CN112296606B - 一种真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法，包括如下步骤：S1、熔炼：将纯Ti，纯Al熔炼为TiAl合金熔体；S2、离心铸造：将TiAl合金熔体浇入离心铸造设备的铸型模具中，合金熔体在离心力的作用下约束成形，得到TiAl合金铸管坯；S3、切割：将TiAl合金铸管坯进行切割，得到TiAl合金坯料；S4、压制成型：将TiAl合金坯料进行压制和表面处理，得到TiAl合金板坯。本发明通过采用真空离心铸造的方法，使得液态TiAl合金熔体能够直接快速冷凝形成管坯，然后通过压制成形有效控制组织和尺寸，制备出可直接使用或适合热变形加工的TiAl合金板坯，实现低成本、短流程、大规格制造，拓宽了TiAl合金板材的工业应用。

Description

一种真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料加工和板材制造技术领域，具体涉及一种真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法。

背景技术

TiAl合金是一种有望替代部分Ni基高温合金的新型轻质高温结构材料，其因具有优异的性能，包括低密度、高比强度和高比模量、良好的的高温抗氧化和抗蠕变性能，而备受业界关注。TiAl合金可用于发动机用高压涡轮叶片、压缩机叶片、热防护板、排气阀和喷嘴等部件，在航空、航天以及汽车发动机等领域具有广泛的应用前景。其中TiAl合金板材/带材成为该种材料工业化、实用化过程中最为急需的材料。然而，TiAl合金室温塑性低，高温变形能力差，传统加工工艺难度大，严重制约低成本、高质量TiAl合金板材的制备。截至目前，TiAl合金板材制备技术中存在的问题仍没有得到良好的解决。

现有技术中，TiAl合金板材的制备方法主要包括铸锭冶金工艺(PM)和粉末冶金工艺(IM)。粉末冶金工艺能获得组织均匀细小、化学成分均匀的合金板材，但其设备价格昂贵、工艺复杂、成本较高，同时可能存在氧、氢和夹杂的孔隙缺陷，反而对组织和性能造成不利影响。而传统的铸锭冶金工艺中，为消除铸造TiAl合金存在的显微组织粗大、成分偏析、加工性能差等问题，需通过后续多道次的锻造、轧制等冷热加工的方法来改善合金的组织和性能，加工周期长，材料利用率低，难以制备大尺寸的板材。

此外，由于TiAl合金在熔融状态下流动性较差，凝固收缩量较大，铸件易产生缩孔缩松和裂纹等缺陷，同时在高温下化学性质活泼，易与其它物质发生化学反应，从而在实际工业生产中成品率低、成本较高，难以实现规模化应用。而真空离心铸造工艺是实现金属近净成形的有效方法之一，通过离心力的作用，在充型过程中实现补缩，直接生产出高质量的铸管件。

因此，亟需一种快速成形出高性能的TiAl合金板材的制备方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术的不足，解决现有技术中的TiAl合金室温塑性低，高温变形能力差，传统加工工艺难度大的问题，本发明提供了一种真空离心TiAl金属间化合物管材/板材的制备方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法，包括如下步骤：

S1、熔炼：将纯Ti，纯Al与金属Nb、金属Mo在真空环境或氩气保护条件下熔炼，制备TiAl合金熔体；

S2、真空离心铸造：将步骤S1熔炼得到的TiAl合金熔体浇入处于真空环境以及氩气保护条件下的离心铸造设备的铸型模具中，TiAl合金熔体在离心力的作用下约束成形，经过快速冷却、凝固脱模后得到中空的TiAl合金铸管坯；

S3、切割：将步骤S2得到的TiAl合金铸管坯沿着铸管坯方向进行切割，得到具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料；

S4、压制成型：将步骤S3得到的TiAl合金坯料进行压制和表面处理，得到一定厚度的TiAl合金板坯。

如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S1中，TiAl合金在石墨坩埚或者氧化钙坩埚进行熔炼。

如上所述的制备方法，优选地，步骤S1之前，还包括对铸型模具进行预热，预热温度为400-600℃。

如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S2中，离心铸造设备为真空及氩气保护下的立式离心铸造设备。

如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S2中，铸型模具为不锈钢模具，所述不锈钢模具的内表面涂覆氮化硼涂层。

如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S2中，合金熔体浇注温度为1550～1600℃。

如上所述的制备方法，优选地，所述步骤S2中，离心转速为900～1200r/min。

如上所述的制备方法，优选地，在步骤S3之后，步骤S4之前，对具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料进行软包套处理，具体为：采用保温石棉包覆TiAl合金坯料，然后在加热温度为800～1000℃下进行压制处理。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：对传统铸锭冶金工艺进行改进，经过真空熔炼、真空离心铸造、刨分切割、压制成形等工序，相比现有技术的复杂制备工艺，大大缩短了工艺流程，节省制造成本。另外，本发明采用真空离心铸造工艺，在离心力的作用下，合金熔体能够在充型过程中实现补缩，铸件组织较致密，缩松缩孔等缺陷较少，并且可以实现半连续铸造，铸管长度不受模具限制。由于离心铸管管壁较薄，因此金熔体的凝固时间短，速度快，缩松缩孔缺陷少，同时防止发生裂纹缺陷，可以实现TiAl合金的近净成形，直接生产出高质量的铸管件，为后续工艺提供优质坯料。此外真空环境可以有效减少合金元素的氧化和损耗，避免浪费。

本发明利用快速冷却作用以及适当压制变形，能够有效控制组织尺寸，实现可直接使用或二次热变形加工的大规格、高质量TiAl宽幅板坯，缩短工艺流程，拓宽TiAl合金板材的工业应用。

本发明通过真空熔炼、真空离心铸造、刨分切割、压制成形等工序，制备得到的TiAl合金板材的致密度远高于传统整体板坯或连铸坯制成的板材，晶粒更加细小，组织性能更加均匀，不存在明显的宏观偏析。同时合金材料的利用率提高，成品率高，可实现低成本、高性能TiAl合金板材制备。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图；

图1a表示本发明中步骤S1以及步骤S2对合金进行真空熔炼和离心铸造；

图1b表示本发明中步骤S2离心铸造后得到中空铸管材；

图1c表示本发明中对步骤S2得到的中空管材进行刨分切割；

图1d表示本发明中对切割后的管材进行软包套处理；

图1e表示本发明中对切割后的管材进行初期压制成形；

图1f表示本发明中对切割后的管材进行后期压制成形；

图2为实施例1中制备得到的真空离心铸管坯的实物图；

图3是实施例1中制备得到的TiAl合金板材的显微组织。

【附图标记说明】

A：浇口；B：浇包；C：金属型；D：旋转轴承；E：保温石棉包套。

具体实施例

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法，包括如下步骤：

S1、熔炼：将纯Ti，纯Al以及其他合金在真空环境或氩气保护条件下熔炼，制备TiAl合金熔体。真空环境或氩气保护条件下进行合金熔炼，能够有效减少合金元素的氧化和损耗，避免浪费。

S2、真空离心铸造：将步骤S1熔炼得到的TiAl合金熔体浇入处于真空环境以及氩气保护条件下的离心铸造设备的铸型模具中，TiAl合金熔体在离心力的作用下约束成形，经过快速冷却、凝固脱模后得到中空的TiAl合金铸管坯。采用真空离心铸造工艺，在离心力的作用下，合金熔体能够在充型过程中实现补缩，铸件组织较致密，缩松缩孔等缺陷较少。由于离心铸管管壁较薄，因此合金熔体的凝固时间短，冷却速度快，缩松缩孔缺陷少，同时防止发生裂纹缺陷，可以实现TiAl合金的近净成形，直接生产出高质量的铸管件，为后续工艺提高优质坯料。

S3、切割：将步骤S2得到的TiAl合金铸管坯沿着合金铸管坯的方向进行刨分切割，得到具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料；

S4、压制成型：将步骤S3得到的TiAl合金坯料进行压制和表面处理，得到一定厚度的TiAl合金板坯。TiAl合金坯料通过压制成形有效控制组织和尺寸，制备出可直接使用或适合热变形加工的TiAl合金板坯。

合金能够快速冷却的原因为：离心铸造设备中铸型模具的管壁较薄，有利于合金熔体的实现散热，此外，铸型模具的管壁相比合金熔体直接形成的铸锭的散热面积大，热交换更快，因此，在TiAl合金熔体在铸型模具中能够以较短的时间冷却，铸态组织来不及产生缩松缩孔，缩松缩孔缺陷少，同时防止合金铸管坯产生裂纹缺陷。

本实施例的制备方法经过真空熔炼、真空离心铸造、刨分切割、压制成形等工序，相比现有技术的复杂制备工艺，大大缩短了工艺流程，节省制造成本。制备得到的TiAl合金板材的致密度远高于传统整体板坯或连铸坯制成的板材，晶粒更加细小，组织性能更加均匀，不存在明显的宏观偏析。同时合金材料的利用率提高，成品率高，可实现低成本、高性能TiAl合金板材制备。

优选地，所述步骤S1中，熔炼的原材料包括纯度大于99.95％的海绵Ti，纯度大于99.99％的高纯Al，金属Nb选用质量分数为50％的铝铌合金(Al-50Nb合金，质量分数，wt.％)、金属Mo的质量分数为56％的铝钼合金(Al-56Mo，质量分数，wt.％)。

优选地，上述熔炼的原材料还包括纯度大于99.99％的高纯V锭以及纯度大于99.99％的高纯B粉末。

需要说明的是，合金熔炼原材料可以按照满足合金成分进行配比，也可以直接采用满足成分要求的TiAl合金铸锭。

优选地，所述步骤S1中，TiAl合金在石墨坩埚或者氧化钙坩埚进行熔炼。由于Ti元素和Al元素化学性质较为活泼，因此本实施例选用石墨坩埚或者氧化钙坩埚进行熔炼，以防止Ti元素和Al元素与坩埚发生化学反应引入杂质。

优选地，在所述步骤S1之前，需要对铸型模具进行预热，预热温度为400-600℃。在熔炼之前对铸型模具进行预热，能够防止快速冷凝的合金熔体直接遇到较冷的模具壁产生裂纹。

优选地，所述步骤S2中，离心铸造设备为真空及氩气保护下的立式离心铸造设备。

优选地，所述步骤S2中，铸型模具为不锈钢模具，不锈钢模具的内表面涂覆氮化硼涂层。不锈钢模具的内表面涂覆氮化硼涂层能够保证合金熔体浇注成形后顺利脱模，并保证铸件表面质量。

优选地，所述步骤S2中，合金熔体浇注温度为1550～1600℃。该浇注温度能够保证合金熔体的流动性，同时保证合金熔体在模具浇注过程的管坯成形。

优选地，不锈钢模具的尺寸为：高度200-300mm，直径80-210mm、壁厚5-20mm。本实施例的不锈钢模具尺寸不仅限于上述范围，可以根据实际生产需要进行选择。

优选地，所述步骤S2中，离心转速为900～1200r/min。

模具的离心转速是产品质量的关键影响因素，制备的管材的直径越大，离心铸造过程中所需的离心转速越小，此外，管材越高，所需的离心转速越大。

优选地，在步骤S3之后，步骤S4之前，对具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料进行软包套处理，具体为：采用保温石棉包覆TiAl合金坯料，然后在加热温度为800～1000℃下进行压制处理。

实施例1

本实施例提供一种前述的真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法，包括如下步骤：

S1、熔炼：将纯度≥99.95％的海绵钛、纯度≥99.99％的Al、Al-50Nb(质量分数，wt.％)合金以及Al-56Mo(质量分数，wt.％)合金，按成分配比，在真空环境下熔炼为Ti-43Al-4Nb-1.5Mo(原子分数，at.％)的TiAl合金熔体。其中，真空压力为10^-3Pa，以保证合金熔体纯度。

本实施例选用石墨坩埚进行合金熔炼，以防止Ti元素和Al元素与坩埚发生化学反应引入杂质。合金熔体浇注温度为1580℃，保证合金熔体的流动性，同时保证在模具浇注过程的管坯成形。

S2、真空离心铸造：将步骤S1熔炼得到的TiAl合金熔体浇入处于真空气氛保护下的立式离心铸造设备的铸型模具中，参照图1a，TiAl合金熔体在离心力的作用下约束成形，经过快速冷却、凝固脱模后得到中空的TiAl合金铸管坯。

本实施例中，离心铸型采用不锈钢模具，且不锈钢模具的直径为120mm，高度为200mm，壁厚为10mm，离心转速为1070r/min。该不锈钢模具内表面涂覆氮化硼涂层，以保证合金熔体浇注成形后顺利脱模，并保证铸件质量。

根据上述TiAl合金的具体成分和密度特点，本实施例中模具加热温度为500℃，既保证合金溶体快速凝固，又能够防止合金熔体骤冷产生裂纹缺陷。TiAl合金熔体在不锈钢模具内凝固后脱模，得到内径为100mm、壁厚为8mm、高度为200mm的TiAl合金中空铸管坯，参照图1b，其实物如图2所示，可以看出TiAl合金中空铸管坯较为致密。

S3、切割：将步骤S2得到的TiAl合金铸管坯沿着铸管坯方向进行中间刨分切割，参照图1c，得到两个相同的具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料。

S4、压制成型：对步骤S3得到的TiAl合金坯料进行保温石棉软包套处理，然后在加热温度为850℃下进行压制加工成形，参照图1e以及图1f，压制成形包括初期压制成形以及后期压制成形，得到初步的TiAl合金板坯，然后对初步的TiAl合金板坯进行表面机械处理，直接获得尺寸约为200mm×150mm×8mm的大规格尺寸的高质量TiAl合金板坯，具体参照图1d。该TiAl合金板坯可直接使用，也可以经过多道次包套轧制或包套锻造以及热处理过程进行二次加工。

如图3所示，其为本实施例制得的TiAl合金板材的显微组织，可以看出，本实施例制备获得的TiAl合金板材化学成分稳定，致密度高，组织均匀，晶粒细小，不存在明显的宏观偏析，表面平整度较好，无明显孔洞、裂纹等缺陷。上述经过快速冷却和直接成形作用TiAl合金板坯，显著降低溶质偏析程度，具有良好的致密度和晶粒细化的作用，晶粒尺寸30～85μm。

相比现有传统技术的TiAl合金板材制备的复杂工艺流程，本实施例通过真空离心铸造快速凝固和适当压制成形，直接生产出大规格(尺寸约为200mm×150mm×8mm)、高质量的TiAl宽幅板坯，工序流程短，成本低，成品率高，可实现TiAl合金板材的规模化和自动化生产。

本实施例对传统铸锭冶金工艺进行改进，经过真空熔炼、真空离心铸造、刨分切割、压制成形等工序，相比现有技术的复杂制备工艺，大大缩短了工艺流程，节省了制造成本。另外，本实施例采用真空离心铸造工艺，在离心力的作用下，合金熔体能够在充型过程中实现补缩，铸件组织较致密，缩松缩孔等缺陷较少，并且可以实现半连续铸造，铸管长度不受模具限制。由于离心铸管管壁较薄，因此金熔体的凝固时间短，速度快，缩松缩孔缺陷少，同时防止发生裂纹缺陷，可以实现TiAl合金的近净成形，直接生产出高质量的铸管件，为后续工艺提高优质坯料。

本发明利用快速冷却作用以及适当压制变形，能够有效控制组织尺寸，实现可直接使用或二次热变形加工的大规格、高质量TiAl宽幅板坯，缩短工艺流程，拓宽TiAl合金板材的工业应用。

实施例2

本实施例提供另一种前述的真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法，包括如下步骤：

S1、熔炼：将纯度为99.95％的海绵钛、纯度为99.99％的Al锭、Al-50Nb(质量分数，wt.％)合金、Al-56Mo(质量分数，wt.％)合金、高纯V锭以及高纯B粉末，按成分配比，在氩气保护环境下熔炼为Ti-44Al-5Nb-1Mo-2V-0.2B(原子分数，at.％)的TiAl合金。

本实施例选用石墨坩埚进行合金熔炼，以防止Ti元素和Al元素与坩埚发生化学反应引入杂质。合金熔体浇注温度为1600℃，保证合金熔体的流动性，同时保证在模具浇注过程的管坯成形。

S2、真空离心铸造：将步骤S1熔炼得到的TiAl合金熔体浇入处于真空氩气气氛保护下的立式离心铸造设备的铸型模具中，TiAl合金熔体在离心力的作用下约束成形，经过快速冷却、凝固脱模后得到中空的TiAl合金铸管坯。

本实施例中，离心铸型采用不锈钢模具，且不锈钢模具的直径为200mm，高度为120mm，壁厚为10mm，离心转速为930r/min。该不锈钢模具内表面涂覆氮化硼涂层，以保证合金熔体浇注成形后顺利脱模，并保证铸件质量。

根据上述TiAl合金的具体成分和密度特点，本实施例中模具加热温度为400℃，既保证合金溶体快速凝固，又能够防止合金熔体骤冷产生裂纹缺陷。TiAl合金熔体在不锈钢模具内凝固后脱模，得到内径为200mm、壁厚为12mm、高度为120mm的TiAl合金中空铸管坯。

S3、切割：将步骤S2得到的TiAl合金铸管坯沿着铸管坯方向进行中间刨分切割，得到两个相同的具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料。

S4、压制成型：对步骤S3得到的TiAl合金坯料进行保温石棉软包套处理，然后在加热温度为950℃下进行压制加工成形，得到初步的TiAl合金板坯，然后对初步的TiAl合金板坯进行表面机械处理，直接获得尺寸约为300mm×120mm×12mm的大规格尺寸的高质量TiAl合金板坯。板材成品率也较高，化学成分稳定，致密度高，组织均匀，晶粒较细小，表面平整度较好，无明显孔洞、裂纹等缺陷。

实施例3

本实施例提供再一种前述的真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法，与实施例1、实施例2的区别在于：本实施例的合金材料成分为Ti-48Al-4Nb-1Mo-1V-0.05B(原子分数，at.％)的TiAl合金，并直接采用满足上述成分要求的TiAl合金铸锭进行重新熔炼。其它加工步骤及工艺参数与实施例1相同。

综上，相比现有传统技术的复杂制备工艺，本发明经过真空熔炼、真空离心铸造、刨分切割、压制成形等工序制备出低成本、高性能TiAl合金板材，大大缩短了工艺流程，节省制造成本。本发明采用真空离心铸造工艺，在离心力的作用下，合金熔体能够在充型过程中实现补缩，铸件组织较致密，缩松缩孔等缺陷较少，并且可以实现半连续铸造，铸管长度不受模具限制。由于离心铸管管壁较薄，因此金熔体的凝固时间短，速度快，缩松缩孔缺陷少，同时防止发生裂纹缺陷，可以实现TiAl合金的近净成形，直接生产出高质量的铸管件，为后续工艺提高优质坯料。

本发明利用快速冷却作用以及适当压制变形，能够有效控制组织尺寸，实现可直接使用或二次热变形加工的大规格、高质量TiAl宽幅板坯，缩短工艺流程，拓宽TiAl合金板材的工业应用。

本发明通过真空熔炼、真空离心铸造、刨分切割、压制成形等工序，制备得到的TiAl合金板材的致密度远高于传统整体板坯或连铸坯制成的板材，晶粒更加细小，组织性能更加均匀，不存在明显的宏观偏析。同时合金材料的利用率提高，成品率高，可实现低成本、高性能TiAl合金板材制备。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种真空离心TiAl金属间化合物板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、熔炼：将纯度≥99.95％的海绵钛、纯度≥99.99％的Al、Al-50Nb合金以及Al-56Mo合金在真空环境或氩气保护条件下熔炼，制备TiAl合金熔体；所述TiAl合金的成分按照原子分数计为：Ti-(43～48)Al-(4～5)Nb-(1.5-3.2)(Mo,V,B)；所述Al-50Nb合金以及Al-56Mo合金为中各元素以质量分数计；

S2、真空离心铸造：将步骤S1熔炼得到的TiAl合金熔体浇入处于真空环境以及氩气保护条件下的离心铸造设备的铸型模具中，TiAl合金熔体在离心力的作用下约束成形，经过快速冷却、凝固脱模后得到中空的TiAl合金铸管坯；

S3、切割：将步骤S2得到的TiAl合金铸管坯沿着铸管坯方向进行切割，得到具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料；

S4、压制成型：将步骤S3得到的TiAl合金坯料进行压制和表面处理，得到一定厚度的TiAl合金板坯；

步骤S1以及步骤S2中的真空压力为10^-3Pa。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，TiAl合金在石墨坩埚或者氧化钙坩埚进行熔炼。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1之前，还包括对铸型模具进行预热，预热温度为400-600℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，离心铸造设备为真空及氩气保护下的立式离心铸造设备。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，铸型模具为不锈钢模具，所述不锈钢模具的内表面涂覆氮化硼涂层。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，合金熔体浇注温度为1550～1600℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，离心转速为900～1200r/min。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S3之后，步骤S4之前，对具有一定弯曲弧面的TiAl合金坯料进行软包套处理，具体为：采用保温石棉包覆TiAl合金坯料，然后在加热温度为800～1000℃下进行压制处理。

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