CN107952922B - 一种TiAl合金开坯锻造的方法 - Google Patents

一种TiAl合金开坯锻造的方法 Download PDF

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Abstract

一种TiAl合金开坯锻造的方法，通过控制变形温度、压机压下速率、变形量等工艺参数，使得原始组织中的片层发生破碎、球化。同时充分利用了锻后保温过程发生的亚动态再结晶现象，锻后对锻饼保温，充分将锻造过程中锻饼所储存的能量转化为了组织发生亚动态再结晶的驱动力，从而使得组织均匀性较好，获得组织均匀细小的锻饼。当铸锭高径比h:d>2:1时，与传统的沿铸锭轴向方向进行开坯锻造的方法相比，本发明不会出现双鼓肚现象，从而不会限制铸锭的高径比h:d≤2:1，可以对任意高径比的TiAl合金铸锭进行开坯锻造，从而节约开坯锻造成本。

Description

一种TiAl合金开坯锻造的方法
技术领域
本发明涉及金属间化合物锻造领域，具体来说是一种TiAl合金开坯锻造的方法。
背景技术
随着航空航天领域的高速发展，对在航空航天领域使用的材料提出了更高的要求，因此，具有轻质、耐高温以及良好的力学性能等特点的金属材料成为重要的发展方向。作为一种金属间化合物合金，TiAl合金的使用温度可以达到700-850℃，且其具有低密度、高比强度、良好的高温抗氧化性以及抗蠕变性等特点，被认为是极具应用潜力的轻质高温结构金属材料。
锻造工艺作为合金铸锭开坯锻造的一种重要工艺，可以消除铸锭缺陷(如：缩孔、缩松等)，改善合金组织。但由于TiAl合金具有本征脆性，其热加工窗口较窄，在传统的一次锻造过程中，铸锭容易出现开裂现象，限制了TiAl合金的应用。并且在锻造过程中，锻机压头和锻饼两端之间存在摩擦，使得铸锭变形不均匀，从而导致锻后的锻饼微观组织不均匀。因此，常采用“少量多次”的锻造方法来进行TiAl合金的开坯锻造——即多道次锻造。多道次锻造可以分为锻造和锻后保温两个过程。在锻造过程中，TiAl合金的原始片层组织会发生破碎，并且会发生动态再结晶行为，使得组织球化、均匀。而在锻后的保温过程中，TiAl合金会发生亚动态再结晶行为，使得锻饼组织进一步均匀。通过制定恰当的开坯锻造工艺，充分利用多道次锻造过程发生的动态再结晶以及亚动态再结晶现象，可以获得组织均匀细小的TiAl合金锻饼。因此，国内外学者对TiAl合金锻造过程作出了大量研究。
通过专利检索发现，一种TiAl合金等温锻造的方法已被吕维洁等人在公开发明专利(公开号为102312181B)中提出。该专利通过对无缺陷TiAl合金在1150℃～1250℃保温2～2.5小时，然后将其沿着材料轴向方向进行等温锻造，初次变形量控制在5％以内，反复压制2次后回炉加热，在1150℃～1250℃保温0.5～1小时后，重复上述锻造过程，直至得到预设厚度的板状TiAl合金。该方法能成型TiAl合金板材，沿材料轴向方向进行等温锻造，每道次变形量为5％。此外，在我们之前所申请的专利《近β钛合金Ti-7333的开坯锻造方法》(专利号为201410093017.6)中，介绍了一种“两镦两拔”的开坯锻造工艺，但由于开辟锻造过程中含有沿轴向方向的锻造过程，因此，限制了坯料高度与直径之比＜2:1。而本专利每道次的锻造变形量远大于5％，且锻造方向为沿铸锭直径方向，不限制铸锭的高径比。
通过文献检索发现，Fantao Kong等人在1230℃，应变速率为0.01s-1-0.1s-1条件下，对Φ60×100mm的铸锭进行了变形量为75％的锻造变形，最终获得了组织均匀的锻饼，且晶粒尺寸在10-20μm之间(Fantao Kong,Yuyong Chen,Deliang Zhang,ShuzhiZhang.High temperature deformation behavior of Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.2Y alloy,Materials Science and Engineering A,539(2012)107-114)。而H.Z.Niu等人在1200℃，应变速率为0.01s-1的条件下，对尺寸Φ115×160mm的TiAl合金铸锭进行两道次锻造(第一次变形前保温2h，第二次变形前回炉保温20min)，最终获得了尺寸为Φ350×20mm的大型锻饼(H.Z.Niu,Y.F.Chen,Y.S.Zhang,J.W.Lu,W.Zhang,P.X.Zhang.Phase transformationand dynamic recrystallization behavior of aβ-solidifyingγ-TiAl alloy and itswrought microstructure control,Materials and Design,90(2016)196-203.)。BinTang等人通过对TiAl合金铸锭(尺寸为Φ60×50mm)进行多道次、多方向锻造(沿铸锭长度方向和直径方向)，最终获得了组织均匀的TiAl合金锻饼(Bin Tang,Liang Cheng,Hongchao Kou,Jinshan Li.Hot forging design and microstructure evolution of ahigh Nb containing TiAl alloy,Intermetallics,58(2015)7-14.)。其工艺为：在1300℃保温1h，然后转移到630t液压机上进行开坯锻造，压头下压速率为20mm/s，每道次变形量为15～40％，每道次压缩结束后，回炉保温5min，最终采用炉冷的方式冷却至室温。从上述文献可知，虽然目前对TiAl合金锻造的研究比较多，且已能获得组织均匀性较好的TiAl合金锻饼，但其原始铸锭尺寸的高径比均低于2:1。这是因为在其锻造过程中，均存在沿铸锭长度方向的锻造过程，从而限制了原始铸锭的高径比h:d≤2:1，若高径比超过2:1，则锻饼会出现“双鼓肚”现象，且目前的研究中道次间保温时间较短，没有充分利用道次间保温对开坯锻造的作用。因此，需要一种充分利用保温过程来细化、均匀锻饼组织，且不会限制原始铸锭的高径比的锻造工艺方法。
发明内容
为了能对任意高径比的大尺寸TiAl合金铸锭进行开坯锻造，并充分利用锻造过程锻饼所储存的能量，使锻饼在保温过程充分发生亚动态再结晶现象，获得组织均匀性好的锻饼，本发明提出了一种TiAl合金开坯锻造的方法。
本发明的具体过程是：
第一步，锻前准备。所述的锻前准备包括制备铸锭和对该铸锭进行包套。
所述的制备铸锭是从热等静压后的铸锭中加工出铸锭。
铸锭与包套之间有3mm的间隙。
第二步，铸锭加热。将装配好的铸锭随电阻炉升温至1180℃～1250℃，升温速率为10℃/min，铸锭随炉升温至目标温度后，保温2小时。
第三步，开坯锻造。
通过锻造与保温对铸锭进行开坯锻造。所述的开坯锻造过程为三个道次。
在完成上述开坯锻造过程后，去除包套，取出锻饼，完成TiAl合金的开坯锻造。
所述开坯锻造的具体过程是：
锻造：将保温后的铸锭转移到压缩机上并固定。启动压缩机，使压缩机的压头沿铸锭直径方向进行开坯锻造。压缩机的压下速率为0.5mm/s～1mm/s。当所述铸锭的变形量达到25％～40％时，停止锻造。
保温：锻造结束后，将铸锭转移至电阻炉内，在1180℃～1250℃下保温90min。
所述的锻造与保温过程为一个道次。
保温结束后，将回炉保温后的铸锭转移到压缩机上，并将铸锭沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造与保温过程，进行第二道次。
第二道次结束后，将铸锭继续沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造过程，进行第三道次变形。当第三道次变形结束后得到锻饼。
将得到的锻饼转移至电阻炉内，在1180℃～1250℃下保温60min后随炉冷却至800℃。取出锻饼，采用保温棉包裹锻饼冷却至室温。
所述TiAl合金的名义成分为Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.2B或Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.2B或Ti-48Al-2Nb-2Cr。
本发明采用沿铸锭直径方向进行开坯锻造的方法，与传统采用的沿铸锭轴向方向进行开坯锻造的方法相比，当铸锭高径比h:d>2:1时，本发明所采用的方法不会出现双鼓肚现象，从而不会限制铸锭的高径比h:d≤2:1，可以对任意高径比的TiAl合金铸锭进行开坯锻造，从而节约开坯锻造成本。本发明通过控制开坯锻造过程的变形温度、压机压下速率、变形量等工艺参数，使得原始组织中的片层发生破碎、球化。同时，本发明充分利用了锻后保温过程发生的亚动态再结晶现象，锻后对锻饼保温一定时间，充分将锻造过程中锻饼所储存的能量转化为了组织发生亚动态再结晶的驱动力，而亚动态再结晶现象的发生，会导致残余片层发生分解，减少锻饼各个部位的组织中的残余片层，从而使得组织均匀性较好，获得组织均匀细小的锻饼，如图1所示。本发明获得细小均匀组织的原理在于充分利用锻造过程的动态再结晶现象和锻后保温过程的亚动态再结晶现象。
附图说明
图1是锻饼不同锻压面的微观组织，其锻造工艺为1200℃，压机速率为0.5mm/s，每次变形量为30％的。(a)两次锻压面的微观组织；(b)一次锻压面的微观组织；(c)无锻压面的微观组织。
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种TiAl合金开坯锻造的方法。
本实施实例所述的TiAl合金为TNM合金，其名义成分为Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.2B，所述成分为原子百分比，所采用的铸锭尺寸为Φ50×120mm。
本实施例所述的具体过程如下：
第一步，锻前准备。所述的锻前准备包括制备铸锭和对该铸锭进行包套。
从热等静压后的铸锭中加工出尺寸为Φ50×120mm的铸锭，保证铸锭表面质量良好、无缺陷。对铸锭进行包套，装配后的铸锭与包套之间有3mm的间隙，用于填充保温棉；所述的包套材料为不锈钢，厚度为10mm。用保温棉填充包套与铸锭之间的3mm间隙后，采用氩弧焊连接包套。
第二步，铸锭加热。将装配好的铸锭随电阻炉升温至1200℃，升温速率为10℃/min，铸锭随炉升温至目标温度后，保温2小时。
第三步，开坯锻造。
所述开坯锻造的具体过程是：
锻造：快速将保温后的铸锭转移到压缩机上，采用夹具固定铸锭，以防铸锭滚动。启动压缩机，使压缩机的压头沿铸锭直径方向进行开坯锻造。压缩机的压下速率为0.5mm/s。当所述铸锭的变形量达到30％时，停止锻造。
保温：锻造结束后，迅速将铸锭转移至电阻炉内，在1200℃下保温90min。
所述的锻造与保温过程为一个道次。
保温结束后，迅速将回炉保温后的铸锭转移到压缩机上，并将铸锭沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造与保温过程，进行第二道次。
第二道次结束后，将铸锭继续沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造过程，进行第三道次变形。当第三道次变形结束后得到锻饼。
将得到的锻饼转移至电阻炉内，在1200温℃下保温60min后随炉冷却至800℃。取出锻饼，采用保温棉包裹锻饼冷却至室温。
在完成上述开坯锻造过程后，去除包套，取出锻饼，完成TiAl合金的开坯锻造。将锻饼取出后，在其不同部位取样，进行微观组织观察，发现1次锻压面，2次锻压面以及无锻压面的组织类型非常近似，大部分原始片层发生破碎、球化，只有少量的残余片层存在，且这些残余片层内部也已开始发生破碎，如图1所示，锻饼组织均匀性好。
实施例二
本实施例是一种TiAl合金开坯锻造的方法。
本实施实例所述的TiAl合金名义成分为Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.2B，所述成分为原子百分比，所采用的铸锭尺寸为Φ50×120mm。
本实施例所述的具体过程如下：
第一步，锻前准备。所述的锻前准备包括制备铸锭和对该铸锭进行包套。
从热等静压后的铸锭中加工出尺寸为Φ50×120mm的铸锭，保证铸锭表面质量良好、无缺陷。对铸锭进行包套，装配后的铸锭与包套之间有3mm的间隙，用于填充保温棉；所述的包套材料为不锈钢，厚度为10mm。用保温棉填充包套与铸锭之间的3mm间隙后，采用氩弧焊连接包套。
第二步，铸锭加热。将装配好的铸锭随电阻炉升温至1250℃，升温速率为10℃/min，铸锭随炉升温至目标温度后，保温2小时。
第三步，开坯锻造。
所述开坯锻造的具体过程是：
锻造：快速将保温后的铸锭转移到压缩机上，采用夹具固定铸锭，以防铸锭滚动。启动压缩机，使压缩机的压头沿铸锭直径方向进行开坯锻造。压缩机的压下速率为1mm/s。当所述铸锭的变形量达到40％时，停止锻造。
保温：锻造结束后，迅速将铸锭转移至电阻炉内，在1200℃下保温60min。
所述的锻造与保温过程为一个道次。
保温结束后，迅速将回炉保温后的铸锭转移到压缩机上，并将铸锭沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造与保温过程，进行第二道次。
第二道次结束后，将铸锭继续沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造过程，进行第三道次变形。当第三道次变形结束后得到锻饼。
将得到的锻饼转移至电阻炉内，在1250温℃下保温60min后随炉冷却至800℃。取出锻饼，采用保温棉包裹锻饼冷却至室温。
在完成上述开坯锻造过程后，去除包套，取出锻饼，完成TiAl合金的开坯锻造。
将锻饼取出后，在其不同部位取样，进行微观组织观察，发现各个部位的微观组织均比较类似，原始片层发生充分破碎，锻饼组织的均匀性好。
实施例三
本实施例是一种TiAl合金开坯锻造的方法。
本实施实例所述的TiAl合金名义成分为Ti-48Al-2Nb-2Cr，所述成分为原子百分比，所采用的铸锭尺寸为Φ50×120mm。
本实施例所述的具体过程如下：
第一步，锻前准备。所述的锻前准备包括制备铸锭和对该铸锭进行包套。
从热等静压后的铸锭中加工出尺寸为Φ50×120mm的铸锭，保证铸锭表面质量良好、无缺陷。对铸锭进行包套，装配后的铸锭与包套之间有3mm的间隙，用于填充保温棉；所述的包套材料为不锈钢，厚度为10mm。用保温棉填充包套与铸锭之间的3mm间隙后，采用氩弧焊连接包套。
第二步，铸锭加热。将装配好的铸锭随电阻炉升温至1180℃，升温速率为10℃/min，铸锭随炉升温至目标温度后，保温2小时。
第三步，开坯锻造。
所述开坯锻造的具体过程是：
锻造：快速将保温后的铸锭转移到压缩机上，采用夹具固定铸锭，以防铸锭滚动。启动压缩机，使压缩机的压头沿铸锭直径方向进行开坯锻造。压缩机的压下速率为0.8mm/s。当所述铸锭的变形量达到25％时，停止锻造。
保温：锻造结束后，迅速将铸锭转移至电阻炉内，在1180℃下保温120min。
所述的锻造与保温过程为一个道次。
保温结束后，迅速将回炉保温后的铸锭转移到压缩机上，并将铸锭沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造与保温过程，进行第二道次。
第二道次结束后，将铸锭继续沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造过程，进行第三道次变形。当第三道次变形结束后得到锻饼。
将得到的锻饼转移至电阻炉内，在1180温℃下保温60min后随炉冷却至800℃。取出锻饼，采用保温棉包裹锻饼冷却至室温。
在完成上述开坯锻造过程后，去除包套，取出锻饼，完成TiAl合金的开坯锻造。
将锻饼取出后，在锻饼各个锻面取样，进行微观组织观察，发现各个锻面的组织中几乎没有残余片层，组织形貌为典型的等轴状，组织均匀性较好。

Claims (4)

1.一种TiAl合金开坯锻造的方法，其特征在于，具体过程是：
第一步，锻前准备；所述的锻前准备包括制备铸锭和对该铸锭进行包套；
第二步，铸锭加热；将装配好的铸锭随电阻炉升温至1180℃～1250℃，升温速率为10℃/min，铸锭随炉升温至目标温度后，保温2小时；
第三步，开坯锻造；
通过锻造与保温对铸锭进行开坯锻造；所述的开坯锻造过程为三个道次。
所述开坯锻造的具体过程是：
锻造：将保温后的铸锭转移到压缩机上并固定；启动压缩机，使压缩机的压头沿铸锭直径方向进行开坯锻造；压缩机的压下速率为0.5mm/s～1mm/s；当所述铸锭的变形量达到25％～40％时，停止锻造；
保温：锻造结束后，将铸锭转移至电阻炉内，在1180℃～1250℃下保温90min；
所述的锻造与保温过程为一个道次；
保温结束后，将回炉保温后的铸锭转移到压缩机上，并将铸锭沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造与保温过程，进行第二道次；
第二道次结束后，将铸锭继续沿圆周方向旋转90°，重复所述的锻造过程，进行第三道次变形；当第三道次变形结束后得到锻饼；
将得到的锻饼转移至电阻炉内，在1180℃～1250℃下保温60min后随炉冷却至800℃；取出锻饼，采用保温棉包裹锻饼冷却至室温；
在完成上述开坯锻造过程后，去除包套，取出锻饼，完成TiAl合金的开坯锻造；
2.如权利要求1所述的TiAl合金开坯锻造的方法，其特征在于，所制备的待压的铸锭是从热等静压后的铸锭中加工出待压铸锭。
3.如权利要求1所述的TiAl合金开坯锻造的方法，其特征在于，待压铸锭与包套之间有3mm的间隙。
4.如权利要求1所述的TiAl合金开坯锻造的方法，其特征在于，所述TiAl合金的名义成分或者为Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.2B或Ti-48Al-2Nb-2Cr。
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