CN114951522A - 一种单晶TiAl的等温锻造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单晶TiAl的等温锻造方法，属于TiAl金属间化合物单晶材料加工技术领域。其制备方法为：一、选取PST单晶TiAl棒材，并标记棒材的层片取向。二、将单晶棒材表面涂覆防氧化玻璃粉后加热至950‑1090℃并保温。三、将锻造砧头预热至950‑1090℃。四、将保温后的坯料置于预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与层片界面呈30‑65°，锻造速度为0.03‑0.1mm/s，锻造过程一道次完成，不进行中间回炉保温或退火处理。五、锻造后，控制冷却速度小于等于30℃/s冷却至室温。本发明避免了单晶TiAl合金热锻易多晶化的现象，实现了热锻后仍保持单晶结构的特点。本发明工艺简单、对设备要求低、适用于工业化生产。

Description

一种单晶TiAl的等温锻造方法
技术领域
本发明涉及一种单晶TiAl的等温锻造方法，特别涉及单晶TiAl经过热锻后仍保持单晶的锻造方法；属于TiAl金属间化合物单晶材料加工技术领域。
背景技术
随着世界航空工业的快速发展，对发动机中高温结构材料性能的要求也越来越高。TiAl合金具有低密度，高比强度，高比刚度和良好的抗蠕变及抗氧化性能，是唯一可以在600℃以上氧化环境长期服役的轻质结构材料，被认为是目前替代镍基高温合金，实现发动机轻量化的最佳材料。然而由于常规多晶TiAl合金存在本征脆性和耐温能力有限的缺点，严重阻碍了其工业化进程。通过定向凝固手段得到的PST TiAl单晶材料，其显微组织取向单一、消除了晶界的影响，性能上实现了高强和高塑的结合，尤其克服了室温塑性差的难题，是先进航空发动机的理想高温结构材料。
但是由于受到TiAl熔体活性大和感应场的限制，通过定向凝固制备大尺寸的TiAl单晶棒材难度极大，无法满足航空零件制备对原材料的尺寸要求。另外航空零件的结构比较复杂，即使单晶棒材尺寸满足要求，也需要后续大量切削加工，材料利用率低，成本极高。目前的航空零件通常采用精密铸造或者锻造成型的方法制备。但采用精密铸造的方法直接制备PST单晶TiAl零件，在技术和原理上仍不成熟。而传统的单晶材料锻造成型时，发生再结晶现象是一个普遍的现象，无法保证锻造以后仍保持单晶组织。
发明内容
针对现有技术中单晶材料热锻后易发生再结晶而多晶化的普遍问题，本发明的目的在于提供一种PST单晶TiAl的等温热锻成型方法。本发明以PST单晶TiAl合金为原料通过合适的热锻工艺，使具有单一取向层片组织的单晶TiAl合金热锻后不发生再结晶，仍保持单晶结构。
本发明中，PST为Polysynthetically Twinned的简称。
本发明一种单晶TiAl的等温锻造方法，以PST单晶TiAl合金为原料，采用等温锻造，得到单晶产品，所述原料的显微组织结构为单一取向的γ+α2层片结构。
本发明一种单晶TiAl的等温锻造方法，PST单晶TiAl经锻造后仍然保持单一取向γ+α2层片的组织特征。
本发明一种单晶TiAl的等温锻造方法，包含以下步骤：
第一步：选取PST单晶TiAl作为待锻坯料，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化涂层；
第二步：将涂覆防氧化涂层的单晶TiAl坯料放入温度为950-1090℃的保温炉中保温，进行锻造预热；
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料置于预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈30-65°、优选为40-50°，锻造速度为0.03-0.1mm/s；
第四步：锻造后用，以小于等于30℃/min的冷却速度冷却。
作为优选方案，本发明一种单晶TiAl的等温锻造方法；在锻造前，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向；然后将其表面均匀涂覆防氧化涂层，不进行常规工艺所采用的包套处理。所述防氧化涂层包括防氧化玻璃粉，所述的防氧化玻璃粉的材质优选为含SiO2、Na2O和CaO三种氧化物的混合物。本发明中待锻坯料不进行常规工艺的包套处理，直接涂覆防氧化玻璃粉以实现防氧化与润滑双重作用。
在本发明中，防氧化涂层的厚度为0.2-1.0mm、优选为0.3-0.5mm。
作为优选方案，本发明一种单晶TiAl的等温锻造方法；第二步中，将涂覆防氧化涂层的单晶TiAl坯料放入温度为950-1090℃、优选为950-1055℃的保温炉中保温90-120min，进行锻造预热。同时将锻压机的锻造砧头预热至950-1090℃、优选为950-1055℃。
作为优选方案，本发明一种单晶TiAl的等温锻造方法；第三步中，将保温后的单晶TiAl坯料置于预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈45°左右，锻造速度为0.03-0.1mm/s，锻造过程一道次完成，不进行中间回炉保温或退火处理。
在工业上应用时，为了提升产品的高温力学性能(如800℃的力学性能)，可以将锻造的预热温度控制为1045-1055℃、锻造砧头预热温度控制为1045-1055℃、控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈45°左右，锻造速度为0.08-0.1mm/s。
在工业上应用时，热锻后，控制冷却速度是为了防止产品热锻后开裂，因此可以根据现场的具体条件选择具体的控冷方法。这些控冷的方法中，包括用保温棉包裹锻件冷却至室温。
本发明提出一种单晶TiAl的等温锻造方法，实现了单晶TiAl经过等温锻造后仍为单晶组织。本发明巧妙的利用了PST单晶TiAl的显微组织具有γ+α2双相层片这一特点，通过适当的塑性变形参数的控制，利用γ和α2两相之间的相互制约作用，避免了多晶化现象的出现。
本发明采用等温锻造极大减少了温降对锻坯的影响，可以保证单晶TiAl的变形温度；在确保材料变形不发生开裂的情况下，较低的锻造温度和较快的变形速度能够抑制材料的动态再结晶形核；根据PST单晶TiAl材料的变形行为高度各向异性的特点：当加载轴与层片界面的夹角为0°时，层片容易发生扭折，促使动态再结晶晶粒在层片扭折最严重的地方形核；当加载轴与层片界面的夹角为90°时，材料的塑性变形能力最差，变形时容易开裂；而软取向时(优选为45°左右)，材料的屈服强度低，塑性好，因此具有较好的热塑性变形能力，且不易产生再结晶；综上，控制多种热变形条件能够实现单晶TiAl经过热锻后仍为单晶组织。
附图说明
图1为实施例1等温锻造后单晶TiAl的宏观形貌照片；
图2为锻造前，原始单晶TiAl坯料的微观组织SEM图；
图3为实施例1等温锻造后单晶TiAl锻件微观组织SEM图，其中，(a)锻坯边缘，(b)锻坯心部；
图4为对比例1等温锻造后单晶TiAl锻件的微观组织SEM图；
图5为对比例2等温锻造后单晶TiAl锻件的微观组织SEM图。
图1中，单晶TiAl锻件表面质量良好，无开裂现象。
图2中，原始单晶TiAl的显微组织具有良好的单晶结构。
图3中，单晶TiAl锻件的显微组织仍保持单晶结构。
图4中，单晶TiAl锻件的层片组织开始发生转变。
图5中，单晶TiAl锻件具有严重的层片扭折现象，扭折处形成了大量的再结晶晶粒。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例1
本实施例中待等温锻造的对象为：尺寸为
Figure BDA0003716883630000051
的单晶TiAl合金铸态棒材，其显微组织为单一取向γ+α2层片的PST晶体。
本实施例的具体过程如下：
第一步：选取待锻PST单晶TiAl棒材，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化玻璃粉(玻璃粉层的厚度约为0.4mm)。
第二步：将涂覆防氧化玻璃粉的单晶TiAl坯料放入温度为950℃的保温炉中保温120min，进行锻造预热。同时将锻压机的锻造砧头预热至950℃。
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料置于预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈45°，锻造速度为0.03mm/s，压下量为30％。
第四步：锻造后用保温棉包裹锻件冷却至室温。
本实施例得到了外表质量良好的单晶TiAl锻件(图1)。观察锻件的显微组织，发现TiAl锻件的组织仍保持单晶结构(图3)。锻件800℃的力学性能为：抗拉强度558MPa，屈服强度510MPa，伸长率26.4％，验证了本发明所采用的方法可以实现TiAl单晶经过热锻成型后仍为单晶。(实施例1-3的力学性能在10％以内波动)
实施例2
本实施例中待等温锻造的对象为：尺寸为
Figure BDA0003716883630000061
的单晶TiAl合金铸态棒材，其显微组织为单一取向γ+α2层片的PST晶体。
本实施例的具体过程如下：
第一步：选取待锻PST单晶TiAl棒材，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化玻璃粉。
第二步：将涂覆防氧化玻璃粉的单晶TiAl坯料放入温度为1000℃的保温炉中保温120min，进行锻造预热。同时将锻压机的锻造砧头预热至1000℃。
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料置于预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈45°，锻造速度为0.05mm/s，压下量为30％。
第四步：锻造后用保温棉包裹锻件冷却至室温。
本实施例得到了外表质量良好的TiAl锻件。锻件的显微组织仍保持单晶结构。锻件800℃的力学性能为：抗拉强度548MPa，屈服强度495MPa，伸长率26.9％
实施例3
本实施等温锻造所述的单晶TiAl合金，是显微组织为单一取向γ+α2层片的PST晶体，采用的单晶铸锭尺寸为
Figure BDA0003716883630000071
本实施例的具体过程如下：
第一步：选取待锻PST单晶TiAl棒材，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化玻璃粉。
第二步：将涂覆防氧化玻璃粉的单晶TiAl坯料放入温度为1050℃的保温炉中保温90min，进行锻造预热。同时将锻压机的锻造砧头预热至1050℃。
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料在预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈45°，锻造速度为0.1mm/s，压下量为30％。
第四步：锻造后采用保温棉包裹锻件冷却至室温。
本实施例得到了外表质量良好的TiAl锻件。锻件的显微组织仍保持单晶结构。锻件800℃的力学性能为：抗拉强度570MPa，屈服强度525MPa，伸长率24.2％。
对比例1
本对比例所用原料和实施例1一致；
本对比例的具体过程如下：
第一步：选取待锻PST单晶TiAl棒材，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化玻璃粉。
第二步：将涂覆防氧化玻璃粉的单晶TiAl坯料放入温度为1100℃的保温炉中保温90min，进行锻造预热。同时将锻压机的锻造砧头预热至1100℃。
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料在预热后的砧头间进行锻造，锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈45°，锻造速度为0.1mm/s，压下量为30％。
第四步：锻造后采用保温棉包裹锻件冷却至室温。
锻造后观察锻坯的显微组织，发现层片组织开始转变，并产生了少量再结晶晶粒，如图3所示。
对比例2
本对比例所用原料和实施例1一致；
本对比例的具体过程如下：
第一步：选取待锻PST单晶TiAl棒材，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化玻璃粉。
第二步：将涂覆防氧化玻璃粉的单晶TiAl坯料放入温度为1050℃的保温炉中保温90min，进行锻造预热。同时将锻压机的锻造砧头预热至1050℃。
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料在预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈0°，锻造速度为0.1mm/s，压下量为30％。
第四步：锻造后用保温棉包裹锻件冷却至室温。
锻造后观察锻坯的显微组织，发现层片具有严重的扭折，而且产生了大量的再结晶，如图4所示。
对比例3
本对比例所用原料和实施例1一致；
本对比例的具体过程如下：
第一步：选取待锻PST单晶TiAl棒材，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化玻璃粉。
第二步：将涂覆防氧化玻璃粉的单晶TiAl坯料放入温度为1050℃的保温炉中保温90min，进行锻造预热。同时将锻压机的锻造砧头预热至1050℃。
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料在预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈90°，锻造速度为0.1mm/s，压下量为30％。
第四步：锻造后用保温棉包裹锻件冷却至室温。
锻造后，发现坯料产生宏观开裂。
由上述实施例和对比例可见，具有单一取向层片组织的PST单晶TiAl合金按照本发明的方案热锻后，其组织仍保持单晶结构；但如果热锻工艺或/和层片取向选取不当，就会发生再结晶或开裂现象。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定。本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的基本结构的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：以PST单晶TiAl合金为原料，采用等温锻造，得到单晶产品，所述原料的显微组织结构为单一取向的γ+α2层片结构。
2.根据权利要求1所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：PST单晶TiAl锻造后仍然保持单一取向γ+α2层片的组织特征。
3.根据权利要求1所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：包含以下步骤：
第一步：选取PST单晶TiAl作为待锻坯，观察待锻坯料的显微组织，标记其层片取向，然后将其表面均匀涂覆防氧化涂层；
第二步：将涂覆防氧化涂层的单晶TiAl坯料放入温度为950-1100℃的保温炉中保温，进行锻造预热；
第三步：将保温后的单晶TiAl坯料置于预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈30°-65°，锻造速度为0.03-0.1mm/s；
第四步：锻造后，以小于等于30℃/s的冷却速度冷却。
4.根据权利要求3所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：待锻坯料不进行常规工艺的包套处理，直接涂覆防氧化玻璃粉以实现防氧化与润滑双重作用。
5.根据权利要求3所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：第二步中坯料的保温温度为950-1090℃，保温时间为90-120min。
6.根据权利要求3所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：锻造前，锻压机的锻造砧头预热温度为950-1090℃。
7.根据权利要求3所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：将保温后的单晶TiAl坯料置于预热后的砧头间进行等温锻造，控制锻造方向与单晶TiAl的层片界面呈45°。
8.根据权利要求3所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：第二步中坯料的保温温度为950-1055℃，保温时间为90-120min；锻造前，锻压机的锻造砧头预热温度为950-1055℃。
9.根据权利要求3所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：第三步锻造过程一道次完成，不进行中间回炉保温或退火处理。
10.根据权利要求3所述的一种单晶TiAl的等温锻造方法，其特征在于：第四步中，锻造后，以小于等于30℃/s的冷却速度冷却至室温。
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