CN1237196C - 用于强化金属材料组织的方法及金属坯件 - Google Patents

Abstract

提出一种用于处理金属材料的方法，特别是用于强化金属材料的组织。该方法包括以下方法步骤：a)制成一个金属材料坯件，b)将该坯件加热到变形温度，以及c)使该坯件变形。

Description

用于强化金属材料组织的方法及金属坯件

技术领域

本发明涉及一种金属材料的处理方法，特别是用于强化(Konsolidiemng)金属材料的组织，并且涉及一种金属坯件。

背景技术

迄今所采用的传统的金属材料处理及成形技术所达到的强化结果一般不能满足所希望的要求。一些特殊金属材料、如钛铝合金(Titanaluminide)族或镁材料族，按照目前所采用的传统处理及成形技术、如通过锻造或挤压，始终还具有明显的化学上和结构上的不均匀性，这对在一定技术使用场合是不能容许的。公知的处理及成形技术的不足之处首先在于，其只能达到比较低的变形程度。这些金属材料例如在热负荷和机械负荷高的场合中使用时，如飞机喷气发动机的涡轮叶片或汽车驱动装置的连杆，这一情况是不能被接受的。

如金属间合金的钛铝合金这样的金属材料很脆，因此是很难进行成形加工的材料。至今这类金属材料只能通过熔化冶金的方法来制造，其中主要采用真空电弧熔化、等离子熔化和感应熔化方法。尽管熔化物大多经过两到三次的熔化，但在铸件中仍存在明显的质量缺陷，主要体现在带有明显晶体择优取向性的粗颗粒组织、强烈的上升(成分中局部变化)以及出现气孔等。类似的缺陷不仅在例如钛铝合金的初级铸件中出现，而且在许多其它的金属材料中也有这种现象，因此如上所述，它们不适合用于由铸造材料直接加工成构件。因此，作为初级铸件的这种材料必须经过结构上和化学上的强化。为此，通常采用通过锻造或挤压高温成形，其中，对于金属合金，主要力求达到使组织明显细化以及平衡材料成分的局部变化。

迄今，铸造材料的组织通过再结晶过程和相变被强化，再结晶过程和相变通过在高温成形过程中向材料中施加机械能而实现。因此，经过成形加工后形成的组织其细度和均匀度除了取决于变形温度和变形速度外，主要取决于变形程度、也就是材料在成形时所达到的塑性变形尺度。在传统的通过压缩的单级锻造中，这种变形程度大多被局限于90％到95％的大的缩小率。对于这样的变形程度，通常在锻件周边会产生二次拉应力，其经常导致产生裂纹。这一点对于脆的金属材料如钛铝合金是突出的问题，因此这类材料大多只能大体较弱地变形。较高的变形程度要求多级锻造，这很费事并且不能够使用于所有希望的构件形状。

特别的缺点还在于，对于1000℃以上的锻造还没有合适的模具材料以供使用。迄今在1000℃温度以下使用的钼合金只能在使用保护气体的情况下工作，这使得实际的锻造工艺很难实施而且费用很高。

迄今同样用于成形的挤压工艺大多较锻造工艺能够达到明显更高的变形程度。也可以通过叠加静液压压力使脆性材料也能够相对较好地成形。但在实际应用中，在挤压时达到的变形程度由于所希望的成形件几何形状大多局限于约10∶1的横截面减小率。此外，不足之处在于，挤压工艺较锻造工艺要求明显较高的温度。因此，如钛铝合金那样对于氧化和腐蚀非常敏感的材料，在挤压时必须被特别地封闭，这相对费事并且成本高。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种开头所述类型的方法，用该方法能够实现相对于迄今所采用的方法大大改善了对材料组织的强化的金属材料处理，其中，该方法应当也可用于脆的、因而迄今很难成形加工的材料、如金属间的合金。

根据本发明，上述任务通过以下方法步骤解决：

a)制成一个金属材料坯件，

b)加热该坯件到变形温度，以及

c)使该坯件变形。

前面所述意义上的坯件意味着一个由上述类型的金属材料制成的元件，这种材料可能经过多次熔化，其被如迄今为了挤压或锻造而被预处理过那样地处理过。

这样意义上的这种金属元件为了科学研究目的可以是一个相应的试件，但也可以是一个用于制造最终产品的半成品，如制造喷气发动机涡轮叶片或汽车驱动装置连杆。

借助于本发明的解决方案，坯件可用金属材料制成，如同所追求的，利用这些坯件能达到明显改善的金属材料组织强化，其中，对于脆性的、因而难以成形加工的金属材料使用本方法，也显示出涉及根据本发明可达到的组织的结果，其甚至显著超出该方法所期待的目标，也就是说，对组织的结构性和化学性强化相对于借助公知的锻造和挤压方法所能达到的组织状况明显改善。本发明方法进一步的重要优点在于，坯件被加热应达到的变形温度可以明显低于在迄今公知的锻造和挤压工艺中所必须达到的温度。

有利地，这种变形以扭曲的形式被施加到坯件上。由此产生一个通过坯件的扭转而引起的塑性变形。在此，扭曲角度应不受几何限制，带来的结果是，通过对坯件的多次扭转而达到很大的塑性变形。借助于这种扭曲，即使对于小的坯件作用长度也能实现大的变形比，也就是说，材料达到很高的变形程度，在将该方法使用于那些难以成形加工的材料时也能实现大的变形比。通过扭曲，在这些材料中引入一个很高值的机械能，通过此引起材料组织的均匀的动态重结晶。

为了更进一步改善对金属材料组织的强化，优选以坯件压缩的形式的施加变形，在此，如果特别优选地在坯件上基本同时既施加一个扭曲、又施加一个压缩，也就是说，进行两种变形方式的叠加，则会使在金属材料变形时由于扭曲而可能出现的剪应力裂纹在一个很早的阶段中又被封闭，从而它们不可能生长成宏观裂纹。此外，通过扭转和压缩的叠加，使材料达到更均匀的变形，因为属于两种变形过程的剪切过程在坯件几何结构合适的情况下强烈相对倾斜地延伸。

有利地，所述压缩通过对坯件施加恒定的力实现，但也可以有利地使所述压缩可以通过对坯件作用恒定的变形速度来实现。

基本上来讲，在根据本方法的处理中，对坯件的加热可以按任意方式实现。其中有利的是，这样控制对坯件的加热，使得在进行变形时坯件被整体加热及保持变形温度。在这种情况下，坯件整体变形，即被扭曲和/或压缩。

还可以有利的是，这样进行加热，即有目的地将坯件的所选择出的区域加热，该区域应进行变形，也就是说，坯件的在最广泛意义上说步进式的变形取决于被相对于坯件定位的加热装置或供热装置。

对坯件的加热优选借助于一个电气线圈实现，其被合适地围绕坯件定位并且可能可沿着坯件的纵向移动，以便能加热按上述说法的意义确定的所选出的坯件区域。

完全特别的优点在于，坯件的变形可以在1000℃范围内的温度下进行，但其中如果特殊的金属材料要求为坯件变形温度选择更高的或更低的温度，根据本发明也是可以的。

如果必须要求特别高、可能超过1000℃的变形温度时，有利的是，可以将这种方法至少部分地在保护气体气氛中进行。

本发明还涉及一种用钛铝合金制成的坯件，按照要求1至11中的一项或多项进行处理，其中，这种钛铝合金优选具有如下的成分：Ti-47Al-3.7(Nb，Cr，Mn，Si)-0.5B。

附图说明

下面参考所附的示意图借助一个实施例详细描述本发明。图示为：

图1一个原理草图，示出本方法一种可能的技术方案，其中所示的坯件承受扭曲和压缩的复合作用，

图2在1000℃时通过扭曲和压缩的组合被借助本发明方法处理的TiAl试件的一个宏观照片，试件的成分为：Ti-47Al-3.7(Nb，Cr，Mn，Si)-0.5B，其中，化学成分是按原子百分比表示的，以及

图3组织的一个光学显微镜照片，用于描述通过将扭转和压缩组合所达到的组织细化，其中，

a)显示试件未变形的头部区域中的组织，

b)显示试件的已变形的中央区域中的组织，

c)试件中央区域的一个扫描电子显微镜照片，以描述所达到的高的组织细密度。

具体实施方式

这里所描述的方法在实验室领域中在一种成分为(按原子百分比)Ti-47 Al-3.7(Nb，Cr，Mn，Si)-0.5B的TiAl合金上进行试验。该试验是在空气中进行的。为此，设置有螺纹头部的试件被装入一个压缩设备中，在此，为了扭曲试件，试件支座能够彼此相对旋转(图1)。这些试件能够通过感应线圈被加热到1000到1100℃之间的不同变形温度。试件的温度通过一个热电偶测定。由于线圈的几何形状构造，热的试件区具有大约为6mm的长度，其被视为有效试件长度用于分析。在达到所希望的温度后，试件首先在压缩方向上被施加以恒定的压力，所述压力在10和50MPa之间。在此，由于铸造组织很粗大，还不发生变形。然后，试件在一分钟之内被扭转φ＝720°(两周)。对于这里r＝4mm，1＝6mm的试件结构，这在试件外层上相应于约为γ_t＝600％的很高的变形程度和dγ_t/dt＝5×10^-2s^-1的延伸速率(Dehnrate)。因此，在扭曲过程中进行强烈的重结晶。由于由此引起的组织细化，材料的屈服应力剧烈降低，从而，材料在所作用的压力下也发生压缩变形。由此，达到所希望的扭曲和压缩组合。以这一方法产生的压缩变形典型地达到20％。

图2示出已经变形的试件的一个宏观照片。在图3中借助于组织的光学显微镜照片展示了通过该成形方法所达到的组织细化情况。

图3a示出试件头部区域中相对粗糙的铸造组织，在该区域中没有发生变形，因此也没有发生动态重结晶。相反，在通过压缩和扭曲而变形的中部试件区域中出现强烈的组织细化(图3b)。在试件头部区域中层状区的平均粒度大小达到大约d＝800μm，而在中部的试件区域中当量的大小减小到约d＝50μm。在通过扭曲和压缩而变形的试件区域中，尽管达到如此高的变形程度，但不出现裂纹，因此，为了进一步细化组织，变形程度能够安全地再明显增大。

这里所描述的方法能够毫无困难地扩大到技术领域中，因为为此所需的装置、如感应加热器或成形机属于冶金工业的标准装备。

该方法的一个特别的优点是，试件支座不需要被加热，因此也不存在对这些材料的耐高温性的特别要求。在进行试验时，可以将待成形加工的试件在整个长度上均匀地加热到所希望的温度。或者，也可以通过感应加热器将试件局部加热。后一种方法有这一优点，即在同样的条件下能够实现局部很高的变形程度和变形速度，这对于许多材料为了达到均匀的重结晶是有利的。对此，为了试件整体成形，如图1所示，必须将感应线圈沿试件的纵轴线移动。如通过目前的结果所表明的那样，与传统的锻造和挤压方法相比，这种成形可以在一个相对较低的变形温度1000℃下实现，这使得对腐蚀敏感的材料、如钛铝合金的成形加工明显地更容易。该方法一个特别的优点还在于，可以在极高的温度下在保护气体中以相对较简单的方式实现成形过程。对于钛铝合金例如常常要求变形温度在1350℃以上，因为这样能够产生特别的层状组织形态。通过试验中的这种可变化性，成形加工条件能够在很大程度上按照这种变形特性和重结晶特性进行调整，由此，相对脆的材料、如钛铝合金也能够良好地被成形。为变形所要求的扭矩和力在所有情况下能够通过相对较冷的试件支座导入，因此，这些支座不需要用很贵的高温材料来制造。

                        参考标号

10 坯件                11 螺纹体

12 螺纹体              13 变形装置

14 扭曲                15 压缩

16 加热装置(感应线圈)

17 加热装置的移动(箭头)

18 加热区域

Claims (10)

1.一种用于强化金属材料组织的方法，包括以下步骤：

a)制成一个金属材料坯件，

b)将该坯件加热到变形温度，以及

c)通过同时施加扭曲和压缩而使该坯件变形。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩通过对坯件施加以恒定的力实现。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩通过对坯件施加以恒定的变形速度实现。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，这样进行加热，使得坯件在整个长度上被加热。

5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，这样进行加热，使得有目的地对坯件的应该进行变形的区域加热。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于电感应使坯件被加热。

7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，坯件的变形在1000℃范围内的温度下进行。

8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法至少部分地在一种保护气体气氛中进行。

9.用钛铝合金制成的坯件，按权利要求1所述的方法进行处理。

10.按权利要求9所述的坯件，其特征在于，钛铝合金具有下述成分：Ti-47Al-3.7(Nb，Cr，Mn，Si)-0.5B。

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