CN114247751B - 一种适用于tnm合金板材制备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于TNM合金板材制备的方法，包括将预处理后的TNM合金坯料置于包套中焊合；当炉温升至1000℃～1100℃时，将包套TNM合金坯料放入保温炉中，随炉升温至1200℃～1250℃，保温1h～2h；取出包套TNM合金坯料轧制，轧制速度为4m/min～7m/min，道次间压下量为5％～12％，道次间回炉保温温度为1200℃～1250℃，道次间回炉保温时间为10min～15min，轧制总变形量为20％～75％，最后一道次轧制结束后随炉冷却/空冷至室温；将轧制后冷却至室温的TNM合金轧板的包套去除；将去除包套的TNM合金轧板在800℃～900℃的条件下保温6h，并施加8‑20KN的压力校平轧板，然后随炉冷却至室温。本发明可获得表面质量较好，室温性能得到提升的TNM合金板材。
Description
技术领域
本发明属于合金板材加工的技术领域，尤其涉及一种适用于TNM合金板材制备的方法。
背景技术
随着现代工业的进步以及航空航天领域的高速发展，对高温结构材料提出了新的要求，轻质、高性能的金属材料成为重要的发展方向。TiAl合金是一种新型轻质耐高温金属结构材料，其密度约为3.9-4.2g/cm3,是镍基高温合金的一半，同时TiAl合金的服役温度位于钛合金使用温度的上限和镍基高温合金的下限(650℃～800℃)。由于其具有低密度、高比强、高比刚、低扩散系数、优异的抗氧化性能和抗蠕变性能等特点，在航空发动机、航天飞行器等领域具有重要的应用前景。近些年来，TiAl合金板材在航空航天领域具有广泛应用，如飞行器蒙皮、舵翼、减速板等。因此，制备大尺寸的TiAl合金板材是未来的重要发展方向。然而，由于TiAl合金的热加工窗口窄、高温变形能力差等因素，制备大尺寸板材极其困难，极大地限制了TiAl合金板材的应用。
Ti-(42-45)Al-(3-5)Nb-(0.1-2)Mo-(0.1-0.2)B(at.％)(TNM)合金是一种Beta-gamma TiAl合金，Mo元素和Nb元素的加入提高了合金中高温无序β相的含量，大量的文献报道β相在高温条件下可以协调TiAl合金的变形行为，有效扩大TiAl合金的热加工窗口，因此这种新型的Beta-gamma TiAl合金给TiAl合金的板材的制备带来了巨大的希望。然而由于TNM合金的本征脆性，现有的轧制技术还是很难获得大尺寸，表面质量较高的TNM合金板材。
国内外学者对TiAl合金的板材制备展开的大量的研究。然而由于TiAl合金板材巨大的商业应用前景，国外文献鲜少报道关于TiAl合金轧制的细节，然而国内的研究仅处于实验室阶段。通过专利检索发现，含有细小板条状γ再结晶组织的beta-gammaTiAl合金板材的制备方法已被陈玉勇等人在公开发明专利(公开号为107236918B)中提出。该专利选择的合金成分为Ti-aAl-b X-cZ(at.％)合金，其中X为V、Cr、Mn和Mo等β相稳定元素，Z为B、C和Y等微合金化元素，a为41～45，b为6～9，c为0.01～0.3。合金从室温升至900℃～1150℃并保温1h～4h进行轧制，轧制速度选择30mm/s～150mm/s,道次变形量为10％-50％，道次回炉保温时间10min-60min。轧制结束后带着包套材料在800℃～1000℃保温3h～10h。该工艺选择了较低的轧制温度以及较大的道次变形量仅适用于添加大量β稳定化元素的TiAl合金，这类合金高温变形能力虽远胜于TNM合金，但是高温抗氧化性能较差，应用前景远低于TNM合金，而本专利的工艺更适用于TNM合金板材的制备。
通过文献检索发现S.W.Zeng等人在1250℃，道次间压下量为20％-32％的条件下对Ti-44.5Al-3.8Nb-1.0Mo-0.3Si-0.1B合金进行了热包套轧制，最终获得了近γ组织，室温抗拉强度为571Mpa，断裂延伸率为1.78％(S.W.Zeng,A.M.Zhao,L.Luo,etal.Development ofβ-solidifyingγ-TiAl alloys sheet.Materials Letters,198(2017),31-33.)。M.Xu等人在1080℃以及1220℃通过粉末冶金+轧制的方法制备了Ti–44Al–3Nb–1Mo–1V-0.2Y合金板材，道次间压下量为20％-25％。最终获得了近γ组织，但室温抗拉强度低于500Mpa(M.Xu,G.H.Liu,T.R.Li,et al.Rolling parameters,microstructure control,and mechanical properties of powder metallurgy Ti–44Al–3Nb-(Mo,V,Y)alloy:The impact of rolling temperatures.Intermetallics,123(2020),106817.)。H.Z.Zhou等人在1250℃，道次间压下量为15％-25％的条件下对Ti-44Al-8Nb-(W，B，Y)合金进行热包套轧制，最终板材表面开裂严重(H.T.Zhou,F.T.Kong,K.Wu,et al.Hot pack rolling nearly lamellar Ti-44Al-8Nb-(W,B,Y)alloy withdifferent rolling reductions:Lamellar colonies evolution and tensileproperties.Materials&Design,121(2017),202-212.)。大量的研究发现过大的道次间压下量会造成合金板材表面的开裂，同时没有发现有关于TNM合金轧制的文献报道，目前报道出的接近TNM合金成分的合金板材力学性能不佳。因此急需一种可以同时获得表面质量加高且力学性能较好的关于制备TNM合金板材的轧制工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服上述由于TiAl合金的本征脆性导致的轧制过程中板材开裂，成型困难等问题，从而提供了一种适用于TNM合金板材制备的方法，可获得表面质量较好，室温性能得到良好提升的TNM合金板材。
本发明具体是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供了一种适用于TNM合金板材制备的方法，包括：
将预处理后的TNM合金坯料置于包套中进行焊合，得到包套TNM合金坯料；
当炉温升至1000℃～1100℃时，将所述包套TNM合金坯料放入保温炉中，随炉继续升温至所述TNM合金的α+γ双相区或者α+γ+β三相区所在温度区间内，并保温1h～2h；
取出所述包套TNM合金坯料进行轧制，轧制的速度为4m/min～7m/min，道次间压下量为5％～12％，道次间回炉保温温度为所述TNM合金的α+γ双相区或者α+γ+β三相区所在温度区间内，道次间回炉保温时间为10min～15min，轧制的总变形量为20％～75％，最后一道次轧制结束后随炉冷却/空冷至室温；
采用机械加工的方式将轧制后冷却至室温的TNM合金轧板的包套去除；
将去除包套的所述TNM合金轧板在800℃～900℃的条件下保温6h，并施加8-20KN的压力校平轧板，然后随炉冷却至室温。
作为本发明的进一步说明，所述TNM合金坯料的制备过程包括：通过单相多道次锻造开坯，然后再采用机械加工的方式从锻饼上切割出方形的坯料，得到所述TNM合金坯料。
作为本发明的进一步说明，所述TNM合金坯料的化学成分为：Ti-(42-45)Al-(3-5)Nb-(0.1-2)Mo-(0.1-0.2)B(at.％)。
作为本发明的进一步说明，所述TNM合金坯料的预处理包括：将所述TNM合金坯料轧制端进行倒角并打磨至表面光洁。
作为本发明的进一步说明，所述包套的材料为Inconel 625合金。
作为本发明的进一步说明，所述包套尾部留有排气孔，所述包套由上下盖以及两块中间框架组成，所述上下盖的厚度均为5mm。
作为本发明的进一步说明，轧制前，所述包套TNM合金坯料的保温温度为1200℃～1250℃。
作为本发明的进一步说明，所述道次间回炉保温温度为1200℃～1250℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明采用Inconel 625合金作为包套，并采取上下盖以及中间框架进行焊合的包裹方式，极大的避免了在轧制过程中发生包套开裂等问题，轧制出表面质量较高的TNM合金板材。
2、本发明去除包套后再对轧板进行去应力退火，在去应力退火的过程中予以施加应力使轧板校平，可以提高TNM合金板材的综合力学性能。
3、本发明采用了多道次小变形量的轧制技术制备了TNM合金板材，形成了近片层组织，同时该轧制工艺显著提高了TNM合金室温拉伸性能，炉冷的条件下，抗拉强度达到930MPa，空冷条件下，抗拉强度达到1150MPa，省去了后续的热处理工艺，节约了制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例中步骤二中的包套结构示意图，其中(a)为轧制试样尺寸，(b)为包套中间框架尺寸，尾部留有排气孔，(c)为包套上下盖尺寸；
图2是本发明实施例1在1250℃，炉冷条件下制备的TNM合金板材RD-ND方向放大500倍的SEM-BSE图；
图3是本发明实施例2在1250℃，空冷条件下制备的TNM合金板材RD-ND方向放大500倍的SEM-BSE图；
图4是本发明实施例1和实施例2中1250℃条件下分别在炉冷和空冷条件下制备的轧板室温拉伸曲线对比图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
以下以优选的实施例进行具体说明。
实施例1
提供一种适用于TNM合金板材制备的方法，包括如下步骤：
步骤一、TNM合金坯料的制备：通过单向多道次锻造开坯，然后再采用机械加工的方法从锻饼上切割出长方形的TNM合金坯料；其中，所述TNM合金坯料的化学成分为：Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.2B(at.％)，锻饼的具体尺寸为Φ420×100mm，TNM合金坯料为50×50×8mm3。
步骤二、包套：将步骤一得到的TNM合金坯料轧制端进行倒角并打磨至表面光洁，并置于包套中进行焊合，得到包套TNM合金坯料；其中，所述包套材料为Inconel 625合金，其具体尺寸如图1所示，其中(a)为轧制试样尺寸，(b)为包套中间框架尺寸，尾部留有排气孔，(c)为包套上下盖尺寸，其中上下盖的厚度均为5mm，包套由上下盖以及两块中间框架组成。
步骤三、轧制过程：当炉温升至1000℃时，将步骤二制备好的包套TNM合金坯料放入保温炉中，随炉继续升温至1250℃时，在该温度下保温2h，然后取出在轧机上进行轧制，轧制的速度为5m/min，道次间压下量为10％，道次间回炉保温温度为1250℃，道次间回炉保温时间为15min，轧制的总变形量为65％，最后一道次轧制结束后随炉冷却至室温。
步骤四、机械加工去除包套：采用机械加工的方式将步骤三中冷却至室温的TNM合金轧板包套去除。
步骤五、去应力退火：将步骤四中去包套后取出的TNM合金轧板在900℃的条件下保温6h，并施加10KN的压力校平轧板，然后随炉冷却至室温。
图2是上述实施例1在1250℃，炉冷条件下制备的TNM合金板材RD-ND方向放大500倍的SEM-BSE图，其中深灰色的是γ相，浅灰色的是α2相，亮白色的为β0相，可以看出轧制后的组织为近片层组织，片层团边界处存在许多细小的β0与γ再结晶晶粒，同时，粗大的β0与γ晶粒沿轧制被拉长且在粗大的β0内部存在许多细小的γ再结晶晶粒。
实施例2
提供一种适用于TNM合金板材制备的方法，包括如下步骤：
步骤一、TNM合金坯料的制备：通过单向多道次锻造开坯，然后再采用机械加工的方法从锻饼上切割出长方形的TNM合金坯料；其中，所述TNM合金坯料的化学成分为：Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.2B(at.％)，锻饼的具体尺寸为Φ420×100mm，TNM合金坯料为50×50×8mm3。
步骤二、包套：将步骤一得到的TNM合金坯料轧制端进行倒角并打磨至表面光洁，并置于包套中进行焊合，得到包套TNM合金坯料；其中，所述包套材料为Inconel 625合金，其具体尺寸如图1所示，其中(a)为轧制试样尺寸，(b)为包套中间框架尺寸，尾部留有排气孔，(c)为包套上下盖尺寸，其中上下盖的厚度均为5mm，包套由上下盖以及两块中间框架组成。
步骤三、轧制过程：当炉温升至1000℃时，将步骤二制备好的包套TNM合金坯料放入保温炉中，随炉继续升温至1250℃时，在该温度下保温2h，然后取出在轧机上进行轧制，轧制的速度为5m/min，道次间压下量为10％，道次间回炉保温温度为1250℃，道次间回炉保温时间为15min，轧制的总变形量为65％，最后一道次轧制结束后在空气中冷却至室温。
步骤四、机械加工去除包套：采用机械加工的方式将步骤三中冷却至室温的TNM合金轧板包套去除。
步骤五、去应力退火：将步骤四中去包套后取出的TNM合金轧板在900℃的条件下保温6h，并施加10KN的压力校平轧板，然后随炉冷却至室温。
图3是上述实施例2在1250℃，空冷条件下制备的TNM合金板材RD-ND方向放大500倍的SEM-BSE图，可以看出轧制后的组织仍为近片层组织，β0相含量较炉冷条件下明显减少，且在其内部出现少量针状γ晶粒，同时在片层团边界处没有明显发现β0与γ再结晶晶粒。
图4是上述实施例1和实施例2中1250℃条件下分别在炉冷和空冷条件下制备的轧板室温拉伸曲线对比图，从图中可以看出在1250℃，炉冷条件下进行轧制，TNM合金板材的强度明显提高，抗拉强度达到1150MPa。
实施例3
提供一种适用于TNM合金板材制备的方法，包括如下步骤：
步骤一、TNM合金坯料的制备：通过单向多道次锻造开坯，然后再采用机械加工的方法从锻饼上切割出长方形的TNM合金坯料；其中，所述TNM合金坯料的化学成分为：Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.2B(at.％)，锻饼的具体尺寸为Φ420×100mm，TNM合金坯料为50×50×8mm3。
步骤二、包套：将步骤一得到的TNM合金坯料轧制端进行倒角并打磨至表面光洁，并置于包套中进行焊合，得到包套TNM合金坯料；其中，所述包套材料为Inconel 625合金，其具体尺寸如图1所示，其中(a)为轧制试样尺寸，(b)为包套中间框架尺寸，尾部留有排气孔，(c)为包套上下盖尺寸，其中上下盖的厚度均为5mm，包套由上下盖以及两块中间框架组成。
步骤三、轧制过程：当炉温升至1050℃时，将步骤二制备好的包套TNM合金坯料放入保温炉中，随炉继续升温至1200℃时，在该温度下保温1h，然后取出在轧机上进行轧制，轧制的速度为4m/min，道次间压下量为5％，道次间回炉保温温度为1200℃，道次间回炉保温时间为12min，轧制的总变形量为20％，最后一道次轧制结束后随炉冷却至室温。
步骤四、机械加工去除包套：采用机械加工的方式将步骤三中冷却至室温的TNM合金轧板包套去除。
步骤五、去应力退火：将步骤四中去包套后取出的TNM合金轧板在800℃的条件下保温6h，并施加8KN的压力校平轧板，然后随炉冷却至室温。
实施例4
提供一种适用于TNM合金板材制备的方法，包括如下步骤：
步骤一、TNM合金坯料的制备：通过单向多道次锻造开坯，然后再采用机械加工的方法从锻饼上切割出长方形的TNM合金坯料；其中，所述TNM合金坯料的化学成分为：Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.2B(at.％)，锻饼的具体尺寸为Φ420×100mm，TNM合金坯料为50×50×8mm3。
步骤二、包套：将步骤一得到的TNM合金坯料轧制端进行倒角并打磨至表面光洁，并置于包套中进行焊合，得到包套TNM合金坯料；其中，所述包套材料为Inconel 625合金，其具体尺寸如图1所示，其中(a)为轧制试样尺寸，(b)为包套中间框架尺寸，尾部留有排气孔，(c)为包套上下盖尺寸，其中上下盖的厚度均为5mm，包套由上下盖以及两块中间框架组成。
步骤三、轧制过程：当炉温升至1100℃时，将步骤二制备好的包套TNM合金坯料放入保温炉中，随炉继续升温至1250℃时，在该温度下保温2h，然后取出在轧机上进行轧制，轧制的速度为7m/min，道次间压下量为12％，道次间回炉保温温度为1250℃，道次间回炉保温时间为10min，轧制的总变形量为75％，最后一道次轧制结束后随炉冷却至室温。
步骤四、机械加工去除包套：采用机械加工的方式将步骤三中冷却至室温的TNM合金轧板包套去除。
步骤五、去应力退火：将步骤四中去包套后取出的TNM合金轧板在850℃的条件下保温6h，并施加20KN的压力校平轧板，然后随炉冷却至室温。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种适用于TNM合金板材制备的方法，其特征在于，包括：
将预处理后的TNM合金坯料置于包套中进行焊合，得到包套TNM合金坯料；所述TNM合金坯料的化学成分为：Ti-(42-45)Al-(3-5)Nb-(0.1-2)Mo-(0.1-0.2)B (at.%)；所述包套尾部留有排气孔，所述包套由上下盖以及两块中间框架组成，所述上下盖的厚度均为5mm，轧制试样与包套之间满足如下尺寸关系：设轧制试样尺寸为a×b，则包套中间框架内部尺寸为（a+4）×（b+4），外部尺寸为（a+30）×（b+30），包套上下盖尺寸为（a+24）×（b+24）；
当炉温升至1000°C～1100°C时，将所述包套TNM合金坯料放入保温炉中，随炉继续升温至所述TNM合金的α+γ双相区或者α+γ+β三相区所在温度区间1200°C～1250°C内，并保温2h；
取出所述包套TNM合金坯料进行轧制，轧制的速度为4m/min~7m/min，道次间压下量为5%～10%，道次间回炉保温温度为所述TNM合金的α+γ双相区或者α+γ+β三相区所在温度区间1200°C～1250°C内，道次间回炉保温时间为10min～15min，轧制的总变形量为20%～75%，最后一道次轧制结束后随炉冷却/空冷至室温；
采用机械加工的方式将轧制后冷却至室温的TNM合金轧板的包套去除；
将去除包套的所述TNM合金轧板在800°C～900°C的条件下保温6h，并施加8-20KN的压力校平轧板，然后随炉冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的适用于TNM合金板材制备的方法，其特征在于，所述TNM合金坯料的制备过程包括：通过单相多道次锻造开坯，然后再采用机械加工的方式从锻饼上切割出方形的坯料，得到所述TNM合金坯料。
3.根据权利要求1所述的适用于TNM合金板材制备的方法，其特征在于，所述TNM合金坯料的预处理包括：将所述TNM合金坯料轧制端进行倒角并打磨至表面光洁。
4.根据权利要求1所述的适用于TNM合金板材制备的方法，其特征在于，所述包套的材料为Inconel 625合金。
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2021
- 2021-12-22 CN CN202111584215.9A patent/CN114247751B/zh active Active
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