CN111790866A - 一种无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于Ti‑Al金属间化合物热加工技术领域，具体涉及到一种无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法及应用。将坯料预热800～900℃/30～60分钟，出炉后滚涂2～3mm厚度玻璃润滑粉，利用玻璃润滑粉高温黏性快速贴合相应厚度的保温棉层，回炉重新升温到锻造温度1200～1300℃，保温4～6小时进行镦粗变形，镦粗第一步变形量在50～60％，回炉加热1～3小时，镦粗第二步变形量在40～60％达到工艺要求高度，坯料变形速率控制在10^‑1～10^‑2/s，模具温度保持在900～950℃，锻后随炉冷到室温。本发明TiAl合金大尺寸饼坯在变形过程中不协调变形约束，适用于航空发动机盘件及环件的模锻成型。

Description

一种无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法及应用

技术领域

本发明属于Ti-Al金属间化合物热加工技术领域，具体涉及到一种无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法及应用。

背景技术

轻质TiAl合金有着良好的高温强度、抗蠕变、抗氧化能力，高温组织稳定性和高弹性模量，具备高温结构材料的特征。用TiAl合金替代高温合金制备压气机叶环制备航空发动机热端转子部件，不但可实现自身结构减重，而且较小的离心力作用可以使盘件承受较高转速或明显减轻盘件的重量，这对提高航空发动机的材料选择意义重大。开展TiAl合金盘件及环件的研制，实现此领域与国际先进技术的同步发展，提高我国先进发动机的推重比和工作寿命，具有广阔的应用前景和良好的社会、经济效益。

但是，该材料热塑性低、流变抗力大的特点，导致TiAl合金的热变形参数窗口非常窄，需要在金属包套隔离下实现近等温条件下热变形，形成的锻件的尺寸和质量往往难以满足应用要求，如何在可接受成本前提下提高产品的成品率是当今科研人员聚焦的热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法及应用，所要解决的技术问题是：通过无包套近等温锻造手段，得到变形均匀、晶粒度细小的大尺寸TiAl合金饼材，取消金属隔热包套设计，提高产品的尺寸精度和合格率。

本发明的技术方案是：

一种无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，包括如下步骤：

步骤1：车削去退火后的坯料表面氧化皮，表面粗糙度达到Ra6.3～1.6μm，上下两端面倒圆R10～20mm，整体表面最终喷砂处理；

步骤2：坯料预热制度为：温度为800～900℃，时间为30～60分钟，出炉后滚涂2～3mm厚度玻璃润滑粉，利用玻璃润滑粉高温黏性快速贴合相应厚度5～10mm保温棉层；

步骤3：将坯料用保温棉层包裹后，放置于加热炉中加热至工艺要求温度并保温至工艺要求保温时间；

步骤4：坯料经过两次镦粗变形，镦粗第一次变形量范围控制在50～60％，回炉加热1～3小时，镦粗第二次变形量范围在40～60％达到工艺要求高度，坯料变形速率控制在10^-1～10^-2/s，模具温度保持在900～950℃；

步骤5：锻造后饼坯放置在搁物架上自然空冷处理。

所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，按重量百分比计，TiAl合金成分为：

Al:27％～30％，Nb:7％～11％，Mo:1.0％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素为Fe、Si、O、N、H，Fe≤0.3％，Si≤0.3％，O≤0.1％，N≤0.04％，H≤0.01％。

所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，TiAl合金坯料的冶炼工艺如下：

原材料采用0～1级海绵钛，合金元素Mo、Nb以中间合金形式加入；合金元素Al部分由中间合金带入，不足部分以纯Al加入；中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极；将电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼2～3次，制成合金铸锭。

所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，步骤3中，坯料在α+β+γ三相区随炉加热，保温时间为4～6小时，出炉后坯料转移至锻造台面时间小于2分钟。

所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的应用，通过锻造制度和热处理工艺组合，获得拉伸强度与塑性、疲劳强度强度与热稳定性的良好匹配；该TiAl合金用于制作先进航空发动机轻质耐高温部件，在650～800℃范围内代替传统镍基高温合金长时使用。

所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的应用，TiAl合金大尺寸饼坯的性能指标范围如下：

室温条件下，拉伸强度σ_b＝600～1000MPa，塑性δ＝1～3％，疲劳强度σ＝550～700MPa；800℃条件下，拉伸强度σ_b＝550～700MPa，塑性δ＝20～50％，疲劳强度σ＝350～500MPa，持续100h的持久强度σ＝200～250MPa。

本发明的设计思想是：

本发明利用高温玻璃的黏性和保温棉隔热的共同作用，使窄热加工窗口TiAl合金(变形温度≥1200℃/变形速率≤0.1/s)处于绝热的条件下，避免等温锻造昂贵的钼合金模具投入或传统金属包套隔热变形不协调的弊端，TiAl合金在软包套保护下在常规的钛合金等温锻造设备条件下可顺利进行锻造变形，软包套在变形过程中隔热作用良好、润滑效果好、不脱落及锻造后易清理等优点，最重要的是在该条件下TiAl合金独立参与变形，热变形协调性好、尺寸和流线可控性强，可以节省坯料投入。整体效果全面优于金属隔热包套设计方案，且成本低、周期短、易于操作等优点。

本发明的优点及有益效果是：

1、采用本发明在TiAl合金饼坯变形过程中，无TiAl合金与不锈钢材料不协调变形约束，得到饼坯轮廓清晰、尺寸精度高，玻璃粉滚涂+保温棉隔热保温效果好，温度场均匀一致，得到饼材表面光滑无裂纹，饼坯每道次变形充分、晶粒度细小均匀，无明显流线和死区。

2、本发明无包套TiAl合金大尺寸饼坯的直径达到600～800mm，适用于航空发动机盘件及环件的模锻成型。

附图说明

图1为本发明实施例制备的TiAl合金铸锭滚涂玻璃粉+保温棉隔热照片。

图2为本发明实施例制备的TiAl合金饼材照片

图3为本发明实施例制备的TiAl合金横截面低倍金相照片。

图4为本发明实施例制备的TiAl合金横截面高倍显微组织照片。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，无需传统的金属隔热包套设计，首先直接将坯料预热800～900℃/30～60分钟，出炉后滚涂2～3mm厚度玻璃润滑粉，利用玻璃润滑粉高温黏性快速贴合相应厚度的保温棉层，回炉重新升温到锻造温度1200～1300℃，保温4～6小时进行镦粗变形，镦粗第一步变形量在50～60％，回炉加热1～3小时，镦粗第二步变形量在40～60％达到工艺要求高度，坯料变形速率控制在10^-1～10^-2/s，模具温度保持在900～950℃，锻后饼材随炉冷到室温。需要强调的是：本发明工艺路线采用高温玻璃滚涂保温棉隔热处理替代传统金属包套设计，滚涂玻璃粉可随金属变形而延展，施加在金属表面起到润滑作用；同时，在高温下玻璃粉与金属接触时逐层熔化，与保温棉层紧密贴合。

下面，选取TNM合金(Ti-28Al-9Nb-2.4Mo-0.03B,wt％)坯料，对本发明的工艺步骤进行详细说明。

实施例

本实施例中，按重量百分比计，TiAl合金坯料成分为：Al 31％，Nb 9％，Mo 2.4％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素为Fe、Si、O、N、H，Fe 0.1％，Si0.08％，O 0.06％，N 0.02％，H 0.007％。

现有坯料规格

根据本工艺路线制定以下步骤：

第一步，车削去退火后的坯料表面氧化皮，直径

高度480mm，表面粗糙度达到Ra6.3μm，上下两端面倒圆R15mm，整体表面最终喷砂处理；

第二步，将第一步表面处理后的坯料送入箱式炉加热到900℃/60分钟，出炉后滚涂2～3mm厚度玻璃润滑粉，并贴合相应厚度的保温棉层(见图1)，回炉重新升温到锻造温度1250℃，保温6小时。

第三步，坯料保温完毕利用机械手转移到锻造设备中进行镦粗变形，锻造设备的模具温度保持900～950℃，表面喷涂石墨粉进行润滑，第一次变形高度由480mm镦粗至200mm，变形速率保持在0.1/s。

第四步，坯料重新移入至加热炉内，温度1250℃，保温2小时，锻造设备的模具温度继续保持900～950℃，模具表面再次喷涂石墨粉进行润滑，第一次变形高度由200mm镦粗至90mm，变形速率保持在0.05/s。

经过以上锻造过程控制，得到尺寸

的饼材，锻造后饼材随即转移至炉内炉冷到室温，避免产生热应力部件开裂。

本实施例中，TiAl合金大尺寸饼坯的性能指标如下：

室温条件下，拉伸强度σ_b＝650～900MPa，塑性δ＝1～2％，疲劳强度σ＝600～650MPa(1×10⁷次循环)；

750℃条件下，拉伸强度σ_b＝650～800MPa，塑性δ＝6～10％，疲劳强度σ＝450～550MPa(1×10⁷次循环)，750℃持久强度σ＝300～350MPa(持续时间为100h)。

如图2所示，从TiAl合金饼材照片可以看出，饼材轮廓度清晰平整，上下平面平坦无明显起伏，机械加工余量小，无金属包套包套变形产生的圆柱形台阶，方便工艺实施和余量的设计。

如图3所示，从TiAl合金横截面低倍金相照片可以看出，流线方向均匀一致，有中心沿径向水平发散，中心区域无明显死区，饼材的力学性能一致性较好，同时饼材边缘部位圆滑完整，无微观开裂，材料的利用率高。

如图4所示，从TiAl合金横截面高倍显微组织照片可以看出，饼材在变形率≥80％的条件下，铸态组织破碎充分，晶粒在20～100μm范围，晶粒度细小，组织主要有α₂+γ片层、β和γ相晶粒组成。

实施例结果表明，本发明通过无金属包套前提下实现近等温锻造的变形窗口，在成本节约条件下可以得到尺寸精确、综合性能良好的大规格锻饼。用本发明的方法制备得到TiAl合金饼材，克服TiAl合金变形中与包套材料不协调变形，扩宽TiAl合金的热加工窗口，单道次变形量充分，铸态组织破碎更加彻底，得到的饼材显微组织一致性好。

Claims (6)

1.一种无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：车削去退火后的坯料表面氧化皮，表面粗糙度达到Ra6.3～1.6μm，上下两端面倒圆R10～20mm，整体表面最终喷砂处理；

步骤2：坯料预热制度为：温度为800～900℃，时间为30～60分钟，出炉后滚涂2～3mm厚度玻璃润滑粉，利用玻璃润滑粉高温黏性快速贴合相应厚度5～10mm保温棉层；

步骤3：将坯料用保温棉层包裹后，放置于加热炉中加热至工艺要求温度并保温至工艺要求保温时间；

步骤4：坯料经过两次镦粗变形，镦粗第一次变形量范围控制在50～60％，回炉加热1～3小时，镦粗第二次变形量范围在40～60％达到工艺要求高度，坯料变形速率控制在10^-1～10^-2/s，模具温度保持在900～950℃；

步骤5：锻造后饼坯放置在搁物架上自然空冷处理。

2.按照权利要求1所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，其特征在于，按重量百分比计，TiAl合金成分为：

Al:27％～30％，Nb:7％～11％，Mo:1.0％～3.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素为Fe、Si、O、N、H，Fe≤0.3％，Si≤0.3％，O≤0.1％，N≤0.04％，H≤0.01％。

3.按照权利要求1所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，其特征在于，TiAl合金坯料的冶炼工艺如下：

原材料采用0～1级海绵钛，合金元素Mo、Nb以中间合金形式加入；合金元素Al部分由中间合金带入，不足部分以纯Al加入；中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极；将电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼2～3次，制成合金铸锭。

4.按照权利要求1所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的锻造方法，其特征在于，步骤3中，坯料在α+β+γ三相区随炉加热，保温时间为4～6小时，出炉后坯料转移至锻造台面时间小于2分钟。

5.一种权利要求1至4之一所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的应用，其特征在于，通过锻造制度和热处理工艺组合，获得拉伸强度与塑性、疲劳强度强度与热稳定性的良好匹配；该TiAl合金用于制作先进航空发动机轻质耐高温部件，在650～800℃范围内代替传统镍基高温合金长时使用。

6.按照权利要求5所述的无包套TiAl合金大尺寸饼坯的应用，其特征在于，TiAl合金大尺寸饼坯的性能指标范围如下：

室温条件下，拉伸强度σ_b＝600～1000MPa，塑性δ＝1～3％，疲劳强度σ＝550～700MPa；800℃条件下，拉伸强度σ_b＝550～700MPa，塑性δ＝20～50％，疲劳强度σ＝350～500MPa，持续100h的持久强度σ＝200～250MPa。

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