CN106270325B - 一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于Ti‑Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，包括以下步骤：(1)包套预处理；(2)将Ti‑Al系金属间化合物坯料表面涂覆高温防氧化涂料；(3)在高温防氧化涂料保持湿润的状态下，将Ti‑Al系金属间化合物坯料装入包套，并在包套与Ti‑Al系金属间化合物坯料之间设置过渡层；(4)将包套焊接密封。与现有技术相比，本发明具有简单易用、生产效率高、劳动强度低，能有效防止Ti‑Al系金属间化合物变形过程中开裂、氧化，并减少坯料在转移过程中热量散失等优点。

Description

一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法
技术领域
本发明属于Ti-Al系金属间化合物的热加工领域，尤其涉及一种适用于难变形合金等温锻造的包套方法和应用，具体涉及一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法。
背景技术
金属间化合物兼具金属的塑性和陶瓷的高温强度，因此，被公认为是介于高温合金和陶瓷之间最有希望的新型高温结构材料，成为近年来重点开发应用的新型高温结构材料。Ti-Al系金属间化合物具有更低的密度、更高的高温性能和抗蠕变性能而备受关注。目前研究主要集中在Ti3Al、TiAl和Ti2AlNb基合金，其中，TiAl密度最低，高温蠕变性能好，但由于其室温塑性及断裂韧性差，限制了其实际应用。Ti3Al和Ti2AlNb基合金室温塑性和强度均高于TiAl，最高使用温度已达800℃，目前已经进入使用阶段。
TiAl基金属间化合物具有低密度、较高弹性模量、良好的高温强度、抗蠕变和抗氧化性能，使用温度可提高至750～900℃与镍基高温合金相近，但密度仅约为镍基高温合金的一半，在一定温度范围内作为高温结构材料是独一无二的，可应用于航空发动机或汽车的高温部件如涡轮盘、叶片、涡轮增压器轮、气门阀等，是极具竞争潜力的下一代航空发动机用结构材料之一。
Ti2AlNb基合金是以正交有序结构O相为基础的金属间化合物，由于长程有序的超点阵结构减弱了位错运动和高温扩散，因此具有较高的比强度、室温塑性、断裂韧性和蠕变抗力，且具有较好的抗氧化性、无磁性等优点，该合金能在700～800℃范围内长时间使用，在高于1100℃的条件下可以短时间使用，是近年来Ti-Al系金属间化合物领域的研究热点。Ti2AlNb基合金的发展目标是替代或部分替代现役的Incorn718、GH4169、In100等镍基高温合金及其他高密度结构材料，通过降低发动机自身的重量来提高推重比和效率，实现性能的提高，是制造发动机压气机机匣、燃烧室机匣、压气机轮盘及叶片等重要部件的主选材料。国外已经应用该合金成功制造了许多航空部件，其中，美国采用Ti2AlNb基合金与铸造TiAl合金叶片组合成功制造了双金属离心叶轮；美国TEXTURE公司以Ti2A1Nb基合金箔材为金属基与SiC纤维增强制做复合村料；我国Ti2AlNb基合金的相关研发工作正从实验室研究向工业化生产及应用过渡，北京钢铁研究总院研制了Ti2AlNb基合金卫星构件、导弹发动机部件及航空发动机机匣，其中导弹发动机部件已通过台架试车；在钣金成形方面，Ti2AlNb基合金成功进行了特定构件超塑成形、热旋压成形、冷冲成形、热模压成形、以及筒形件的冷/热卷成形，其中热模压成形、以及筒形件的冷/热卷成形已应用于实际部件研制。
然而，TiAl、Ti2AlNb基金属间化合物铸态晶粒尺寸较大，室温塑性差、高温变形抗力大，热加工性能较差，通过等温锻造细化显微组织、消除铸态缺陷，是提高Ti-Al系金属间化合物加工性能，改善室温塑性的有效手段，Ti-Al系金属间化合物变形温度范围窄易于开裂。Ti-Al系金属间化合物的热加工温度一般在900～1300℃范围内，在锻造过程中易发生氧化，而且不加包套裸锻过程中，材料容易出现鼓形，上下表面存在难变形区，材料外表面在双向拉应力作用下极易产生裂纹。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单易用、生产效率高、劳动强度低，能有效防止Ti-Al系金属间化合物变形过程中开裂、氧化，并减少坯料在转移过程中热量散失的适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，该方法同样适用于其他难变形合金及高温合金的锻造。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，包括以下步骤：
(1)包套预处理；
(2)将Ti-Al系金属间化合物坯料表面涂覆高温防氧化涂料；
(3)在高温防氧化涂料保持湿润的状态下，将Ti-Al系金属间化合物坯料装入包套，并在包套与Ti-Al系金属间化合物坯料之间设置过渡层；
(4)将包套焊接密封。
所述的包套包括筒体与端盖，包套内表面光滑，所述的筒体与端盖的接触面的边缘分别设有用于焊接的倒角。
所述的筒体的内径与Ti-Al系金属间化合物坯料的直径相匹配，所述的筒体的厚度为坯料直径的1/20～1/5。
所述的包套在等温锻造的温度不大于1000℃时采用低碳钢材质，在等温锻造的温度大于1000℃时采用不锈钢、纯钛或钛合金材质。
所述的钛合金优选Ti-6Al-4V合金。
所述的包套的预处理为先在碱性清洗液中通过超声清洗包套表面，然后使用清水冲洗，并用电热吹风机吹干表面水分。
所述的高温防氧化涂料市售的K-01型高温抗氧化涂料。
所述的过渡层设置在包套顶部与Ti-Al系金属间化合物坯料之间及包套底部与Ti-Al系金属间化合物坯料之间。
所述的过渡层为纸屑或石棉层。
所述的过渡层中还包括石墨粉，所述的石墨粉的粒度为100～300目，质量分数为1～50wt.％。
采用包覆等温锻造，可以避免坯料的氧化发生，且使材料处于三向压应力状态，可防止锻件双鼓形的出现，在较大变形力作用下，能有效地弥合材料内部裂纹，消除内部缺陷。包套锻造可以采用比较高的形变速率并且减少坯料转移过程中温度的散失，避免坯料大量散热使其温度过度降低而难于变形保证等温锻造的温度条件，因此，包套等温锻造Ti-Al系金属间化合物的组织更细、更均匀，包套等温锻造锻造设备要求简单，而且外加的钢包套可以抵消锻造过程产生的二次拉应力，从而避免锻坯开裂。
本发明包套的材质的选择根据等温锻造的温度范围选择，不大于1000℃的温度范围内包套材料选用低碳钢，而大于1000℃的温度范围内包套材质选用不锈钢、纯钛或钛合金(例如Ti-6Al-4V合金)。选用低碳钢和不锈钢作为包套材料的优点在于：(1)低碳钢和不锈钢在锻造过程的温度和压力下不会与坯料发生化学反应或共晶反应，可以防止包套失效而且避免了对坯料造成的污染；(2)锻造过程中，在高温和压力的作用下，低碳钢和不锈钢具有适当的强度和良好的塑性，避免在锻造过程中发生破裂，包套材料良好的塑性可以保证包套与坯料变形的协调性；(3)低碳钢和不锈钢具备良好的焊接性能和切削加工性能，封焊后能保证包套具有良好的气密性且锻造后通过常规的机械切削方法即可使包套和坯料分离，另外价格低廉，减少了制备包套的成本；(4)当等温锻造温度大于1000℃时，也可以选用纯钛或钛合金(例如Ti-6Al-4V合金)。
本发明包套的结构由筒体和端盖两部分组成，包套的筒体与端盖大小根据坯料的具体尺寸而定；其中，筒体直径尺寸与坯料尺寸之间要匹配，留有一定的间隙，方便坯料的装入，考虑到坯料在装入之前还需刷涂料，所以间隙不易过大，考虑到保温及坯料和包套的变形协调性，筒体的厚度为坯料直径的1/20～1/5，刷涂料的坯料滑动进入包套筒体内；另外，筒体与端盖相接触部位的边缘均开有倒角为焊接做准备，优选45°的倒角，与在端面焊接的包套相比，这种结构降低了在锻造过程中的破套的可能性；筒体和端盖均由车削方式加工而成，在保证包套与坯料有良好的尺寸匹配的基础上尽量提高表面光洁度。
包套的预处理，由于包套机加工后的表面并不是绝对光滑的，在表面的凹陷处会残留大量的油污，而普通清洗方法根本不能将所有油污去掉，因此，需要借助超声波在碱性清洗液中清洗包套表面油污，清洗后的包套立即放入清水中冲洗，洗去表面沾着的碱性清洗液。并用电热吹风机吹干表面的水分，防止包套在空气中氧化。
包套的焊接：本发明中包套的密封方法采用氩弧焊接，氩弧焊过程中氩气保护可隔绝空气中氧气、氮气、氢气等对钢包套的不良影响，以得到致密、质量高的焊接接头，保证包套具有良好的密封性；另外，采用氩弧焊方法热影响区窄，应力、变形、裂纹倾向小。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的包套材料采用可焊接及延展性好的低碳钢或不锈钢制作，锻造时包套与坯料变形协调性好不易破套，焊接后包套密封效果好；
(2)由于使用了高温防氧化涂料+低碳钢/不锈钢/纯钛/钛合金两道保护措施，有效防止了坯料在高温变形过程中的氧化，且减少整个包套在转移过程中温度散失，保温效果好；
(3)包套内部放置纸屑及石墨粉末，在高温下纸屑与包套内剩余的气体反应消耗内部气体且石墨在高温下良好的润滑性使变形过程中包套内部的变形程度更趋于均匀合理，本发明通过纸屑及石墨粉末在高温下的作用，从润滑和除气两方面考虑均对坯料变形有益，同时与一般包套方法相比减少了真空除气工序，降低了包套制作的成本、提高生产效率，且锻造后包套与合金易于分离，效果显著。
附图说明：
图1为本发明的包套的组成结构示意图；
图2为本发明焊接密封后的包套结构示意图；
图3为实施例3包套等温锻造去除包套后的TiAl基合金样品照片；
图4为实施例3包套等温锻造去除包套后的TiAl基合金样品侧面的照片；
图5为对比例1裸锻后的TiAl基合金样品的表面大裂纹照片；
图6为对比例1裸锻后的TiAl基合金样品的表面微观裂纹照片。
图中，1为筒体，11为筒体倒角，2为端盖，21为端盖倒角，3为坯料，4为高温防氧化涂料，5为过渡层，6为焊缝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法。本实施方式中的Ti-Al系金属间化合物为Ti2AlNb基合金，包套大小根据坯料3的尺寸而定。本发明的包套具有保温效果、变形协调性好、易于焊接、操作简单易行，并减少了抽真空过程，提高生产效率。包套的结构简单实用，成本低廉、易于操作、可用于Ti2AlNb基合金等温锻造生产，同时也适用于其他难变形合金及高温合金等。具体操作步骤如下：
一、包套制备：坯料3尺寸为Φ60×100mm，考虑到坯料3尺寸、保温及变形协调性包套壁厚选择为10mm。包套材料选用低碳钢，依据设计的尺寸，采用车削加工的方式制作出筒体1及端盖2，在车削时筒体1的内径尺寸与坯料3直径尺寸之间相匹配，保证二者要有一定的间隙，方便坯料3的放入，但间隙不宜过大。筒体1和端盖2的接触面的边缘分别设有用于焊接的筒体倒角11和端盖倒角21。加工完的筒体1及端盖2，如图1所示。
二、包套清洗：筒体1及端盖2制作完成后借助超声波在碱性清洗液中清洗包套表面油污。清洗后的包套立即放入清水中冲洗，洗去表面沾着的碱性清洗液。并用电热吹风机吹干表面的水分，防止包套在空气中氧化。
三、装入坯料：在筒体1底部放入纸屑及少许石墨粉，在放入坯料3前在坯料3表面刷高温防氧化涂料4，在高温防氧化涂料4保持湿润的状态下将坯料3装入筒体1，坯料3完全装入筒体1后在坯料3上表面放置纸屑及石墨粉，然后放置好端盖，包套顶部与坯料3之间及包套底部与坯料3之间的纸屑和石墨粉形成过渡层5。
四、包套焊接：采用氩弧焊接的方法在筒体1与端盖2接触处密封，焊缝6借助与筒体倒角11和断面倒角21，焊接后的包套如图2所示。
五、包套等温锻造实验：包套后进行等温锻造实验，锻造温度范围在900℃～1000℃。
本实施方式步骤一中车削时在保证尺寸准确的同时应尽量降低套筒内部的表面粗糙度。
本实施方式步骤三中通过套筒中的纸屑及石墨粉在高温下反应，可以消除整个包套中的气体，替代了普通包套制备过程中的抽真空工序，另外石墨在高温下又可起到润滑作用。
本实施方式制备的Ti2AlNb基合金等温锻造用包套，有效防止了Ti2AlNb基合金在等温锻造过程中发生开裂、双鼓等缺陷，而且通过高温防氧化涂料和低碳钢两道保护措施避免了高温变形过程中的坯料的氧化，且包套保温效果好；另外放入纸屑及石墨粉通过反应消耗包套中的气体，石墨粉在高温下也起到了润滑作用，相比普通包套过程减少了真空除气工序，降低了包套制作的成本、提高生产效率，效果显著，可直接应用于Ti2AlNb基合金等温锻造生产。
实施例2
一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法。本实施方式中的Ti-Al系金属间化合物为Ti2AlNb基合金，包套大小根据坯料3的尺寸而定。本发明的包套具有保温效果、变形协调性好、易于焊接、操作简单易行，并减少了抽真空过程，提高生产效率。包套的结构简单实用，成本低廉、易于操作、可用于Ti2AlNb基合金等温锻造生产，同时也适用于其他难变形合金及高温合金等。具体操作步骤如下：
一、包套制备：包套可以采用不锈钢、纯钛或钛合金材质，本实施例的坯料3尺寸为Φ60×109mm，考虑到坯料3尺寸、保温及变形协调性包套壁厚选择为10mm。包套材料优选不锈钢，内表面光滑，依据设计的尺寸，采用车削加工的方式制作出筒体1及端盖2，在车削时筒体1的内径尺寸与坯料3直径尺寸之间相匹配，保证二者要有一定的间隙，方便坯料3的放入，但间隙不宜过大。筒体1和端盖2的接触面的边缘分别设有用于焊接的筒体倒角11和端盖倒角21。
二、包套清洗：筒体1及端盖2制作完成后借助超声波在碱性清洗液中清洗包套表面油污。清洗后的包套立即放入清水中冲洗，洗去表面沾着的碱性清洗液。并用电热吹风机吹干表面的水分，防止包套在空气中氧化。
三、装入坯料：在筒体1底部放入纸屑及少许石墨粉，在放入坯料3前在坯料3表面刷高温防氧化涂料4，在高温防氧化涂料4保持湿润的状态下将坯料3装入筒体1，坯料3完全装入筒体1后在坯料3上表面放置纸屑及石墨粉，然后放置好端盖，包套顶部与坯料3之间及包套底部与坯料3之间的纸屑和石墨粉形成过渡层5。
四、包套焊接：采用氩弧焊接的方法在筒体1与端盖2接触处密封，焊缝6借助与筒体倒角11和断面倒角21。
五、包套等温锻造实验：包套后进行等温锻造实验，锻造温度范围在1000℃以上。
本实施方式步骤一中车削时在保证尺寸准确的同时应尽量降低套筒内部的表面粗糙度。
本实施方式步骤三中通过套筒中的纸屑及石墨粉在高温下反应，可以消除整个包套中的气体，替代了普通包套制备过程中的抽真空工序，另外石墨在高温下又可起到润滑作用。
本实施方式制备的Ti2AlNb基合金等温锻造用包套，有效防止了Ti2AlNb基合金在等温锻造过程中发生开裂、双鼓等缺陷，而且通过高温防氧化涂料和不锈钢两道保护措施避免了高温变形过程中的坯料的氧化，且包套保温效果好；另外放入纸屑及石墨粉通过反应消耗包套中的气体，石墨粉在高温下也起到了润滑作用，相比普通包套过程减少了真空除气工序，降低了包套制作的成本、提高生产效率，效果显著，可直接应用于Ti2AlNb基合金等温锻造生产。
实施例3
一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法。本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施方式中的Ti-Al系金属间化合物为TiAl基合金，本实施例的等温锻造工艺参数为：坯料温度1200℃/2.5h，模具温度950℃，等温锻造应变速率为1×10-2s-1，变形量60％，等温锻造后，带包套的坯料经过1100℃/10h退火。等温锻造去除包套后的样品的照片如图3和图4所示。由图3和图4可以，一步包套等温锻造后，TiAl基合金样品表面质量较好，没有微裂纹产生。
对比例1
本实施方式中的Ti-Al系金属间化合物为TiAl基合金，采用的等温锻造方法为裸锻，裸锻后的TiAl基合金的样品照片如图5和图6所示。由图5可见，未加包套等温锻造后，坯料出现严重的开裂现象。由图6可见，未加包套等温锻造后，坯料没有包套的约束，表面出现明显的微裂纹现象。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的筒体1的厚度为坯料直径的1/5。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的筒体1的厚度为坯料直径的1/20。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的高温抗氧化涂料选用市售的K-01型高温抗氧化涂料。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的筒体倒角11和端盖倒角21均为45°倒角。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的过渡层5为石棉层。
实施例9
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的过渡层5为石棉层，该石棉层中含有质量分数为1wt.％的石墨粉，石墨粉的粒度为100～200目。
实施例10
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的过渡层5为纸屑层，该纸屑层中含有质量分数为50wt.％的石墨粉，石墨粉的粒度为200～300目。
实施例11
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的过渡层5为纸屑层，该纸屑层中含有质量分数为10wt.％的石墨粉，石墨粉的粒度为200～300目。

Claims (7)

1.一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)包套预处理；
(2)将Ti-Al系金属间化合物坯料表面涂覆高温防氧化涂料；
(3)在高温防氧化涂料保持湿润的状态下，将Ti-Al系金属间化合物坯料装入包套，并在包套与Ti-Al系金属间化合物坯料之间设置过渡层；
(4)将包套焊接密封；
所述的过渡层为纸屑层和石墨粉，所述的石墨粉的粒度为100～300目，质量分数为1～50wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，其特征在于，所述的包套包括筒体与端盖，包套内表面光滑，所述的筒体与端盖的接触面的边缘分别设有用于焊接的倒角。
3.根据权利要求2所述的一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，其特征在于，所述的筒体的内径与Ti-Al系金属间化合物坯料的直径相匹配，所述的筒体的厚度为坯料直径的1/20～1/5。
4.根据权利要求1所述的一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，其特征在于，所述的包套在等温锻造的温度不大于1000℃时采用低碳钢材质，在等温锻造的温度大于1000℃时采用不锈钢、纯钛或钛合金材质。
5.根据权利要求1所述的一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，其特征在于，所述的包套的预处理为先在碱性清洗液中通过超声清洗包套表面，然后使用清水冲洗，并用电热吹风机吹干表面水分。
6.根据权利要求1所述的一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，其特征在于，所述的高温防氧化涂料选用市售的K-01型高温抗氧化涂料。
7.根据权利要求1所述的一种适用于Ti-Al系金属间化合物等温锻造的包套方法，其特征在于，所述的过渡层设置在包套顶部与Ti-Al系金属间化合物坯料之间及包套底部与Ti-Al系金属间化合物坯料之间。
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