CN107699831A - 基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属间化合物材料板材制造领域，特别涉及一种基于复合包套结构设计的TiAl合金板材轧制方法，通过真空自耗电弧熔炼获得TiAl合金铸锭，对其进行退火、切割和打磨后获得轧制用坯料；选取化学稳定兼具隔热效果的内层包套材料、高温强度良好的外层包套材料以及接触界面的防氧化涂料/隔离金属，通过复合结构、层厚比设计后进行封焊，获得复合包套板坯。对铸态TiAl合金进行包套轧制，通过对轧制温度、道次变形量和轧制速度等工艺参数的调控，最终获得目标尺寸的高质量TiAl合金薄板。本发明提高包套轧制板坯的变形匹配性和稳定性、降低变形应力，直接进行铸态TiAl合金高质量薄板的制备，工艺简单稳定，有效提高生产效率并降低板材成本。
Description
技术领域
本发明属于金属间化合物材料板材制造领域，特别涉及一种基于复合包套结构设计的TiAl合金板材轧制方法。
背景技术
TiAl合金具有密度低、良好的高温强度、以及高温抗氧化和抗蠕变性能优异等特点，是一种极具潜力的新型轻质耐高温结构材料。TiAl合金板材可用于制备高性能发动机的喷嘴、超高速飞行器的热防护系统以及翼、壳体等部位，在汽车、航空航天等领域具有广泛应用，能够有效实现结构减重、降低能源消耗并大幅提升发动机的工作效率。然而，TiAl合金存在本质脆性，室温塑性低、高温变形能力差、高温抗氧化能力不足，严重制约着TiAl合金的热加工成形以及大尺寸板材制备。TiAl合金板材制备技术已成为国内外轻质高温结构材料的研究前沿和关注焦点。
目前，TiAl合金板材主要采用等温热轧和包套轧制的方法进行制备。其中，包套轧制在传统轧机上即可实现难变形金属板材的制备，能够有效解决TiAl合金轧制变形中的热量损失、表面氧化和裂纹扩展等问题，是一种应用广泛的低成本、高效的板材制备方法。通过包套材料的选择与包套结构设计，可实现协调变形和降低变形应力的作用，从而决定包套轧制过程的质量。然而，TiAl合金存在高活性特点，在高温和变形应力作用下与大多数金属材料发生剧烈界面反应，引起板材开裂。同时，在薄板制备阶段，强烈的散热过程导致TiAl板材存在较高的变形应力和应变敏感性，加工工艺极其苛刻，轧制板材容易发生破坏，大尺寸高质量TiAl合金薄板无法制备。因此，受限于包套材料选择和包套结构的稳定性，TiAl合金轧制板材过程中容易出现热裂纹、边裂和横断裂纹等缺陷，板材制备成品率较低，大尺寸薄板材较难获得，需要解决界面反应、薄板散热、包套变形协调性和结构稳定性等关键难题。
除此之外，包套轧制TiAl合金板材制备中通常采用具有良好变形能力的热加工铸锭或者预置合金化的粉末件作为原始坯料。上述过程往往需要热等静压、预置包套锻造和板坯切割处理等，工序复杂，生产率较低，同时导致TiAl合金板材价格昂贵。因此，在包套轧制工艺的基础上，实现铸态TiAl合金的直接轧制板材制备具有现实意义。
发明内容
本发明提供一种基于复合包套结构设计的直接轧制铸态TiAl合金板材的方法，解决TiAl金属间化合物材料薄板材难以制备的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，按照以下步骤进行：
步骤1，坯料的制备：通过真空自耗电弧熔炼获得TiAl合金铸锭，进行退火处理；采用电火花线切割获得板形坯料，经机械打磨处理后作为轧制用母材；
步骤2，复合包套板坯制备：将TiAl板坯表面均匀覆盖防氧化/润滑涂层，选取化学稳定并具有隔热效果的金属材料作为内层包套，进行TiAl板坯的整体包覆封焊；选取高温强度良好的金属材料作为外层包套，同时外层包套和内层包套间采用隔离涂层或隔离金属进行填充，固定上下轧制面的外层包套，最终获得复合包套结构的TiAl合金板坯；
步骤3，包套轧制：将步骤2中获得的复合包套TiAl合金坯料放入炉中，加热到预定温度1150～1300℃后保温20～40min，采用预设的轧制工艺进行轧制，每道次回炉保温4～6min，轧制到预定变形量后随炉冷却；
步骤4，轧制板坯处理：采用磨削加工的方法去除步骤3获得的TiAl合金板材表面包套层，将得到的TiAl合金板材放入炉中静置矫平，获得厚度规格为1～2mm厚的TiAl合金薄板材。
所述的步骤1中，TiAl合金铸锭是通过真空自耗电弧熔炼经过2～4次重熔，获得成分和组织均匀铸锭，随后进行均匀化退火处理。
所述的步骤1中，经机械打磨处理后，使表面光洁度达到Ra6～Ra8，再进行倒角处理。
所述的步骤2中，内层包套材料为纯钛或钛合金，厚度为1～10mm。
所述的步骤2中，外层包套材料为耐高温不锈钢或高温合金，厚度为1～10mm。
所述的步骤2中，TiAl板坯表面的防氧化/润滑涂层选择为耐热玻璃涂层或者石墨纸。
所述的步骤2中，内外层包套之间的隔离/润滑金属材料选择为石墨纸、Mo片或者Nb片，厚度为0.1～2mm。
所述的步骤2中，内层包套采用真空电子束进行封焊，外层包套采用边部部分封焊固定。
所述的步骤3中，轧制速度为0.02m/s～0.4m/s，道次变形量为4％～20％，轧制后板材放置在加热炉中随炉冷却。
所述的步骤4中，去除包套的TiAl合金板材放入惰性气氛保护或真空炉中静置矫平，矫平温度为1000～1100℃，保温时间为20～40min，获得厚度规格为1～2mm厚的TiAl合金薄板材。
本发明优点及有益效果是：
1、本发明提供一种基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材的方法，通过包套材料的选择和结构设计，有效提高包套轧制板坯的变形匹配性和稳定性、降低变形应力，消除板材的热裂纹、边裂和横断裂纹等缺陷，获得TiAl合金高质量薄板的制备，同时进行铸态TiAl合金板坯的直接包套热轧，显著提高生产效率，降低板材成本。
2、本发明可直接进行铸态TiAl合金高质量薄板的制备，其工艺简单、稳定，可有效实现TiAl合金高质量、低成本薄板的制备。
附图说明
图1为是本发明采用实施例1中制备的TiAl合金板材的横截面宏观组织照片。
图2为是本发明采用实施例1制备的TiAl合金板材的横截面分层说明。
图3为是本发明采用实施例1制备的TiAl合金板材的微观组织照片。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明进行复合包套结构设计，包括板坯防氧化涂层、内层和外层包套材料选择、隔离/润滑材料以及包套结构的层厚比设计，通过真空自耗电弧熔炼获得TiAl合金铸锭，对其进行退火、切割和打磨后获得轧制用坯料；进行复合包套结构板坯制备，选取化学稳定兼具隔热效果的内层包套材料、高温强度良好的外层包套材料以及接触界面的防氧化涂料/隔离金属，通过复合结构、层厚比设计后进行封焊，获得复合包套板坯。在此基础上，对铸态TiAl合金进行包套轧制，通过对轧制温度、道次变形量、轧制速度等工艺参数的调控，最终获得目标尺寸的高质量TiAl合金薄板。具体包括以下步骤：
步骤1坯料的制备：通过真空自耗电弧熔炼，经过三次重熔获得TiAl合金铸锭，随后进行均匀化退火处理。采用电火花线切割获得板形坯料，经机械打磨处理后，使表面光洁度达到Ra6～Ra8，再进行倒角处理，作为轧制用母材。
步骤2复合包套板坯制备：
将TiAl板坯表面均匀覆盖耐热玻璃涂层/石墨纸用作防氧化/润滑涂层。
选取化学稳定并具有隔热效果的金属材料(纯钛或钛合金)作为内层包套，厚度为1～10mm；内层包套具有防止热流散失、界面反应和表面氧化作用，其中厚度太薄容易导致防护性能变差以及轧制中包套结构不稳定，厚度太厚使得轧制时间过长以及轧制工艺较难制定。
进行TiAl板坯的整体包覆封焊，封焊方法采用真空电子束焊，保证在高温轧制过程中包套结构的稳定性以及高温防氧化作用。
选取良好高温强度的金属材料(耐高温不锈钢或高温合金)作为外层包套，厚度为1～10mm；外层包套具有协调变形、降低变形应力和抑制裂纹产生的作用，其中厚度太薄使得协调变形能力较差，厚度太厚使得板材轧制变形量无法控制。
同时外层包套和内层包套间采用隔离/润滑金属材料进行填充，填充材料选择为石墨纸、Mo片或者Nb片。组合封焊上下轧制面的外层包套，最终获得复合包套结构的TiAl合金板坯。
步骤3包套轧制：将步骤2中获得的复合包套TiAl合金坯料放入炉中，加热到预定温度1150～1250℃后保温，保温时间为30min。取出后在传统轧机上进行轧制，轧制速度为0.05m/s～0.4m/s，道次变形量为4％～20％，每道次回炉保温，保温时间为5min。最终轧制板材放置在加热炉中随炉冷却。
步骤4轧制板坯去除包套及矫平：采用磨削加工的方法去除步骤3获得的TiAl合金板材表面包套层，将得到的TiAl合金板材放入惰性气体气氛保护或真空炉中静置矫平，矫平温度为1050℃，保温时间为30min，获得厚度规格为1～2mm厚的TiAl合金薄板材。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1：
本实施例中，基于复合包套结构设计的直接轧制铸态TiAl合金板材的方法，具体方法如下：
坯料的制备：采用真空自耗电弧熔炼获得TiAl合金铸锭，采用电火花线切割的方法获得10mm厚的方形坯料，经机械打磨表面光洁度为Ra7后，获得TiAl合金轧制用坯料；
包套的制作：首先在TiAl合金表面均匀覆盖耐热玻璃防氧化涂层，厚度为0.2mm；然后将采用TC4钛合金作为内层包套材料通过真空电子束焊机进行封焊，得到内层包套；在内层包套两侧放置隔离金属板(如：Mo片，厚度为0.3mm)后进行外层包套制作；外层包套材料选择为2520不锈钢并进行封焊，最终包套材料单侧厚度为8mm。
包套轧制：将得到的复合包套TiAl合金坯料随炉加热至1150℃，保温30min，取出后进行轧制，轧制速度为0.05m/s，道次变形量为5％～8％，道次回炉保温5min，最终总变形量为80％。
去除包套并板材矫平：采用机加工的方法去除轧制后TiAl合金板材表面的包套材料，将得到的TiAl合金板材放入氩气气氛保护炉中静置矫平，矫平温度为1050℃，保温时间为30min，以获得平直的TiAl合金板材；
本实施例得到的未去除隔离材料与钛合金包套时的TiAl合金板材横截面形貌和结合层情况说明分别如图1和图2所示，最外层2520不锈钢在包套轧制后未与内部结合，全部脱落，剩余板材厚度为3.5～4mm，芯部TiAl合金板材厚度为1.5～1.6mm，表面平整度良好，无裂纹缺陷且微观组织均匀细小，如图3所示。
本实施例提供铸态TiAl合金薄板制备的包套结构设计方法，可以有效降低变形抗力和裂纹缺陷，提高包套结构的保温作用和结构稳定性，使包套轧制铸态TiAl合金薄板的制备成功率大幅提升。
实施例2：
与实施例1不同的是：本实施例中，选用的内层、外层包套材料分别为纯钛与镍基高温合金，轧制及保温温度为1250℃，轧制速度为0.1m/s，道次变形量为10％～15％。其它加工步骤及工艺参数与实施例一相同。最终总变形量为90％，所获得TiAl合金板材厚度为1～1.1mm，表面平整度良好，无裂纹缺陷。
实施例3：
与实施例1不同的是：本实施例中，步骤2中选用的内层、外层包套材料分别为纯钛与2520不锈钢，TiAl合金表面及内外包套层间均匀覆盖石墨纸润滑层。其它加工步骤及工艺参数与实施例一相同。所获的TiAl合金板材厚度为1～1.1mm，表面平整度良好，无裂纹缺陷。
实施例结果表明，本发明基于复合包套结构设计的直接轧制铸态TiAl合金板材的方法，对铸态TiAl合金板坯进行直接包套热轧，有效协调轧制变形和降低变形应力，消除板材的热裂纹、边裂和横断裂纹等缺陷，提高生产效率并降低板材成本，获得厚度规格为1～2mm的高质量TiAl合金板材。
Claims (10)
1.一种基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1，坯料的制备：通过真空自耗电弧熔炼获得TiAl合金铸锭，进行退火处理；采用电火花线切割获得板形坯料，经机械打磨处理后作为轧制用母材；
步骤2，复合包套板坯制备：将TiAl板坯表面均匀覆盖防氧化/润滑涂层，选取化学稳定并具有隔热效果的金属材料作为内层包套，进行TiAl板坯的整体包覆封焊；选取高温强度良好的金属材料作为外层包套，同时外层包套和内层包套间采用隔离涂层或隔离金属进行填充，固定上下轧制面的外层包套，最终获得复合包套结构的TiAl合金板坯；
步骤3，包套轧制：将步骤2中获得的复合包套TiAl合金坯料放入炉中，加热到预定温度1150～1300℃后保温20～40min，采用预设的轧制工艺进行轧制，每道次回炉保温4～6min，轧制到预定变形量后随炉冷却；
步骤4，轧制板坯处理：采用磨削加工的方法去除步骤3获得的TiAl合金板材表面包套层，将得到的TiAl合金板材放入炉中静置矫平，获得厚度规格为1～2mm厚的TiAl合金薄板材。
2.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤1中，TiAl合金铸锭是通过真空自耗电弧熔炼经过2～4次重熔，获得成分和组织均匀铸锭，随后进行均匀化退火处理。
3.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤1中，经机械打磨处理后，使表面光洁度达到Ra6～Ra8，再进行倒角处理。
4.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤2中，内层包套材料为纯钛或钛合金，厚度为1～10mm。
5.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤2中，外层包套材料为耐高温不锈钢或高温合金，厚度为1～10mm。
6.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤2中，TiAl板坯表面的防氧化/润滑涂层选择为耐热玻璃涂层或者石墨纸。
7.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤2中，内外层包套之间的隔离/润滑金属材料选择为石墨纸、Mo片或者Nb片，厚度为0.1～2mm。
8.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤2中，内层包套采用真空电子束进行封焊，外层包套采用边部部分封焊固定。
9.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤3中，轧制速度为0.02m/s～0.4m/s，道次变形量为4％～20％，轧制后板材放置在加热炉中随炉冷却。
10.根据权利要求1所述的基于复合结构设计的包套轧制铸态TiAl合金板材方法，其特征在于，所述的步骤4中，去除包套的TiAl合金板材放入惰性气氛保护或真空炉中静置矫平，矫平温度为1000～1100℃，保温时间为20～40min，获得厚度规格为1～2mm厚的TiAl合金薄板材。
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