CN114850215A - 一种TiAl合金板材轧制方法及装置 - Google Patents

一种TiAl合金板材轧制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及TiAl合金技术领域，具体涉及一种TiAl合金板材轧制方法及装置。具体技术方案为：一种TiAl合金板材轧制方法，在TiAl合金板坯上、下表面覆盖不锈钢衬板，进行保温后，在轧制装置中完成轧制。本发明解决了现有技术中翘曲导致处于心部的TiAl板材发生弯曲断裂，不利于大尺寸板材的轧制的问题。

Description

一种TiAl合金板材轧制方法及装置
技术领域
本发明涉及TiAl合金技术领域，具体涉及一种TiAl合金板材轧制方法及装置。
背景技术
作为一种新型轻质高温结构材料，TiAl金属间化合物具有高熔点、高强度、高弹性模量、低扩散系数、优异的抗氧化性能和抗蠕变性能，合金密度约为Ni基高温合金的一半，有望取代Ni基高温合金，使用温度在600-900℃，相对于Ti合金具有更高的使用温度。然而，TiAl合金室温塑性差、热加工窗口窄、高温变形能力差，严重限制了TiAl合金的工程实际应用，尤其是TiAl合金板材的制备。TiAl合金板材多采用包套轧制的铸锭冶金工艺制备。包套轧制减小了温度的损失，提高了轧制成功率，然而包套轧制压下量小(道次变形量不超过15％)、轧制成本高、道次繁多、轧制效率低，工业应用性差。此外，焊合为一体的包套轧制成为典型的厚板热轧工艺，翘曲成为普遍的轧制缺陷。翘曲导致处于心部的TiAl板材发生弯曲断裂，不利于大尺寸板材的轧制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种TiAl合金板材轧制方法及装置，解决了现有技术中翘曲导致处于心部的TiAl板材发生弯曲断裂，不利于大尺寸板材的轧制的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种TiAl合金板材轧制方法，在TiAl合金板坯上、下表面覆盖不锈钢衬板，进行保温后，在轧制装置中完成轧制。
优选的，所述保温的温度为1200～1300℃，保温时间为50～120min。
优选的，轧制的速度为40～140mm/s，单道次变形量为60～80％。
优选的，上不锈钢衬板、TiAl合金板坯和、下不锈钢衬板的厚度比为1:2:1～2:1:2。
优选的，将轧制完的TiAl合金板材在温度为900～1100℃的条件下保温4～7h，然后随炉冷却至室温。
相应的，一种TiAl合金板材轧制装置，包括平台，所述平台上通过支架固定有可转动的固定辊，所述固定辊的上方通过支撑板设置有轧辊，所述轧辊通过第一电机驱动，所述轧辊两端的连接轴上设置有可驱动轧辊和第一电机同时升降的升降组件。
优选的，所述连接轴包括与轧辊两端固定的转轴和与转轴转动连接的固定轴，所述升降组件包括竖直贯穿设置在固定轴上的丝杆，所述丝杆的一端穿过平台并设置有第二电机，所述丝杆与固定轴之间通过第一丝母固定，其中一个所述丝杆上、位于所述第一丝母的下方设置有第二丝母，所述第二丝母上设置有连接架，所述第一电机设置在连接架上。
优选的，所述固定轴的一端设置有插柱，所述转轴的一端设置有与插柱适配的插槽，所述插柱和插槽之间通过轴承固定，所述插柱伸进插槽内的一端设置有螺母。
优选的，所述支撑板上位于其中心处竖直开设有通孔，所述通孔的两侧开设有凹槽，所述凹槽内竖直设置有多组高度限位件，所述固定轴穿过所述通孔、且位于固定轴的下方设置有横板，所述横板的底部和通孔的底部之间连接有弹性件，所述横板的两侧分别设置有伸进凹槽内的卡柱，并与高度限位件配合来控制轧辊下降的高度。
优选的，所述高度限位件包括对称设置在凹槽内的固定板，所述固定板相对应的两侧设置有朝固定板内伸缩的伸缩板，两个所述伸缩板之间相离设置，两个所述伸缩板相对应的端面圆弧过渡，所述卡柱为圆柱形、且位于两个伸缩板之间的上方。
本发明具备以下有益效果：
1.本发明设计出了新型TiAl合金板材轧制工艺：软衬板轧制。利用1200～1300℃时不锈钢的弹性模量远低于钛铝合金的特点，将不锈钢作为软衬板，夹层TiAl合金，进行高温轧制。
软衬板轧制TiAl合金板材的优势：(1)高温下不锈钢衬板相对于TiAl合金质软，轧制过程中对TiAl合金起到保护作用；(2)不锈钢衬板与TiAl合金在同一温度下保温，有利于减少轧制过程中TiAl合金的温降，保证TiAl合金处于最佳轧制温度范围；(3)TiAl合金样品和上、下不锈钢衬板之间无有效连接(如铆接、焊接等)，轧制过程中上下衬板弯曲，使TiAl合金样品像“剥香蕉”一样无弯曲的轧制出来，提高了板材的质量；(4)软衬板轧制，改变了切应力方向，减少了垂直于轧制方向的开裂。
2.本发明软衬板高温轧制TiAl合金单道次变形量可达80％，是传统包套轧制单道次变形量的3～4倍。软衬板轧制制备板材过程简单易操作，轧制道次少，能够大大降低TiAl合金板材轧制成本，提高板材轧制效率，具有良好的工业应用潜力。
3.本发明所公开的轧制方法无需包套，道次变形量大，强烈的加工变形，导致晶粒细化，简化轧制工艺，无需多道次回炉和轧制；本发明所用TiAl合金板坯，是铸态组织，不是传统TiAl轧制所用的锻态组织，对工艺进一步简化，经济性高。
4.通过本发明所公开的轧制装置，能够自动控制TiAl合金板材每次轧制的下压量，进而控制每次TiAl合金板材轧制的变形量。同时，通过转轴和固定轴的转动连接，在驱动转轴转动的过程中，不会影响固定轴。丝杆在驱动固定轴升降的过程中，由于第一电机与第二丝母处于连接的状态，因此，丝杆转动能够同步驱动轧辊和第一电机升降，避免从动齿轮和主动齿轮相离，而无法驱动轧辊转动。本发明所公开的轧制装置，操作简单，无需人为控制轧辊的下压量，就可实现TiAl合金板材的整个轧制过程。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1中A局部放大图；
图3为图1中B局部放大图；
图4为升降组件与固定轴的连接结构示意图；
图5为支撑板以及高度限位件在支撑板上的示意图；
图6为实施例1制备的TiAl合金板材；
图7为实施例2制备的TiAl合金板材；
图8为实施例3制备的TiAl合金板材；
图9为实施例1制备的TiAl合金板材横截面的SEM-BSE组织；
图10为实施例2制备的TiAl合金板材横截面的SEM-BSE组织；
图11为实施例3制备的TiAl合金板材横截面的SEM-BSE组织；
图中：平台1、支架2、固定辊3、支撑板4、轧辊5、第一电机6、转轴7、固定轴8、丝杆9、第二电机10、第一丝母11、第二丝母12、连接架13、插柱14、插槽15、轴承16、螺母17、通孔18、凹槽19、横板20、固定板21、伸缩板22、弹性件23、从动齿轮24、滚珠25、环形槽26、条形槽27、导轨28、滑块29、安装板30。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
若未特别指明，实施举例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
1.本发明公开了一种TiAl合金板材轧制方法，在TiAl合金板坯上、下表面覆盖不锈钢衬板，进行保温后，在轧制装置中完成轧制；将轧制完的TiAl合金板材进行去应力退火，即在温度为900～1100℃的条件下保温4～7h，然后随炉冷却至室温。
其中，保温的温度为1200～1300℃，保温时间为50～120min。轧制的速度为40～140mm/s，单道次变形量为60～80％。上不锈钢衬板、TiAl合金板坯和、下不锈钢衬板的厚度比为1:2:1～2:1:2。
2.参考图1-图5，本发明还公开了一种TiAl合金板材轧制装置，包括平台1，平台1的底部设置有支脚，平台1上通过支架2固定有可转动的固定辊3，两个支架2对称设置，固定辊3的两端中心处设置有轴，且贯穿支架2与支架2通过轴承固定。固定辊3的上方通过支撑板4设置有轧辊5，压辊5设置在固定辊3的正上方，且与固定辊3之间有一定的距离。轧辊5通过第一电机6驱动，轧辊5两端的连接轴上设置有可驱动轧辊5和第一电机6同时升降的升降组件。需要说明的是：连接轴包括与轧辊5两端中心处固定的转轴7和与转轴7转动连接的固定轴8，升降组件设置在固定轴8上，转轴7上套设固定有从动齿轮24，第一电机6的输出轴上设置有与从动齿轮24啮合的主动齿轮，从而通过第一电机驱动转轴7进而带动压辊5转动。升降组件主要是为了改变压辊和固定辊之间的距离，从而对TiAl合金板坯进行轧制，进而控制TiAl合金板坯的道次变形量。
具体的：升降组件包括竖直贯穿设置在固定轴8上的丝杆9，丝杆9的一端穿过平台1并设置有第二电机10，丝杆9与固定轴8之间通过第一丝母11固定，其中一个丝杆9上、位于第一丝母11的下方设置有第二丝母12，第二丝母12上设置有连接架13，第一电机6设置在连接架13上。需要说明的是：固定轴8上设置有供丝杆9穿过的孔，第一丝母11设置在孔内，并与孔固定。当第二电机10启动时，丝杆9转动，两个丝母带动固定轴8、与之连接的转轴和压辊以及连接架和连接架上的第一电机6同时进行升降，进而避免从动齿轮和主动齿轮相离。
进一步的，为了使第一电机稳定的随着压辊升降，同时考虑到轧辊和固定辊安装的问题，需要将第一电机以及连接架设置的紧凑一些。在支撑板4与支架2对应的板面上竖直设置有条形槽27，条形槽27的数量可根据需要设置，为了保证第一电机的稳定性，本实施例条形槽27优选为设置两个，相互平行，且位于通孔18的两侧。在条形槽27内设置有导轨28，导轨28上设置有滑块29，滑块29的顶面部分伸出条形槽27外，两个滑块29之间固定有安装板30，第一电机6固定在安装板30上，同时连接架13优选为呈“匚”形，其一端与滑块29伸出条形槽27外的侧壁连接，另一端与第二丝母12的侧壁固定，从而使丝杆转动时，驱动第二丝母沿着丝杠升降，同时，带着连接架13以及安装板30和第一电机随着轧辊同步升降。
进一步的，固定轴和转轴的连接方式为：固定轴8的一端中心处设置有插柱14，插柱14为圆柱形，其外侧壁上设置有外螺纹。转轴7的一端设置有与插柱14适配的插槽15，插柱14和插槽15之间通过轴承16固定，插柱14伸进插槽15内的一端设置有螺母17。需要说明的是：螺母17设置在轴承16与插槽15内壁之间的区域内，轴承16固定设置在插槽15开口的位置。在轴承16的内圈内壁上可设置与插柱14适配的外螺纹。在安装固定轴8时，只需将插柱以转动的方式转进插槽内，并使将插柱伸进插槽内的一端伸进螺母内，在固定柱转动的过程中，插柱逐渐旋拧进螺母内，从而实现插柱进一步的固定在插槽内，同时也便于后期拆卸。
进一步的，为了避免转轴7在转动的过程中，转轴与固定轴相对应的端面会发生摩擦，在转轴与固定轴相对应的端面上嵌入设置有一圈滚珠25，滚珠25小部分侧壁伸出转轴7的端面，同时，在固定轴8与转轴7相对应的端面上设置有与滚珠25侧壁适配的环形槽26。当转轴7转动时，滚珠25始终沿着环形槽26转动。对于滚珠的设置，可单独嵌入设置在转轴的端面上，且可滚动。也可在转轴的端面上开设容纳滚珠的环形槽道，滚珠25设置在环形槽道内。无论是哪种设置方式都可以。同时，对于滚珠和环形槽的设置，在转轴和固定轴可交换位置设置。
进一步的，为了能够更加精准的控制轧辊升降的距离，在支撑板4上位于其中心处竖直开设有供固定轴8穿过的通孔18，固定轴8能够沿着通孔18升降，通孔18的两内侧壁开设有相对称的凹槽19，凹槽19沿着通孔18长度方向开设，凹槽19内竖直设置有多组高度限位件，固定轴8穿过通孔18、且位于固定轴8的下方设置有横板20，横板20的顶面与固定轴8的底面接触，横板20的底部和通孔18的底部之间连接有弹性件23，弹性件23优选为弹簧，横板20的两侧分别设置有伸进凹槽19内的卡柱，并与高度限位件配合来控制轧辊5下降的高度。
具体的：高度限位件包括对称设置在凹槽19内相对应的两侧壁上的固定板21，固定板21相对应的两侧设置有朝固定板21内伸缩的伸缩板22，两个伸缩板22之间相离设置，两个伸缩板22相对应的端面圆弧过渡，卡柱为圆柱形、且位于两个伸缩板22之间的上方。需要说明的是：在固定板21的侧壁内设置有供伸缩板22伸进的槽，在槽内，伸缩板22与槽之间通过弹簧、簧片等弹性件连接固定。伸缩板22端面为圆弧过渡，以及将卡柱设置为圆柱形，主要是为了使卡柱能够顺利穿过两个伸缩板22之间的间隙，使横板沿着通孔上下运动，并在弹性件的作用下复位。当然，也可直接将横板与固定轴的底面直接固定。本实施例优选为采用第一种方式，弹性件可对固定轴起到移动的支撑作用。本发明通过设置在横板以及升降组件，实现通过高度限位件来确定并限制每次轧辊的下压量。
作为其中一种实施方式，本实施例中每个凹槽内高度限位件优选为设置4组，每组相互平行，并与通孔内另一凹槽内的高度限位件对称设置。同一凹槽内，相邻高度限位件之间的间距相同。本实施例中，相邻高度限位件之间的间距对应轧辊下降的高度为轧辊和固定辊之间间距的20％，从而能够精准的控制，轧辊每次下压量为20％。以两个不锈钢板和TiAl合金板坯的原始厚度为基准，降低原始厚度的20％，即为压下量为20％，也可理解为变形量为20％。当然，这只是其中一种实施方式，也可通过改变高度限位件的数量来改变轧辊每次的下压量。
在使用本发明时，只需根据工艺参数，设置每次对TiAl合金板的下压量，从而准确的控制TiAl合金板的道次变形量，最终通过本发明所公开的轧制装置实现TiAl合金板的轧制。
下面结合具体的实施方式对本发明进行进一步的阐述。
实施例1
TiAl合金板的轧制过程为：
1.选取上、下不锈钢衬板的厚度均为20mm，TiAl合金板坯厚度为10mm，将两块304不锈钢衬板分别放置于TiAl合金上下表面；TiAl合金板坯是从TiAl合金铸锭上直接切取不同厚度的TiAl合金板坯而成。
2.将TiAl合金与衬板同时放入加热箱中加热；待升温至1200℃后，保温120min；
3.将衬板和TiAl合金同时推送至轧制装置入口(轧辊和固定辊之间的位置)；进行变形量为60％的单道次轧制，轧制速度为140mm/s；
4.将轧制完的TiAl合金板材在温度为900℃的条件下保温7h，然后随炉冷却至室温。
最终轧制的TiAl合金板材的图片如图6所示，其横截面的SEM-BSE图如图9所示。
实施例2
TiAl合金板的轧制过程为：
1.选取上、下不锈钢衬板的厚度均为10mm，TiAl合金板坯厚度为20mm，将两块304不锈钢衬板分别放置于TiAl合金上下表面；
2.将TiAl合金与衬板同时放入加热箱中加热；待升温至1250℃后，静置保温90min；
3.将衬板和坯料同时推送至轧辊入口；进行变形量为70％的单道次轧制，轧制速度为90mm/s；
4.将轧制完的TiAl合金板材在温度为950℃的条件下保温6h，然后随炉冷却至室温。
最终轧制的TiAl合金板材的图片如图7所示，其横截面的SEM-BSE图如图10所示。
实施例三
1.选取上、下不锈钢衬板的厚度均为20mm，TiAl合金板坯厚度为20mm，将两块304不锈钢衬板分别放置于TiAl合金上下表面；
2.将TiAl合金与衬板同时放入加热箱中加热；待升温至1300℃后，静置保温50min；
3.将衬板和坯料同时推送至轧辊入口；进行变形量为80％的单道次轧制，轧制速度为40mm/s；
4.将轧制完的TiAl合金板材在温度为1100℃的条件下保温4h，然后随炉冷却至室温。
最终轧制的TiAl合金板材的图片如图8所示，其横截面的SEM-BSE图如图11所示。
根据实施例1-3所轧制的TiAl合金板材以及图9～11的SEM图可看出，变形量大，晶粒细化越明显，同时由于轧制后板材的热处理温度不同，导致组织变化明显。实施例1中，由于热处理的温度较低，保持了轧制组织。实施例2温度也相对较低，组织保持了轧制组织状态，但由于其变形量比实施例1大，因此，晶粒更细。实施例3热处理的温度高，发生了组织变化，形成了片层组织。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种TiAl合金板材轧制方法，其特征在于：在TiAl合金板坯上、下表面覆盖不锈钢衬板，进行保温后，在轧制装置中完成轧制。
2.根据权利要求1所述的一种TiAl合金板材轧制方法，其特征在于：所述保温的温度为1200～1300℃，保温时间为50～120min。
3.根据权利要求1所述的一种TiAl合金板材轧制方法，其特征在于：轧制的速度为40～140mm/s，单道次变形量为60～80％。
4.根据权利要求1所述的一种TiAl合金板材轧制方法，其特征在于：上不锈钢衬板、TiAl合金板坯和、下不锈钢衬板的厚度比为1:2:1～2:1:2。
5.根据权利要求1所述的一种TiAl合金板材轧制方法，其特征在于：将轧制完的TiAl合金板材在温度为900～1100℃的条件下保温4～7h，然后随炉冷却至室温。
6.一种TiAl合金板材轧制装置，包括平台(1)，其特征在于：所述平台(1)上通过支架(2)固定有可转动的固定辊(3)，所述固定辊(3)的上方通过支撑板(4)设置有轧辊(5)，所述轧辊(5)通过第一电机(6)驱动，所述轧辊(5)两端的连接轴上设置有可驱动轧辊(5)和第一电机(6)同时升降的升降组件。
7.根据权利要求6所述的一种TiAl合金板材轧制装置，其特征在于：所述连接轴包括与轧辊(5)两端固定的转轴(7)和与转轴(7)转动连接的固定轴(8)，所述升降组件包括竖直贯穿设置在固定轴(8)上的丝杆(9)，所述丝杆(9)的一端穿过平台(1)并设置有第二电机(10)，所述丝杆(9)与固定轴(8)之间通过第一丝母(11)固定，其中一个所述丝杆(9)上、位于所述第一丝母(11)的下方设置有第二丝母(12)，所述第二丝母(12)上设置有连接架(13)，所述第一电机(6)设置在连接架(13)上。
8.根据权利要求7所述的一种TiAl合金板材轧制装置，其特征在于：所述固定轴(8)的一端设置有插柱(14)，所述转轴(7)的一端设置有与插柱(14)适配的插槽(15)，所述插柱(14)和插槽(15)之间通过轴承(16)固定，所述插柱(14)伸进插槽(15)内的一端设置有螺母(17)。
9.根据权利要求7所述的一种TiAl合金板材轧制装置，其特征在于：所述支撑板(4)上位于其中心处竖直开设有通孔(18)，所述通孔(18)的两侧开设有凹槽(19)，所述凹槽(19)内竖直设置有多组高度限位件，所述固定轴(8)穿过所述通孔(18)、且位于固定轴(8)的下方设置有横板(20)，所述横板(20)的底部和通孔(18)的底部之间连接有弹性件(23)，所述横板(20)的两侧分别设置有伸进凹槽(19)内的卡柱，并与高度限位件配合来控制轧辊(5)下降的高度。
10.根据权利要求9所述的一种TiAl合金板材轧制装置，其特征在于：所述高度限位件包括对称设置在凹槽(19)内的固定板(21)，所述固定板(21)相对应的两侧设置有朝固定板(21)内伸缩的伸缩板(22)，两个所述伸缩板(22)之间相离设置，两个所述伸缩板(22)相对应的端面圆弧过渡，所述卡柱为圆柱形、且位于两个伸缩板(22)之间的上方。
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