CN115502281A - 一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种TiAl合金薄壁构件原位反应‑超塑成形同步一体化的方法，它涉及一种TiAl合金薄壁构件的成形方法。本发明的目的是要解决现有方法制备TiAl合金薄壁构件，存在成形困难、制备工序复杂，不能满足大型复杂曲面薄壁构件制备的问题。一、箔材的预处理；二、制备叠层箔材；三、制备包套材料；四、抽真空、通入气压；五、逐级反应；六、冷却，泄压，得到TiAl合金薄壁构件。本发明利用气胀压差实现了“成形成材”同步一体化，在反应的同时进行超塑成形。本发明可获得一种TiAl合金薄壁构件。
Description
技术领域
本发明涉及一种TiAl合金薄壁构件的成形方法。
背景技术
TiAl合金具有密度低、弹性模量高、强度大、抗蠕变极限高和抗氧化性优良等优点，其使用温度可达750～900℃，与目前广泛使用的Ni基高温合金相近，但密度仅为Ni基高温合金的一半，被视为是一种极具潜力的新型轻质耐高温结构材料。TiAl合金薄壁构件是飞行武器装备飞行武器装备迫切需要的典型结构，主要用于高速及超高速飞行器的机翼、尾翼及机身等表面，起到支撑及热防护的作用。
目前，TiAl合金薄壁构件的制造方法均采用“先成材后成形”的传统思路，主要通过先粉末冶金或铸造法获得TiAl合金，再运用轧制工艺制备板材，最后采用超塑成形和热蠕变成形制造技术来获得的最终薄壁构件。但是，由于TiAl金属间化合物本身的固有脆性，现有技术制备大尺寸TiAl薄板存在一定的难度，其相应地TiAl薄板的超塑成形研究也尚不成熟，因此传统的成形加工方法难以满足大型复杂曲面薄壁构件。
针对金属间化合物薄壁构件难成形问题，公开号CN 107081345 B的发明专利申请提出了一种NiAl合金曲面板材构件合成制备与成形一体化方法，公开号CN 113151701 A发明申请提出了一种大尺寸金属铝化物曲面薄壁构件制备方法，以上两种方法采用了“先成形后成材”的思路，即先将箔材堆叠在一起气胀成形为构件形状，再在高温下进行原位反应成材，上述方法虽然能够解决金属间化合物的难成形问题，但箔材在高温反应的过程中主要在厚度方向发生变形，而横向塑性变形很小，扩散反应生成的中间相层难以被打破，而中间相的存在对后续的扩散有比较明显的阻碍作用，这不但会显著增加扩散反应的时间，同时在扩散过程中由柯肯达尔效应造成的孔洞缺陷，需要进一步通过高温高压致密化处理才能进行消除。
发明内容
本发明的目的是要解决现有方法制备TiAl合金薄壁构件，存在成形困难、制备工序复杂，不能满足大型复杂曲面薄壁构件制备的问题，而提供一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法。
一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、箔材的预处理：
①、去除Ti箔表面的油污，再使用HF溶液对Ti箔进行酸洗，去除Ti箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Ti箔；
②、去除Al箔表面的油污，再使用NaOH溶液对Al箔进行碱洗，去除Al箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Al箔；
二、将预处理后的Ti箔和预处理后的Al箔进行交替叠放，叠放的顶层和底层均为Ti箔，叠放的Ti箔和Al箔共10层～30层，得到叠层箔材；
三、采用不锈钢板将步骤二中获得的叠层箔材包裹住，并在不锈钢板和箔材之间涂敷阻焊剂，然后进行四周封焊，再从包套中间位置接出一根不锈钢管，不锈钢管用于连接抽真空管道，得到包套材料；
四、将步骤三获得的包套材料定位装模，并将模具放入加热炉中，不锈钢管连接真空管道，再将包套材料内抽真空至10-2Pa；向上模和下模中同时通入气体，使上模与包套材料之间及下模与包套材料之间的气压均为10MPa～15MPa，最后通过液压机合模对持续模具施加机械压力；
五、将加热炉通电加热，将模具升温至一级反应温度，随后逐渐减小下模气压，并保持上模气压不变，箔材在压差的作用下逐渐发生塑性变形，一级反应完成后，继续升温至二级反应温度，保持上模气压不变，并进一步减小下模气压，增大箔材上下的压差，最终使得箔材贴模成形，得到TiAl合金薄壁构件；
步骤五中所述的一级反应的温度为610℃～650℃，一级反应的保温时间为2h～6h，上下模之间的气压压差为1MPa～3MPa；所述的二级反应的温度为1050℃～1250℃，二级反应的保温时间为1h～3h，上下模之间气压压差为2MPa～4MPa；
六、关闭加热电源，待模具的温度下降到850℃进行泄压，泄压时应先将下模气压卸掉然后再卸载上模气压，自然冷却至80℃以下后，将构件从模具中取出，并去除不锈钢包套，即完成一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法。
本发明的原理：
本发明为了解决上述问题，本发明提出了一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，在箔材反应合成过程中同步进行超塑成形，在反应的同时可以使材料在横向上发生大的塑性变形，中间相在横向拉应力的作用下不断的破裂，从而暴露出新的接触面积，缩短原子扩散距离，显著促进扩散反应的速度，能够实现完全的扩散反应；本发明中TiAl合金的制备与构件成形在一套气胀模具中同步进行，不需要进行二次热处理，能够大幅度缩短制造工序，降低生产成本。
本发明具备以下有益效果：
一、本发明利用气胀压差实现了“成形成材”同步一体化，在反应的同时进行超塑成形，可以使中间反应层在横向上发生大的塑性变形，从而在拉应力的作用下不断的破裂，从而暴露出新的接触面积，缩短原子扩散距离，显著促进扩散反应的速度，能够实现完全的扩散反应；
二、本发明采用韧性良好的Ti箔和Al箔作为原材料，成形较为容易，同时可以通过调整箔材厚度和层数实现不同厚度构件的成形，制备过程无污染，成形构件氧化物夹杂物少；
三、本发明可以在一套模具中一次性完成材料的反应合成和塑性成形，不需要进行二次热处理，有效解决了大尺寸薄壁构件制备困难的难题，生产工艺简单易行，明显提高生产效率。
本发明可获得一种TiAl合金薄壁构件。
附图说明
图1为本发明中一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法的工艺路线示意图；
图2为实施例一中步骤五中原位反应-超塑成形过程中温度、压差随时间的变化示意图；
图3为实施例一制备的TiAl合金薄壁构件的实物图；
图4为实施例一制备的TiAl合金薄壁构件截面的微观组织图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
具体实施方式一：本实施方式一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、箔材的预处理：
①、去除Ti箔表面的油污，再使用HF溶液对Ti箔进行酸洗，去除Ti箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Ti箔；
②、去除Al箔表面的油污，再使用NaOH溶液对Al箔进行碱洗，去除Al箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Al箔；
二、将预处理后的Ti箔和预处理后的Al箔进行交替叠放，叠放的顶层和底层均为Ti箔，叠放的Ti箔和Al箔共10层～30层，得到叠层箔材；
三、采用不锈钢板将步骤二中获得的叠层箔材包裹住，并在不锈钢板和箔材之间涂敷阻焊剂，然后进行四周封焊，再从包套中间位置接出一根不锈钢管，不锈钢管用于连接抽真空管道，得到包套材料；
四、将步骤三获得的包套材料定位装模，并将模具放入加热炉中，不锈钢管连接真空管道，再将包套材料内抽真空至10-2Pa；向上模和下模中同时通入气体，使上模与包套材料之间及下模与包套材料之间的气压均为10MPa～15MPa，最后通过液压机合模对持续模具施加机械压力；
五、将加热炉通电加热，将模具升温至一级反应温度，随后逐渐减小下模气压，并保持上模气压不变，箔材在压差的作用下逐渐发生塑性变形，一级反应完成后，继续升温至二级反应温度，保持上模气压不变，并进一步减小下模气压，增大箔材上下的压差，最终使得箔材贴模成形，得到TiAl合金薄壁构件；
步骤五中所述的一级反应的温度为610℃～650℃，一级反应的保温时间为2h～6h，上下模之间的气压压差为1MPa～3MPa；所述的二级反应的温度为1050℃～1250℃，二级反应的保温时间为1h～3h，上下模之间气压压差为2MPa～4MPa；
六、关闭加热电源，待模具的温度下降到850℃进行泄压，泄压时应先将下模气压卸掉然后再卸载上模气压，自然冷却至80℃以下后，将构件从模具中取出，并去除不锈钢包套，即完成一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一①中采用砂纸打磨去除Ti箔的氧化皮，然后使用丙酮和无水乙醇洗去Ti箔表面的油污，再使用体积分数为5％～10％的HF溶液对Ti箔进行酸洗5s～15s，去除Ti箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Ti箔。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一②中采用砂纸打磨去除Al箔的氧化皮，然后使用丙酮和酒精洗去Al箔表面的油污，再使用质量分数为5％～10％的NaOH溶液对Al箔进行碱洗5s～15s，最后吹干，得到预处理后的Al箔。其它步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中所述的Ti箔和Al箔的厚度均为50μm～200μm。其它步骤与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三中所述的不锈钢板的厚度为0.5mm～1.5mm。其它步骤与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三中所述的不锈钢管的直径为6mm。其它步骤与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中所述的阻焊剂为氮化硼，阻焊剂的涂覆厚度为50μm。其它步骤与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤四中通过液压机合模对模具施加的机械压力为20MPa～25MPa。其它步骤与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤五中下模气压减压速率为0.1MPa/10min～0.3MPa/10min。其它步骤与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤五中所述的升温的速率为10℃/min。其它步骤与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、箔材的预处理：
①、采用砂纸打磨去除Ti箔的氧化皮，然后使用丙酮和无水乙醇洗去Ti箔表面的油污，再使用体积分数为10％的HF溶液对Ti箔进行酸洗5s，去除Ti箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Ti箔；
②、采用砂纸打磨去除Al箔的氧化皮，然后使用丙酮和无水乙醇洗去Al箔表面的油污，再使用质量分数为10％的NaOH溶液对Al箔进行碱洗5s，最后吹干，得到预处理后的Al箔；
步骤一中所述的Ti箔和Al箔的厚度均为50μm；
二、将预处理后的Ti箔和预处理后的Al箔进行交替叠放，叠放的顶层和底层均为Ti箔，叠放的Ti箔和Al箔共20层，得到叠层箔材；
三、采用不锈钢板将步骤二中获得的叠层箔材包裹住，并在不锈钢板和箔材之间涂敷阻焊剂，然后进行四周封焊，再从包套中间位置接出一根不锈钢管，不锈钢管用于连接抽真空管道，得到包套材料；
步骤三中所述的不锈钢板的厚度为1mm；
步骤三中所述的不锈钢管的直径为6mm；
步骤三中所述的阻焊剂为氮化硼；
四、将步骤三获得的包套材料定位装模，并将模具放入加热炉中，不锈钢管连接真空管道，再将包套材料内抽真空至10-2Pa；向上模和下模中同时通入气体，使上模与包套材料之间及下模与包套材料之间的气压均为10MPa，最后通过液压机合模对持续模具施加20MPa机械压力；
五、将加热炉通电加热，将模具升温至一级反应温度，随后逐渐减小下模气压，并保持上模气压不变，箔材在压差的作用下逐渐发生塑性变形，一级反应完成后，继续升温至二级反应温度，保持上模气压不变，并进一步减小下模气压，增大箔材上下的压差，最终使得箔材贴模成形，得到TiAl合金薄壁构件；
步骤五中所述的一级反应的温度为650℃，一级反应的保温时间为4h，上下模之间的气压压差为2.4MPa；所述的二级反应的温度为1200℃，二级反应的保温时间为2h，上下模之间气压压差为3.6MPa；步骤五中下模气压减压速率为0.1MPa/10min；
六、关闭加热电源，待模具的温度下降到850℃进行泄压，泄压时应先将下模气压卸掉然后再卸载上模气压，自然冷却至80℃以下后，将构件从模具中取出，并去除不锈钢包套，即完成一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法。
实施例一步骤五所述的一级反应的目的是为了使Al箔反应完毕，将其转化为熔点更高的金属间化合物，主要反应过程如下：
6Ti+6Al→2TiAl3+4Ti；
步骤五所述的二级反应的目的是为了获得均匀的TiAl组织，主要反应过程如下：
2TiAl3+4Ti→Ti3Al+TiAl+2TiAl2；
TiAl3+TiAl+2TiAl2→6TiAl。
图2为实施例一中步骤五中原位反应-超塑成形过程中温度、压差随时间的变化示意图；
本发明为了保证整个箔材合成反应和成形的同步进行，采用逐步增加压差的方法来控制箔材的成形过程，由于反应过程中产生的中间相会导致箔材变形抵抗力的增加，通过逐步增加压差能够匹配箔材的变形力，实现箔材的渐进成形。
图3为实施例一制备的TiAl合金薄壁构件的实物图；
从图3中可以看出，实施例一制备的TiAl合金薄壁构件的表面光滑平整，成形质量良好，无明显宏观裂纹和褶皱的出现。
图4为实施例一制备的TiAl合金薄壁构件截面的微观组织图；
从图4中可以看出，实施例一制备的TiAl合金薄壁构件截面中各区域组织成分均匀，Ti、Al原子比接近1:1，表面无明显孔洞。
实施例一制备的TiAl合金薄壁构件的厚度为1mm。
Claims (10)
1.一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：
一、箔材的预处理：
①、去除Ti箔表面的油污，再使用HF溶液对Ti箔进行酸洗，去除Ti箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Ti箔；
②、去除Al箔表面的油污，再使用NaOH溶液对Al箔进行碱洗，去除Al箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Al箔；
二、将预处理后的Ti箔和预处理后的Al箔进行交替叠放，叠放的顶层和底层均为Ti箔，叠放的Ti箔和Al箔共10层～30层，得到叠层箔材；
三、采用不锈钢板将步骤二中获得的叠层箔材包裹住，并在不锈钢板和箔材之间涂敷阻焊剂，然后进行四周封焊，再从包套中间位置接出一根不锈钢管，不锈钢管用于连接抽真空管道，得到包套材料；
四、将步骤三获得的包套材料定位装模，并将模具放入加热炉中，不锈钢管连接真空管道，再将包套材料内抽真空至10-2Pa；向上模和下模中同时通入气体，使上模与包套材料之间及下模与包套材料之间的气压均为10MPa～15MPa，最后通过液压机合模对持续模具施加机械压力；
五、将加热炉通电加热，将模具升温至一级反应温度，随后逐渐减小下模气压，并保持上模气压不变，箔材在压差的作用下逐渐发生塑性变形，一级反应完成后，继续升温至二级反应温度，保持上模气压不变，并进一步减小下模气压，增大箔材上下的压差，最终使得箔材贴模成形，得到TiAl合金薄壁构件；
步骤五中所述的一级反应的温度为610℃～650℃，一级反应的保温时间为2h～6h，上下模之间的气压压差为1MPa～3MPa；所述的二级反应的温度为1050℃～1250℃，二级反应的保温时间为1h～3h，上下模之间气压压差为2MPa～4MPa；
六、关闭加热电源，待模具的温度下降到850℃进行泄压，泄压时应先将下模气压卸掉然后再卸载上模气压，自然冷却至80℃以下后，将构件从模具中取出，并去除不锈钢包套，即完成一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法。
2.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤一①中采用砂纸打磨去除Ti箔的氧化皮，然后使用丙酮和无水乙醇洗去Ti箔表面的油污，再使用体积分数为5％～10％的HF溶液对Ti箔进行酸洗5s～15s，去除Ti箔表面的氧化层，最后吹干，得到预处理后的Ti箔。
3.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤一②中采用砂纸打磨去除Al箔的氧化皮，然后使用丙酮和酒精洗去Al箔表面的油污，再使用质量分数为5％～10％的NaOH溶液对Al箔进行碱洗5s～15s，最后吹干，得到预处理后的Al箔。
4.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤一中所述的Ti箔和Al箔的厚度均为50μm～200μm。
5.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤三中所述的不锈钢板的厚度为0.5mm～1.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤三中所述的不锈钢管的直径为6mm。
7.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤三中所述的阻焊剂为氮化硼，阻焊剂的涂覆厚度为50μm。
8.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤四中通过液压机合模对模具施加的机械压力为20MPa～25MPa。
9.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤五中下模气压减压速率为0.1MPa/10min～0.3MPa/10min。
10.根据权利要求1所述的一种TiAl合金薄壁构件原位反应-超塑成形同步一体化的方法，其特征在于步骤五中所述的升温的速率为10℃/min。
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