CN111349804B - 一种Ti2AlNb合金板材制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Ti2AlNb合金板材制备方法，所述制备方法步骤包括：一、合金坯料制备；二、将坯料置于包套内封焊；三、高温轧制，将加热炉升温至轧制温度，轧制温度在B2单相区或α2+B2+O三相区内；将包有坯料的包套放入加热炉中首次保温；将首次保温后的包套从加热炉中取出后置于轧机上进行第一道次轧制；如此往复回炉保温多道次轧制；将最后一次保温后的轧件取出进行最后一道次轧制，轧件空冷，得到带有包套的合金板材；四、去除合金板材的包套，得到合金板材。本发明采用放电等离子烧结法制备组织均匀的坯料，且采用包套轧制法制备板材，无需后续热处理过程即可获得具有良好综合力学性能的合金板材。
Description
技术领域
本发明涉及高温结构材料加工制备技术领域，尤其涉及一种Ti2AlNb合金板材制备方法。
背景技术
为保证航空航天领域高速发展，需要进一步提升飞行器等关键零件的使用性能，这对关键零件使用的高温结构材料性能提出更高要求。Ti2AlNb合金因具有较高的比强度和良好高温性能而受到广泛关注，然而该合金内部金属间化合物的本征脆性使其应用受到一定限制。因此，如何提高Ti2AlNb合金的塑性逐渐成为研究焦点。传统Ti2AlNb合金板材是利用铸造、轧制和后续热处理工艺结合制备。使用传统轧制工艺制备的Ti2AlNb合金板材的综合力学性能欠佳，主要是因为利用铸造法制备的Ti2AlNb合金成分易偏析，且合金在轧制过程中容易开裂；为获得成分均匀的板材，轧制后需对板材进行复杂的后续热处理工序，又会引起板材组织粗大等问题。
目前，已有关于通过控制挤压、锻造和轧制的变形量和温度，而后采用改变后续热处理温度及时间等改善Ti2AlNb合金的综合力学性能的报道，整个工艺流程繁琐，不易控制。与铸造方法相比，粉末冶金法可制备的材料组织更加均匀。因此，近年来已有学者展开粉末冶金法制备Ti2AlNb合金并通过大变形改善合金性能的研究工作，其中包括将预合金粉以及元素粉通过热压烧结法、放电等离子烧结法以及热等静压法制备合金坯料，获得了组织均匀的坯料，然而未变形处理的坯料综合力学性能欠佳。目前，已有研究发现放电等离子烧结法可高效的制备出成分均匀，组织细小的合金坯料，但尚未见有关于Ti2AlNb合金放电等离子烧结后轧制制备Ti2AlNb合金板材的报道。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种无需后续热处理的Ti2AlNb合金板材制备方法，该方法制备的坯料组织均匀，最终制得的板材具有良好的综合力学性能。
本发明的技术方案为：一种Ti2AlNb合金板材制备方法，所述制备方法步骤包括：
一、合金坯料制备
利用放电等离子烧结法制备Ti2AlNb合金坯料，预合金粉在高于B2单相区10℃-50℃的范围进行放电等离子烧结，烧结压力控制在20MPa-80MPa，保压时间控制在10min-30min，烧结完毕后机械加工得到坯料；
二、将坯料置于包套内封焊
将坯料打磨至粗糙度为Ra0.5-Ra1，并喷涂厚度为0.05mm-0.1mm的防氧化剂，然后放入包套中，将包套封焊，打磨因焊接引起的凸起，得到包有坯料的包套；其中，包套的上下面的厚度为0.5mm以上，侧面厚度为3mm以上；
三、高温轧制
①将加热炉升温至轧制温度，轧制温度在B2单相区或α2+B2+O三相区内；
②将包有坯料的包套放入加热炉中首次保温，保温时间为10min-60min；
③将首次保温后的包套从加热炉中取出后置于轧机上进行第一道次轧制；
④将第一道次轧制所得的轧件回炉保温一段时间；
⑤将二次保温后的轧件从加热炉中取出后置于轧机上进行第二道次轧制；
⑥如此往复回炉保温多道次轧制；
⑦将最后一次保温后的轧件取出进行最后一道次轧制，最后轧制后轧件空冷，得到带有包套的合金板材；
其中，后续保温时间为首次保温时间的1/4-1/2，轧辊线速度为0.2m/s-1m/s，单道次变形量为5％-50％；总变形量为30％-80％；
四、去除包套
去除合金板材的包套，得到Ti2AlNb合金板材。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明采用放电等离子烧结法制备组织均匀的Ti2AlNb原始坯料，并且采用包套轧制法制备板材，无需后续热处理过程即可获得具有良好综合力学性能的Ti2AlNb合金板材。本发明不需要轧制后的热处理工艺，可显著简化板材制备流程，有效避免组织在热处理过程中的异常长大，从而提升材料综合力学性能，包套去除过程不再需要机械加工，仅需剪板机即可完成板材与包套的剥离工作，有效地提升了生产效率。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为实施例中Ti-20Al-25Nb预合金粉的形貌图；
图2为由实施例制得的包套Ti2AlNb合金板材的实物图；
图3为不同实施例中得到的Ti2AlNb合金板材的拉伸应力应变图；
图4为不同实施例中得到的Ti2AlNb合金板材与现有文献的性能比对图。
具体实施方式
本实施方式的一种Ti2AlNb合金板材的制备方法，包括：
一、合金坯料制备
利用放电等离子烧结法制备Ti2AlNb合金坯料，预合金粉在高于B2单相区10℃-50℃的范围进行放电等离子烧结，烧结压力控制在20MPa-80MPa，保压时间控制在10min-30min，烧结完毕后机械加工得到坯料；
二、将坯料置于包套内封焊
将坯料打磨至粗糙度为Ra0.5-Ra1，并喷涂厚度为0.05mm-0.1mm的防氧化剂，然后放入包套中，将包套封焊，打磨因焊接引起的凸起，得到包有坯料的包套；其中，包套的上下面的厚度为0.5mm以上，侧面厚度为3mm以上；
三、高温轧制
①将加热炉升温至轧制温度，轧制温度在B2单相区或α2+B2+O三相区；
②将包有坯料的包套放入加热炉中首次保温，保温时间为10min-60min；
③将首次保温后的包套从加热炉中取出后置于轧机上进行第一道次轧制；
④将第一道次轧制所得的轧件回炉保温一段时间；
⑤将二次保温后的轧件从加热炉中取出后置于轧机上进行第二道次轧制；
⑥如此往复回炉保温多道次轧制；
⑦将最后一次保温后的轧件取出进行最后一道次轧制，最后轧制后轧件空冷，得到带有包套的合金板材；
其中，后续保温时间为首次保温时间的1/4-1/2，轧辊线速度为0.2m/s-1m/s，单道次变形量为5％-50％；总变形量为30％-80％；
四、去除包套
去除合金板材的包套，得到Ti2AlNb合金板材。
作为一个示例：步骤一中的坯料为利用机械加工制备的长方形坯料，与此对应的步骤二中包套的上下两个面的厚度为0.5mm以上，四个侧面厚度为3mm以上，包套选用不锈钢材料，步骤二中防氧化剂为ZrO2或者BN，有防止坯料被氧化和止焊的作用。打磨掉因焊接引起的凸起，该过程有利于控制后续轧制变形量精度，步骤四中利用剪板机去除四个侧面的包套，因Ti2AlNb坯料上涂有止焊材料，使用剪板机去除四个侧面的包套后，包套上下两个平面与合金板材即可分离。与传统机械加工，如铣、车等复杂的包套去除过程相比，该剪板机去除过程可有效提高生产效率。步骤一所述预合金粉由气雾化制备，烧结过程中烧结压力控制在40MPa-80MPa，保压时间控制在10min-30min。
优选地，步骤一中烧结温度为1040℃-1080℃，烧结压力控制在50MPa-60MPa，保压时间控制在10min-20min。
下面结合实施例进一步地说明本发明制备方法的优越性：
一种Ti2AlNb合金板材的制备如下：
实施例1
一、合金坯料制备
预合金粉成分为Ti-20Al-25Nb，形貌如图1所示，放电等离子烧结温度为1060℃，烧结压力为50MPa，保压时间为10min，烧结完毕后，利用机械加工制备出轧制用28mm×28mm×3mm长方形坯料；
二、将坯料置于包套内封焊
选择304不锈钢为包套材料，包套上下面的厚度为1.5mm，侧面厚度为3mm，将坯料打磨至粗糙度为Ra0.8-Ra1，而后表面喷涂厚度为0.05mm-0.1mm的ZrO2或者BN，将坯料置于包套内，将包套封焊，打磨掉因焊接引起的凸起，得到包有坯料的包套；
三、高温轧制
①将加热炉升温至1030℃；
②将包有坯料的包套放入炉中保温15min；
③将首次保温后的包套从加热炉中取出后置于轧机进行第一道次轧制，首道次压下量为42％，轧辊线速度为0.3m/s；
④将第一道次轧制所得轧件回炉保温7min；
⑤将二次保温后的轧件从加热炉中取出后置于轧机上进行第二道次轧制，第二道次压下量为42％，轧辊线速度为0.3m/s；
⑥经过2道次轧制后将轧件空冷，获得带有包套的合金板材，如图2所示，可见，板材表面光泽，无裂痕；
四、去除包套
利用剪板机去除包套，而后对所得Ti2AlNb合金板材进行抗拉强度测试，测得板材抗拉强度为1239MPa，延伸率为6.47％，如图3所示的带有方点的曲线图。
实施例2
本实施例的步骤一和步骤二与实施例1相同，不再敖述，不同的是步骤三和步骤四：
三、高温轧制
①将加热炉升温至1030℃；
②将包有坯料的包套放入加热炉中保温15min；
③将首次保温后的包套从加热炉中取出后置于轧机进行第一道次轧制，首道次压下量为30％，轧辊线速度为0.3m/s；
④将第一道次轧制所得轧件回炉保温7min；
⑤将二次保温后的轧件从炉中取出后置于轧机上进行第二道次轧制，第二道次压下量为30％，轧辊线速度为0.3m/s；
⑥将第二道次轧制所得轧件回炉保温7min；
⑦将三次保温后的轧件从加热炉中取出后置于轧机上进行第三道次轧制，第三道次压下量为30％，轧辊线速度为0.3m/s；
⑧经过3道次轧制后将轧件空冷，获得带有包套的合金板材。
四、去除包套
利用剪板机去除包套，而后对所得Ti2AlNb合金板材进行抗拉强度测试，测得板材抗拉强度为1187MPa，延伸率为7.17％，如图3所示的带有圆点的曲线图。
实施例3
本实施例的步骤一和步骤二与实施例1和2相同，不再敖述，不同是步骤三和步骤四；
三、高温轧制
①将加热炉升温至1030℃；
②将包有坯料的包套放入加热炉中保温15min；
③将首次保温的包套从加热炉中取出后置于轧机进行第一道次轧制，首道次压下量为 30％，轧辊线速度为0.3m/s；
④将第一道次轧制所得轧件回炉保温7min；
⑤将二次保温后的包套从炉中取出后置于轧机上进行第二道次轧制，第二道次压下量为21％，轧辊线速度为0.3m/s；
⑥将第二道次轧制所得轧件回炉保温7min；
⑦将三次保温后的轧件从加热炉中取出后置于轧机上进行第三道次轧制，第三道次压下量为21％，轧辊线速度为0.3m/s；
⑧将第三道次轧制所得轧件回炉保温7min；
⑨将四次保温后的轧件从炉中取出后置于轧机上进行第四道次轧制，第四道次压下量为21％，轧辊线速度为0.3m/s；
⑩经过4道次轧制后将轧件空冷，获得带有包套的合金板材。
四、去除包套
利用剪板机去除包套，而后对所得Ti2AlNb合金板材进行抗拉强度测试，测得板材抗拉强度为1122MPa，延伸率为9.49％，如图3所示的带有三角点的曲线图。
上述三个实施例通过与现有文献1和文献2对比，文献1：S.EmuraK.Tsuzaki，K.Tsuchiya.Improvement of room temperature ductility for Mo and Fe modifiedTi2AlNb alloy.Materials Science and Engineering A 528(2010)355–362。
文献2：W.Wang，W.Zeng，C.Xue,X.Liang，J.Zhang.Microstructural evolution，creep， and tensile behavior of a Ti–22Al–25Nb(at％)orthorhombicalloy.Materials Science& Engineering A 603(2014)176–184。
经测试三个实施例得到的Ti2AlNb合金板材的强度和韧性的组合较高，如图4所示，其中：三角点对应曲线中由上至下表示为实施例1、实施例2和实施例3的对应的Ti2AlNb合金板材数据，方形点曲线图表示文献1对应的数据，圆形点曲线图表示文献2对应的数据。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (9)
1.一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤包括：
一、合金坯料制备
利用放电等离子烧结法制备Ti2AlNb合金坯料，预合金粉在高于B2单相区10℃-50℃的范围进行放电等离子烧结，烧结温度为1040℃-1080℃，烧结压力控制在20MPa-80MPa，保压时间控制在10min-30min，烧结完毕后机械加工得到坯料；
二、将坯料置于包套内封焊
将坯料打磨至粗糙度为Ra0.5-Ra1，并喷涂厚度为0.05mm-0.1mm的防氧化剂，然后放入包套中，将包套封焊，打磨因焊接引起的凸起，得到包有坯料的包套；其中，包套的上下面的厚度为0.5mm以上，侧面厚度为3mm以上；
三、高温轧制
①将加热炉升温至轧制温度1030℃，轧制温度在B2单相区或α2+B2+O三相区内；
②将包有坯料的包套放入加热炉中首次保温，保温时间为10min-60min；
③将首次保温后的包套从加热炉中取出后置于轧机上进行第一道次轧制；
④将第一道次轧制所得的轧件回炉保温一段时间；
⑤将二次保温后的轧件从加热炉中取出后置于轧机上进行第二道次轧制；
⑥如此往复回炉保温多道次轧制；
⑦将最后一次保温后的轧件取出进行最后一道次轧制，最后轧制后轧件空冷，得到带有包套的合金板材；
其中，后续保温时间为首次保温时间的1/4-1/2，轧辊线速度为0.2m/s-1m/s，单道次变形量为5％-50％；总变形量为30％-80％；
四、去除包套
利用剪板机去除四个侧面的包套，得到Ti2AlNb合金板材。
2.根据权利要求1所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：步骤一所述预合金粉由气雾化制备，烧结过程中烧结压力控制在40MPa-80MPa，保压时间控制在10min-30min。
3.根据权利要求2所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：步骤一中烧结温度为1040℃-1080℃，烧结压力控制在50MPa-60MPa，保压时间控制在10min-20min。
4.根据权利要求2或3所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：步骤一中预合金粉成分为Ti-20Al-25Nb，烧结温度为1060℃，烧结压力为50MPa，保压时间为10min。
5.根据权利要求4所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：步骤一中利用机械加工制备出长方形坯料，步骤二中包套的上下两个面的厚度为1.5mm，四个侧面厚度为3mm。
6.根据权利要求5所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：首次保温时间为15min。
7.根据权利要求6所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：后续保温时间为7min，轧辊线速度为0.3m/s，单道次变形量为42％，进行两道次轧制。
8.根据权利要求6所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：后续保温时间为首次保温时间的7min，轧辊线速度为0.3m/s，单道次变形量为30％，进行三道次轧制。
9.根据权利要求6所述一种Ti2AlNb合金板材制备方法，其特征在于：后续保温时间为首次保温时间的7min，轧辊线速度为0.3m/s，单道次变形量为5％-50％，进行四道次轧制。
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