为1200℃的炉子中保温10min。
9.根据权利要求1所述的一种高性能TiAl合金板的制备方法，其特征在于步骤五中将高温轧制的TiAl合金板材放入炉温为800℃～900℃的炉子中保温6h～10h，然后随炉冷却至室温，得到退火后TiAl合金板材。
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