CN111254314B - 一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，属于钛铝合金构件制备技术领域。通过粉末冶金法或铸锭冶金法制备TiAl合金板坯，在共析温度附近包套轧制TiAl合金板坯，然后在共析温度附近热处理，制备出近等轴组织的TiAl合金板材，再与成形模具组装后整体进行低温超塑变形，随后进行去应力退火，制备出TiAl合金构件。本发明设计的TiAl合金中Al含量降低，可以保证TiAl合金在较低温度下成形，同时制备的TiAl合金晶粒尺寸细小。随后在共析温度附近保温，进一步获得细小均匀的等轴组织，且γ相含量较高，该组织保证了低温超塑成形的有效进行。本发明工艺简单，对设备要求低，可在低温下实现TiAl合金的超塑成形。

Description

一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，属于钛合金构件制备技术领域。
背景技术
TiA1合金比强度高、比刚度高、密度低、阻燃性能和高温抗氧化、抗蠕变性能好，在航空航天、汽车制造等工业领域有着广阔的应用前景。TiAl合金板材除了可以直接用作结构材料外，还可以用于近净成形航空、航天发动机的零部件以及超高速飞行器的翼、壳体、热区蒙皮，涡轮叶片，导弹尾翼等。但TiAl变形能力差，采用传统的方法很难制备如飞行器壳体、涡轮叶片等形状复杂或尺寸较大的构件。采用超塑性成形是最为理想的成形方法之一。该方法能显著降低变形抗力，简化工序的同时还能提高构件的尺寸精度。对于TiAl合金，塑性延伸率超过100％就被认为具有超塑性。通常来说，近γ组织的TiAl合金具有超塑性。国外己在TiAl合金超塑性成形方面开展了大量工作，并己超塑成形出TiAl合金复杂构件。日本三菱公司在1100℃时成形了厚度约1mm的半球形制品。Kaibyshev在1020℃，9×10- 4s-1的条件下制造出了Ti-34A1-4Nb合金的燃气涡轮发动机叶片。Clemens等人在1150℃采用气胀法成功制备出了弓形、球形和波形等形状的Ti-48A1-2Cr合金超塑性成形制品。从上述研究结果可以看出，虽然TiAl在一定条件下获得了超塑性，但成分的差别导致超塑性成形所需的温度较高。目前由于TiA1基合金高温变形抗力大，利用传统的制备工艺难以制备出合格的波纹板、球形、蜂窝形的TiAl合金构件。因此通过调控合金成分及制备工艺，开发一种具有低温超塑性的TiAl合金及其制备构件的方法，推动TiAl合金在飞行器上的应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，目的是要解决现有方法制备TiA1合金波纹板、球形、蜂窝形等构件存在容易开裂、变形工艺苛刻、模具要求高等问题，提供一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种具有低温超塑性的TiAl合金，该TiAl合金的化学成分包括Al和Ti，还包括X，X为Cr、Nb、Mn、Fe、Mo、La、B、C中的一种或两种以上的混合物，优选Cr，Nb，Mn，La，C，TiAl合金中Al成分的质量百分含量为38％-45％，优选41.5-44％Al，X的质量百分含量2％-9％，优选3％-7％，余量为Ti；
TiAl合金优选Ti-38Al-2Cr-0.2B、Ti-39.5Al-4Mn、Ti-40Al-6Nb-1Mo-0.2B-0.3La、Ti-40Al-4Nb-0.2B-0.3La、Ti-41Al-2Cr-4Nb-0.2C-0.3La、Ti-42Al-2Nb-4Mn-0.2C、Ti-42Al-3Cr-0.5Mo-0.3La、Ti-42Al-3Mn-0.5Mo-0.3C、Ti-43Al-2Cr-2Nb-0.3La、Ti-43Al-6Nb-0.2C-0.3La、Ti-43Al-7Nb-0.2C、Ti-44Al-2Cr-2Mn-0.5Mo-0.3C、Ti-44Al-6Nb-0.5Mo-0.2C-0.3La、Ti-44Al-2Nb-2Cr-2Mn-0.3La或Ti-45Al-2Nb-2Cr-0.3La。
一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)制备TiAl合金板坯；
(2)使用包套对步骤(1)制备的TiAl合金板坯进行轧制，得到TiAl合金板材；
(3)对步骤(2)得到的TiAl合金板材进行热处理和退火处理，退火处理结束后去除包套，并在得到的TiAl合金板材表面喷涂耐高温涂料；
(4)对步骤(3)得到的喷涂有耐高温涂料的TiAl合金板材进行超塑成型；
(5)对步骤(4)超塑成型后的TiAl合金板材进行退火处理，得到具有低温超塑性的TiAl合金构件。
所述的步骤(1)中，TiAl合金板坯的平均晶粒尺寸或平均层片晶团尺寸为1μm-100μm；
制备TiAl合金板坯的方法为：可以通过粉末冶金法或铸锭冶金法制备的，具体的方法可以为预合金粉末+热等静压、预合金粉末+真空热压烧结、等离子束冷床炉熔炼、等离子束冷床炉熔炼+包套锻造、真空电弧熔炼、真空电弧熔炼+包套锻造、凝壳感应熔炼、凝壳感应熔炼+包套锻造等方法制备；
所述的步骤(2)中，轧制工艺参数为：轧制温度1030-1225℃、轧前保温5-90min、轧制速度为5-80mm/s、道次变形量为12％-35％、道次回炉保温时间为2-10min，板材的总压下量为50％-90％；
轧制工艺参数优选方案为：轧制温度1100℃-1190℃、轧前保温15min-30min、轧制速度为10mm/s-45mm/s、道次变形量为18％-30％、道次回炉保温时间为3min-7min，板材的总压下量为65％-85％；
所述的步骤(3)中，热处理工艺参数为：热处理温度1030℃-1220℃、保温时间30min-360min，退火处理工艺参数为：退火温度为800℃-900℃，退火时间为120min-240min；
所述的步骤(4)中，超塑成型工艺参数为：超塑成型温度750℃-1000℃，应变速率为1×10-4s-1-5×10-2s-1；
优选超塑成型温度800℃-900℃，应变速率为5×10-4s-1-5×10-3s-1；
所述的步骤(5)中，退火处理工艺参数为：退火温度为700℃-800℃，退火时间为180min-480min，空冷，在退火前无须再喷涂耐高温涂料。
有益效果
一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，属于TiAl合金塑性加工技术领域。其制备方法为：通过粉末冶金法或铸锭冶金法制备TiAl合金板坯，在共析温度附近包套轧制TiAl合金板材，在共析温度附近热处理，制备近等轴组织的TiAl合金板材，与超塑性成形模具组装后整体进行低温超塑性变形，随后进行去应力退火。本发明设计的TiAl合金中Al含量降低，可以保证TiAl合金在较低温度下成形，同时制备的TiAl合金晶粒尺寸细小。随后在共析温度附附保温，进一步获得细小均匀的等轴组织，且γ相含量较高，该组织保证了低温超塑性的有效进行。本发明工艺简单，对设备要求低，可在低温下实现TiAl合金的超塑成形。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施方式为一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，具体是按以下步骤进行的：
A、TiAl合金板坯的制备：采用预合金粉末+热等静压方法制备平均晶粒尺寸为20μm的Ti-43Al-2Cr-2Nb-0.3La(at.％)合金。
B、TiAl合金包套轧制：将上述用不锈钢密封的TiAl合金放入加热温度为1150℃的炉中保温40min，采用30±5mm/s的轧制速度，道次变形量为22±3％，每道次回炉保温时间为3-5min的工艺进行轧制。
C、TiAl合金板材热处理：将上述获得的带有包套的TiAl合金板材放入炉温为1120℃的炉子中保温120min。去除包套获得TiAl合金板材，获得厚度约为2±0.1mm的TiAl合金板材。
D、TiAl合金板材的超塑性成形：将涂有耐高温涂料的TiAl合金放入具有波纹形状的镍合金模具中，一起在压力机上进行超塑性成形。变形温度为840±10℃、应变速率为1×10-4s-1，最终制备出波纹板。板材发生了380％以上的变形，采用超声波探伤，波纹板无裂纹。
E、TiAl合金构件退火：将上述低温超塑成形获得的波纹板取出，在830℃退火240min后空冷。
对波纹板进行室温力学性能测试，测试应变速率为0.001s-1，测试波纹板的抗拉强度为1230MPa，断后伸长率为3.8％。
实施例2
本实施方式为一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，具体是按以下步骤进行的：
A、TiAl合金板坯的制备：采用真空电弧熔炼方法制备平均晶粒尺寸为80μm左右的Ti-42Al-2Nb-4Mn-0.2C(at.％)合金。
B、TiAl合金包套轧制：将上述用不锈钢密封的TiAl合金放入加热温度为1120℃的炉中保温60min，采用20±5mm/s的轧制速度，道次变形量为20±2％，每道次回炉保温时间为5±2min。
C、TiAl合金板材热处理：将上述获得的带有包套的TiAl合金板材放入炉温为950℃的炉子中保温180min。去除包套，获得厚度约为1.8±0.2mm的TiAl合金板材。
D、TiAl合金板材的超塑性成形：将涂有耐高温涂料的TiAl合金放入具有球形的镍合金模具中，一起在压力机上进行超塑性成形。所用变形温度为850±10℃、应变速率为6×10-4s-1，最终制备出球形构件。板材发生了330％以上的变形，采用超声波探伤，球形构件无裂纹。
E、TiAl合金构件退火：将上述低温超塑成形获得的球形构件取出，在800℃退火120min后空冷。
实施例3
本实施方式为一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，具体是按以下步骤进行的：
A、TiAl合金板坯的制备：采用等离子束冷床炉熔炼方法制备平均晶粒尺寸为50μm左右的Ti-44Al-2Cr-2Mn-0.5Mo-0.3C(at.％)合金。
B、TiAl合金包套轧制：将上述用不锈钢密封的TiAl合金放入加热温度为1180℃的炉中保温60min，采用25±5mm/s的轧制速度，道次变形量为20％，每道次回炉保温时间为5±3min。
C、TiAl合金板材热处理：将上述获得的带有包套的TiAl合金板材放入炉温为1160℃的炉子中保温120min。去除包套，获得厚度约为2.1mm的TiAl合金板材。
D、TiAl合金板材的超塑性成形：将涂有耐高温涂料的TiAl合金放入具有波纹形状的镍合金模具中，一起在压力机上进行超塑性成形。所用变形温度为830±5℃、应变速率为1×10-4s-1，最终制备出波纹板。板材发生了250％以上的变形，采用超声波探伤，波纹板构件无裂纹。
E、TiAl合金构件退火：将上述低温超塑成形获得的波纹板取出，在800℃退火120min后空冷。
实施例4
本实施方式为一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，具体是按以下步骤进行的：
A、TiAl合金板坯的制备：采用真空电弧熔炼+包套锻造方法制备平均晶粒尺寸为60μm左右的Ti-45Al-2Nb-2Cr-0.3La(at.％)合金。
B、TiAl合金包套轧制：将上述用不锈钢密封的TiAl合金放入加热温度为1200℃的炉中保温45min，采用35±5mm/s的轧制速度，道次变形量为22±2％，每道次回炉保温时间为6±2min。
C、TiAl合金板材热处理：将上述获得的带有包套的TiAl合金板材放入炉温为1150℃的炉子中保温120min。去除包套，获得厚度约为1.9mm的TiAl合金板材。
D、TiAl合金板材的超塑性成形：将涂有耐高温涂料的TiAl合金放入具有蜂窝形状的镍合金模具中，一起在压力机上进行超塑性成形。所用变形温度为880±10℃、应变速率为2.5×10-4s-1，最终制备出蜂窝板。板材发生了260％以上的变形，采用超声波探伤，蜂窝板构件无裂纹。
E、TiAl合金构件退火：将上述低温超塑成形获得的蜂窝板取出，在800℃退火100min后空冷。
实施例5
本实施方式为一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，具体是按以下步骤进行的：
A、TiAl合金板坯的制备：采用真空电弧熔炼+包套锻造方法制备平均晶粒尺寸为40μm左右的Ti-43Al-7Nb-0.2C(at.％)合金。
B、TiAl合金包套轧制：将上述用不锈钢密封的TiAl合金放入加热温度为1165℃的炉中保温45min，采用20±10mm/s的轧制速度，道次变形量为18±5％，每道次回炉保温时间为4±2min的工艺进行轧制。
C、TiAl合金板材热处理：将上述获得的带有包套的TiAl合金板材放入炉温为1150℃的炉子中保温100min。去除包套获得TiAl合金板材，获得厚度约为2.0±0.2mm的TiAl合金板材。
D、TiAl合金板材的超塑性成形：将涂有耐高温涂料的TiAl合金放入具有球形的镍合金模具中，一起在压力机上进行超塑性成形。所用变形温度为880±10℃、应变速率为3×10-4s-1，最终制备出球形构件。板材发生了240％以上的变形，采用超声波探伤，球形构件无裂纹。
E、TiAl合金构件退火：将上述低温超塑成形获得的球形构件取出，在860℃退火100min后空冷。
实施例6
本实施方式为一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，具体是按以下步骤进行的：
A、TiAl合金板坯的制备：采用等离子束冷床炉熔炼+包套锻造方法制备平均晶粒尺寸为30μm左右的Ti-44Al-2Nb-2Cr-2Mn-0.3La(at.％)合金。
B、TiAl合金包套轧制：将上述用不锈钢密封的TiAl合金放入加热温度为1180℃的炉中保温35min，采用25±5mm/s的轧制速度，道次变形量为22±2％，每道次回炉保温时间为4±1min。
C、TiAl合金板材热处理：将上述获得的带有包套的TiAl合金板材放入炉温为1150℃的炉子中保温100min。去除包套，获得厚度约为1.8mm的TiAl合金板材。
D、TiAl合金板材的超塑性成形：将涂有耐高温涂料的TiAl合金放入具有蜂窝形状的镍合金模具中，一起在压力机上进行超塑性成形。所用变形温度为900±10℃、应变速率为2×10-4s-1，最终制备出蜂窝板。板材发生了360％以上的变形，采用超声波探伤，蜂窝板构件无裂纹。
E、TiAl合金构件退火：将上述低温超塑成形获得的波纹板取出，在820℃退火150min后空冷。
实施例7
本实施方式为一种具有低温超塑性的TiAl合金及其构件制备方法，具体是按以下步骤进行的：
A、TiAl合金板坯的制备：采用预合金粉末+热等静压方法制备平均晶粒尺寸为15μm左右的Ti-43Al-6Nb-0.2C-0.3La(at.％)合金。
B、TiAl合金包套轧制：将上述用不锈钢密封的TiAl合金放入加热温度为1180℃的炉中保温40min，采用20±5mm/s的轧制速度，道次变形量为16±2％，每道次回炉保温时间为4min的工艺进行轧制。
C、TiAl合金板材热处理：将上述获得的带有包套的TiAl合金板材放入炉温为1150℃的炉子中保温120min。去除包套获得TiAl合金板材，获得厚度约为1.8±0.1mm的TiAl合金板材。
D、TiAl合金板材的超塑性成形：将涂有耐高温涂料的TiAl合金放入具有波纹形状的镍合金模具中，一起在压力机上进行超塑性成形。变形温度为845±15℃、应变速率为4×10-4s-1，最终制备出波纹板。板材发生了290％以上的变形，采用超声波探伤，波纹板无裂纹。
E、TiAl合金构件退火：将上述低温超塑成形获得的波纹板取出，在840℃退火150min后空冷。
对波纹板进行室温力学性能测试，测试应变速率为0.002s-1，测试波纹板的抗拉强度为1180MPa，断后伸长率为2.5％。

Claims (8)

1.一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，该TiAl合金构件包括以下原子百分比含量的各元素：38％-45％Al，2％-9％X，余量为Ti；其中所述X为Cr，Nb，Mn，Fe，Mo，La，B，C中的至少一种；
其特征在于该方法的步骤包括：
(1)制备TiAl合金板坯；
(2)使用包套对步骤(1)制备的TiAl合金板坯进行轧制，得到TiAl合金板材；轧制工艺参数为：轧制温度1030-1225℃、轧前保温5-90min、轧制速度为5-80mm/s、道次变形量为12％-35％、道次回炉保温时间为2-10min，板材的总压下量为50％-90％；
(3)对步骤(2)得到的TiAl合金板材进行热处理和退火处理，退火处理结束后去除包套，并在得到的TiAl合金板材表面喷涂耐高温涂料；热处理工艺参数为：热处理温度1030℃-1220℃、保温时间30min-360min，退火处理工艺参数为：退火温度为800℃-900℃，退火时间为120min-240min；
(4)对步骤(3)得到的喷涂有耐高温涂料的TiAl合金板材进行超塑成型；超塑成型工艺参数为：超塑成型温度750℃-1000℃，应变速率为1×10-4s-1-5×10-2s-1；
(5)对步骤(4)超塑成型后的TiAl合金构件进行退火处理，退火处理工艺参数为：退火温度为700℃-800℃，退火时间为180min-480min，空冷，得到具有低温超塑性的TiAl合金构件。
2.根据权利要求1所述的一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，TiAl合金板坯通过粉末冶金法或铸锭冶金法制备。
3.根据权利要求2所述的一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，其特征在于：TiAl合金板坯的制备方法为：预合金粉末+热等静压、预合金粉末+真空热压烧结、等离子束冷床炉熔炼+包套锻造、真空电弧熔炼+包套锻造或凝壳感应熔炼+包套锻造。
4.根据权利要求2所述的一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，其特征在于：TiAl合金板坯的制备方法为：等离子束冷床炉熔炼、真空电弧熔炼或凝壳感应熔炼。
5.根据权利要求1所述的一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，TiAl合金板坯的平均晶粒尺寸或平均层片晶团尺寸为1μm-100μm。
6.根据权利要求1所述的一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，轧制工艺参数为：轧制温度1100℃-1190℃、轧前保温15min-30min、轧制速度为10mm/s-45mm/s、道次变形量为18％-30％、道次回炉保温时间为3min-7min，板材的总压下量为65％-85％。
7.根据权利要求1所述的一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，超塑成型温度800℃-900℃，应变速率为5×10-4s-1-5×10-3s-1。
8.根据权利要求1所述的一种具有低温超塑性的TiAl合金构件的制备方法，其特征在于：所述的TiAl合金为Ti-38Al-2Cr-0.2B、Ti-39.5Al-4Mn、Ti-40Al-6Nb-1 Mo-0.2B-0.3La、Ti-40Al-4Nb-0.2B-0.3La、Ti-41Al-2Cr-4Nb-0.2C-0.3La、Ti-42Al-2Nb-4Mn-0.2C、Ti-42Al-3Cr-0.5Mo-0.3La、Ti-42Al-3Mn-0.5Mo-0.3C、Ti-43Al-2Cr-2Nb-0.3La、Ti-43Al-6Nb-0.2C-0.3La、Ti-43Al-7Nb-0.2C、Ti-44Al-2Cr-2Mn-0.5Mo-0.3C、Ti-44Al-6Nb-0.5Mo-0.2C-0.3La、Ti-44Al-2Nb-2Cr-2Mn-0.3La或Ti-45Al-2Nb-2Cr-0.3La。
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