CN108220681B - 一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法 - Google Patents

一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,首先,按照42%~44%Al、1%~3%Cr、0.5%~1%Mo、0.1%~0.5%B,余量为Ti,制备合金铸锭;然后,将合金铸锭进行均匀化处理和热等静压处理后进行切割包套;最后,将包套后的TiAl合金铸锭在液压机上进行多向锻造。本发明解决了现有TiAl合金在单向锻造时变形不均匀、锻坯组织和性能各向异性强、合金热加工性能较差且难以在非等温锻造设备上进行多向变形的问题。本发明工艺简单、加工成本低、材料利用率高,得到的β凝固TiAl合金锻坯具有均匀细小的显微组织和良好的室温塑性。

Description

一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法
技术领域
本发明涉及TiAl合金技术领域,具体涉及一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法。
背景技术
TiAl合金是一种在航空航天领域具有广阔应用前景的新型轻质高温结构材料,具有低密度、高强度、优异的抗蠕变性能和抗氧化性能等诸多优点,是制备航空发动机叶片、涡轮和格栅的理想备选材料之一,具有广阔的工程应用前景。利用TiAl合金替代航空发动机中广泛使用的镍基高温合金或钛合金,能够有效实现发动机减重,提高发动机推重比。目前TiAl合金在国外已经开始了初步工程应用,但国内尚未有关于TiAl合金应用的报道。这主要是由于TiAl合金始终面临两个问题:高温成形性能较差和室温塑性较低。
热机械加工(锻造、挤压或轧制)能够有效细化TiAl合金的显微组织,提升合金的机械性能。但传统TiAl合金热加工性较差,其锻造研究主要集中于一步或多步单向包套锻造。单向包套锻造虽然工艺比较简单,也能在一定程度上细化合金的晶粒尺寸,但锻坯存在严重的组织不均匀现象:与锻压设备接触的部分不发生变形,组织保持初始状态;锻坯边缘变形量较小,组织较为粗大;芯部变形量最大,组织较为细小。这种组织不均匀导致锻坯机械性能具有很强的各向异性。为了尽可能降低组织不均匀的影响,一般只取锻坯芯部使用,这就导致了极大浪费。
相对而言,多向锻造技术能够从多个方向对合金进行加工,进而改善合金的组织均匀性,提高合金的力学性能。目前该技术已经成功应用于镁合金、铝合金及钛合金等多种材料。但传统TiAl合金难以适应这种大变形工艺,且部分关于TiAl合金多向锻造的探索也只能在等温锻造设备上进行。例如申请号为201610965425.5,发明名称为含纳米Y2O3的细晶高强TiAl合金及其制备方法的发明专利申请,采用将坯料抗氧化处理后,在多向等温锻压机上进行多向锻造的方法解决现有铝钇中间合金添加导致富Y相分布不均且尺寸相差较大,而现有的机械热处理技术带来的显微组织和力学性能的各向异性的问题。其锻坯组织均匀,晶粒细小,在三个方向上均具优异的力学性能。但是当前能够承受高温(>1200℃)的等温锻造设备昂贵且稀少,成本太高。且该方法需要重复1-3次多向锻造加低温再结晶处理,操作复杂,不利于实际推广应用。
通过向TiAl合金中添加一定量的β相稳定元素(如Cr、Mo),使合金发生β凝固,能够保证其在热加工温度含有无序的体心立方β相,从而显著提高TiAl合金的高温变形能力,这类合金被称为β凝固TiAl合金。截至目前,国内外尚未有关于β凝固TiAl合金在非等温锻造设备上实现多向包套锻造的报道。
发明内容
本发明的目的是要解决上述现有技术中的TiAl合金在单向锻造时变形不均匀、锻坯组织和性能各向异性强、合金热加工性能较差且难以在非等温锻造设备上进行多向变形的问题,提供一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,首先,按照原子百分比,各元素含量分别为:42%~44%Al、1%~3%Cr、0.5%~1%Mo、0.1%~0.5%B,余量为Ti,制备合金铸锭;然后,将合金铸锭进行均匀化处理和热等静压处理后进行切割包套;最后,将包套后的TiAl合金铸锭在液压机上进行多向锻造。
具体地,本发明一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,包括以下工艺步骤:
(一)原材料准备:按照合金名义成分,选取海绵钛、高纯铝、高纯铬、铝钼合金和硼粉作为原材料并进行称量,各元素的原子百分比含量分别为:42%~44%的Al、1%~3%的Cr、0.5%~1%的Mo、0.1%~0.5%B,余量为Ti及不可避免的杂质。
(二)铸锭熔炼:将步骤一称量的原材料放入熔炼炉中进行熔炼三次,以保证合金成分均匀性;之后随炉冷却,制备出含Cr和Mo的β凝固TiAl合金铸锭,随后将铸锭进行去应力退火。
所述的熔炼炉采用真空感应凝壳熔炼炉,真空度为(1.0~3.0)×10-3MPa,浇注出的是矩形TiAl合金铸锭。
熔炼过程完成以后,铸锭要随炉冷却,待铸锭和炉体均恢复至室温后,再取出铸锭。
所述的去应力退火温度为800℃~900℃,退火时间为8~15h。
(三)热等静压处理:将步骤二得到的β凝固TiAl合金铸锭表面涂上高温抗氧化涂料,然后进行热等静压处理;热等静压的温度为1050℃~1250℃,压力为150MPa~250MPa,保温时间为2~6h。
(四)切取铸锭:利用电火花线切割对热等静压处理后的β凝固TiAl合金铸锭进行机加工;去除铸锭的缺陷部分和表面氧化皮,获得具有良好光洁度和致密度的矩形β凝固TiAl合金铸锭。为便于后续进行多向锻造,切取出矩形铸锭。
(五)包套处理:利用钨极氩弧焊工艺对TiAl合金铸锭进行包套处理。包套材料采用304不锈钢或TC4钛合金。
所述的包套厚度需根据铸锭实际尺寸确定,取铸锭边长的1/5~1/4;
所述的包套工艺为采用钨极氩弧焊工艺将304不锈钢或TC4钛合金板进行连接,将铸锭紧密包裹起来。
(六)多向锻造:TiAl合金采用了三道次锻造,不同道次锻造方向夹角为90°,每道次锻造完成后,重新回炉保温后再进行下一道次的锻造。
具体包括以下工艺步骤:
a.将步骤五获得的包套TiAl合金铸锭放入1150℃~1300℃的热处理炉中保温2~4h;同时,将液压机的上下砧板预热至300℃~600℃;优选地,预热至300℃~400℃。
b.将预热好的铸锭迅速转移至液压机上,沿x方向进行锻造,压下速度控制在0.1~0.2mm/s,变形量控制在30%~50%,完成之后,迅速转入1150℃~1300℃的热处理炉进行回炉保温0.5~2h;再将铸锭转移至液压机,沿y方向进行锻造,压下速度控制在0.1~0.2mm/s,变形量控制在30%~50%;随后转入1150℃~1300℃的热处理炉进行回炉保温0.5~2h;再将铸锭转移至液压机,沿z方向进行锻造,压下速度控制在0.1~0.2mm/s,变形量控制在30%~50%,最终得到包套的β凝固TiAl合金锻坯;
c.将锻造完成后的包套的β凝固TiAl合金锻坯转移至700℃~1000℃的热处理炉中进行退火处理2~6h,以去除内应力,完成之后随炉冷却至室温。
(七)去除包套:采用机械加工的方法去除锻坯的包套,最终获得具有细小显微组织和良好综合力学性能的β凝固TiAl合金锻坯。
本发明方法设计合理,能够在非等温锻造设备上利用多向包套锻造工艺制备具有较好表面质量、细小显微组织及良好力学性能的β凝固TiAl合金锻坯。可为TiAl合金结构件提供高质量的坯料,推动TiAl合金的发展与应用。
本发明采用的关键技术及有益效果如下:
1.本发明通过添加适量的Cr和Mo,使TiAl合金在热加工温度含有一定量的无序β相,显著提高了合金的高温变形能力。而优异的热加工性能为β凝固TiAl合金实现多向包套锻造提供了有力保障。
2.本发明对TiAl合金进行了包套,包套方案如图1所示。包套能够有效缓解合金在锻造过程中的温降,同时约束合金在高温变形过程中的塑性流动,避免了合金开裂,保证了合金能够在非等温锻造设备上进行大变形量的多向锻造。
3.本发明采用多向包套锻造对β凝固TiAl合金进行高温变形,锻造方向如图2所示。近等温多向包套锻造方式从多个方向细化合金的显微组织,解决了传统单向锻造存在变形死区、组织细化不均匀的问题,显著改善了合金力学性能的均衡性。
4.本发明工艺简单、加工成本低、材料利用率高。现有的单向包套锻造虽然工艺比较简单,但锻坯存在严重的组织不均匀现象,一般只取锻坯芯部使用,这就导致了极大浪费。而本发明方法克服了该问题,极大提高了材料利用率。
5.本发明制备的β凝固TiAl合金锻坯具有均匀细小的显微组织,晶团尺寸仅为10~50μm。
6.本发明制备的β凝固TiAl合金锻坯的室温塑性具有良好的各向同性,室温延伸率可达1.3%~1.8%。
附图说明
图1为本发明方法采用的包套方案。
图2为本发明方法多向锻造过程中的锻造方向示意图。
图3为实施例1经多向锻造制得的β凝固TiAl合金显微组织的SEM图。
图4为实施例2经多向锻造制得的β凝固TiAl合金显微组织的SEM图。
图5为实施例3经多向锻造制得的β凝固TiAl合金显微组织的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案及效果作进一步详细的说明。本发明范围不局限于所述实施方式,任何人在本发明的启示下做出的是与本发明具有相同或相近的技术方案,均落入本发明的保护范围之内。
本发明所述高温抗氧化涂料为本领域公知公用材料。本发明中未详细描述的技术、形状、构造部分均为本领域公知技术。
实施例1
一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,包括以下工艺步骤:
(一)原材料准备:按照合金名义成分Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B,称量海绵钛、高纯铝、高纯铬、铝钼合金(Mo含量为50%)和硼粉,各元素的原子百分比含量分别为43%Al、2%Cr、0.7%Mo、0.2%B,余量为Ti及不可避免的杂质;
(二)铸锭熔炼:将步骤一称量的原材料放入真空度为3.0×10-3MPa的真空感应凝壳熔炼炉中,进行三次熔炼,以保证合金成分均匀性;铸锭熔炼完成后随炉冷却,制备出Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金铸锭;随后将铸锭在900℃进行15h去应力退火;
(三)热等静压处理:将步骤二得到的Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金铸锭表面涂上高温抗氧化涂料(本领域常规高温抗氧化涂料即可),然后进行热等静压处理,热等静压温度为1175℃,压力为175MPa,保温时间为4h;
(四)切取铸锭:利用电火花线切割对Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金铸锭进行机加工,去除表面氧化皮,获得具有良好表面光洁度的矩形Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金铸锭;
(五)包套处理:采用304不锈钢对步骤四获得的Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金铸锭进行包套处理,包套厚度为15mm;
(六)多向锻造:
a.将包套后的Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金铸锭放入1250℃的热处理炉中保温4h;将液压机的上下砧板预热至300℃;
b.将预热好的铸锭迅速转移至液压机上,沿x方向进行锻造,压下速度控制在0.15mm/s,变形量为50%,完成之后,迅速转入1250℃热处理炉进行回炉保温0.5h;再将铸锭转移至液压机,沿y方向进行锻造,压下速度控制在0.15mm/s,变形量为50%;再转入1250℃热处理炉进行回炉保温0.5h后;将铸锭转移至液压机,沿z方向进行锻造,压下速度控制在0.15mm/s,变形量为50%,得到变形TiAl合金锻坯;
c.将锻造完成后的Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金锻坯转移至900℃热处理炉,进行退火处理4h,以去除内应力,之后随炉冷却至室温;
(七)去除包套:采用机械加工的方法去除锻坯的包套,最终获得具有细小显微组织的Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金锻坯。
图3为Ti-43Al-2Cr-0.7Mo-0.2B合金锻坯的SEM图,从图中可以看出经过多向包套锻造和去应力退火后的合金组织均匀细小;经力学性能测试,合金室温拉伸强度>850MPa,室温延伸率≥1.8%,同时具有良好的各向同性。
实施例2
一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,包括以下工艺步骤:
(一)原材料准备:按照合金名义成分Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B,称量海绵钛、高纯铝、高纯铬、铝钼合金(Mo含量为50%)和硼粉,各元素的原子百分比含量分别为43%Al、3%Cr、0.5%Mo、0.5%B,余量为Ti及不可避免的杂质;
(二)铸锭熔炼:将步骤一称量的原材料放入真空度为2.0×10-3MPa的真空感应凝壳熔炼炉中,进行三次熔炼,以保证合金成分均匀性;铸锭熔炼完成后随炉冷却,制备出Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金铸锭;随后将铸锭在850℃进行12h去应力退火;
(三)热等静压处理:将步骤二得到的Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金铸锭表面涂上高温抗氧化涂料,然后进行热等静压处理,热等静压温度为1150℃,压力为150MPa,保温时间为6h;
(四)切取铸锭:利用电火花线切割对Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金铸锭进行机加工,去除表面氧化皮,获得具有良好表面光洁度的矩形Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金铸锭;
(五)包套处理:采用304不锈钢对步骤四获得的Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金铸锭进行包套处理,包套厚度为12mm;
(六)多向锻造:包括以下工艺步骤,
a.将包套后的Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金铸锭放入1275℃的热处理炉中保温6h;将液压机的上下砧板预热至350℃;
b.将预热好的铸锭迅速转移至液压机上,沿x方向进行锻造,压下速度控制在0.2mm/s,变形量为40%,完成之后,迅速转入1275℃热处理炉进行回炉保温1h;再将铸锭转移至液压机,沿y方向进行锻造,压下速度控制在0.2mm/s,变形量为40%;再转入1275℃热处理炉进行回炉保温1h后;将铸锭转移至液压机,沿z方向进行锻造,压下速度控制在0.2mm/s,变形量为40%,得到变形TiAl合金锻坯;
c.将锻造完成后的Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金锻坯转移至950℃热处理炉,进行退火处理6h,以去除内应力,之后随炉冷却至室温;
(七)去除包套:采用机械加工的方法去除锻坯的包套,最终获得具有细小显微组织的Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金锻坯。
图4为Ti-43Al-3Cr-0.5Mo-0.5B合金锻坯的SEM图,从图中可以看出经过多向包套锻造和去应力退火后的合金组织均匀细小;经力学性能测试,合金室温拉伸强度>800MPa,室温延伸率>1.5%,同时具有良好的各向同性。
实施例3
一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,包括以下工艺步骤:
(一)原材料准备:按照合金名义成分Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B,称量海绵钛、高纯铝、高纯铬、铝钼合金(Mo含量为50%)和硼粉,各元素的原子百分比含量分别为43%Al、1.5%Cr、1%Mo、0.2%B,余量为Ti及不可避免的杂质;
(二)铸锭熔炼:将步骤一称量的原材料放入真空度为1.0×10-3MPa的真空感应凝壳熔炼炉中,进行三次熔炼,以保证合金成分均匀性;铸锭熔炼完成随炉冷却,制备出Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金铸锭;随后将铸锭在875℃进行8h去应力退火;
(三)热等静压处理:将步骤二得到的Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金铸锭表面涂上抗氧化涂料,然后进行热等静压处理,热等静压温度为1125℃,压力为200MPa,保温时间为3h;
(四)切取铸锭:利用电火花线切割对Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金铸锭进行机加工,去除表面氧化皮,获得具有良好表面光洁度的矩形Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金铸锭;
(五)包套处理:采用TC4钛合金对步骤四获得的Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金铸锭进行包套处理,包套厚度为10mm;
(六)多向锻造:包括以下工艺步骤,
a.将包套后的Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金铸锭放入1300℃的热处理炉中保温3h;将液压机的上下砧板预热至375℃;
b.将预热好的铸锭迅速转移至液压机上,沿x方向进行锻造,压下速度控制在0.1mm/s,变形量为30%,完成之后,迅速转入1300℃热处理炉进行回炉保温1.5h;再将铸锭转移至液压机,沿y方向进行锻造,压下速度控制在0.1mm/s,变形量为30%;再转入1300℃热处理炉进行回炉保温1.5h后;将铸锭转移至液压机,沿z方向进行锻造,压下速度控制在0.1mm/s,变形量为30%,得到变形TiAl合金锻坯;
c.将锻造完成后的Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金锻坯转移至850℃热处理炉,进行退火处理8h,以去除内应力,之后随炉冷却至室温;
(七)去除包套:采用机械加工的方法去除锻坯的包套,最终获得具有细小显微组织的Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金锻坯。
图5为Ti-43Al-1.5Cr-1Mo-0.2B合金锻坯的SEM图,从图中可以看出经过多向包套锻造和去应力退火后的合金组织均匀细小,经力学性能测试,合金室温拉伸强度>750MPa,室温延伸率>1.3%,同时具有良好的各向同性。

Claims (9)

1.一种含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,首先,按照原子百分比,各元素含量分别为:42%~44%Al、1%~3%Cr、0.5%~1%Mo、0.1%~0.5%B,余量为Ti,制备合金铸锭;然后,将合金铸锭进行均匀化处理和热等静压处理后进行切割包套;最后,将包套后的TiAl合金铸锭在液压机上进行多向锻造;所述多向锻造:
a.将包套后的TiAl合金铸锭放入1150℃~1300℃的热处理炉中保温2~4h;将液压机的上下砧板预热至300℃~600℃;
b.将预热好的铸锭迅速转移至液压机上,沿x方向进行锻造,压下速度控制在0.1~0.2mm/s,变形量控制在30%~50%,完成之后,迅速转入热处理炉进行回炉保温0.5~2h;再将铸锭转移至液压机,沿y方向进行锻造,压下速度控制在0.1~0.2mm/s,变形量控制在30%~50%;随后转入热处理炉进行回炉保温0.5~2h;再将铸锭转移至液压机,沿z方向进行锻造,压下速度控制在0.1~0.2mm/s,变形量控制在30%~50%,最终得到包套的β凝固TiAl合金锻坯;
c.将锻造完成后的TiAl合金锻坯转移至700℃~1000℃热处理炉,进行退火处理2~6h,之后随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,具体地,包括以下步骤:
(一)原材料准备:按照合金名义成分,称量原材料:海绵钛、高纯铝、高纯铬、铝钼合金和硼粉;
(二)铸锭熔炼:将原材料放入熔炼炉中熔炼三次,之后随炉冷却,制备出含Cr和Mo的β凝固TiAl合金铸锭,随后将铸锭进行去应力退火;
(三)热等静压处理:合金铸锭表面涂上抗氧化涂料,然后进行热等静压处理;
(四)切取铸锭:利用电火花线切割对热等静压处理后的β凝固TiAl合金铸锭进行加工;
(五)包套处理:利用钨极氩弧焊工艺对TiAl合金铸锭进行包套处理;
(六)多向锻造:TiAl合金采用了三道次锻造,不同道次锻造方向夹角为90°,每道次锻造完成后,重新回炉保温后再进行下一道次的锻造;
(七)去除包套:采用机械加工的方法去除锻坯的包套,最终获得具有细小显微组织和良好综合力学性能的β凝固TiAl合金锻坯。
3.根据权利要求2所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,所述步骤二中熔炼炉采用的是真空感应凝壳熔炼炉,真空度为1.0~3.0×10-3MPa,浇注出的是矩形TiAl合金铸锭。
4.根据权利要求2所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,所述步骤二,铸锭在800℃~900℃进行8~15h去应力退火。
5.根据权利要求1或2所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,所述热等静压处理,温度为1050℃~1250℃,压力为150MPa~250MPa,保温时间为2~6h。
6.根据权利要求2所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,所述步骤四中,利用电火花线切割去除铸锭的缺陷部分和表面氧化皮,切取出矩形铸锭。
7.根据权利要求1或2所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,所述TiAl合金铸锭的包套材料采用304不锈钢或TC4钛合金。
8.根据权利要求7所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法,其特征在于,所述包套厚度取铸锭边长的1/5~1/4。
9.根据权利要求1-8任一所述的含Cr和Mo的β凝固TiAl合金多向包套锻造方法制备的β凝固TiAl合金。
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