一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法

摘要

一种大尺寸beta‑gamma TiAl合金板材的制备方法，涉及一种TiAl合金板材的制备方法。本发明的目的是要解决由于TiAl合金热加工窗口窄，非等温轧制过程中的温降导致制备大尺寸TiAl合金板材过程中板材容易开裂、成形难的问题，以及机械加工去除包套过程中板材二次断裂的问题。方法：一、TiAl合金坯料的制备；二、加工包套；三、喷涂玻璃润滑剂；四、封焊TiAl合金坯料；五、高温轧制阶段；六、均匀化热处理去除残余应力；七、机械加工去除包套，即得到大尺寸beta‑gamma TiAl合金板材。本发明适用于大尺寸beta‑gamma TiAl合金板材的制备。

权利要求

1.一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法，其特征在于一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法具体是按以下步骤完成的：一、TiAl合金坯料的制备：

采用TiAl二次锻造开坯的方法制得TiAl合金预制坯料，然后将TiAl合金预制坯料进行热等静压处理，热等静压温度为1000℃～1250℃，热等静压压力为140MPa～200MPa，热等静压时间为1h～5h，再采用机械加工的方法将热等静压处理后的TiAl合金预制坯料加工成块体坯料，得到TiAl合金坯料；

步骤一中所述的TiAl合金的名义化学成分为Ti-43Al-9V-0.2Y(at％)或Ti-43Al-4Mn-

3Cr-0.2Y(at％)；

步骤一中所述的TiAl合金坯料的厚度为10mm～30mm，宽度为100mm～500mm，长度为

300mm～500mm；

二、加工包套：

采用机械加工的方法将包套材料加工成与TiAl合金坯料尺寸相对应的凹槽包套；

步骤二中所述的包套材料为不锈钢、纯钛或者钛合金；

步骤二中所述的凹槽包套与TiAl合金坯料的厚度比为(1～3):1；

三、喷涂玻璃润滑剂：

采用机械加工的方法将TiAl合金坯料进行表面打磨，得到表面光洁的TiAl合金坯料，将表面光洁的TiAl合金坯料以及凹槽包套内侧喷涂1mm～5mm厚的玻璃润滑剂，得到涂有润滑剂的TiAl合金坯料及涂有润滑剂的凹槽包套；

四、封焊TiAl合金坯料：

将涂有润滑剂的TiAl合金坯料放入涂有润滑剂的凹槽包套中，再利用钎焊的方法进行封焊，得到包套的TiAl合金坯料；

五、高温轧制阶段：

将包套的TiAl合金坯料在温度为1260℃～1280℃的热处理炉中保温3h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为80mm/s～100mm/s，道次变形量为15％，轧制总变形量为75％～85％，道次间回炉保温温度为1260℃～1280℃，保温时间为20min，得到轧件；

六、均匀化热处理去除残余应力：

将轧件置于温度为850℃～1100℃的条件下进行保温，保温时间为4h～8h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材；

七、机械加工去除包套：

采用机械加工的方法去除带有包套的TiAl合金板材上的包套，得到大尺寸beta-gamma TiAl合金板材。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤三中将表面光洁的TiAl合金坯料以及凹槽包套内侧喷涂1.5mm～3mm厚的玻璃润滑剂。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤六中将轧件置于温度为850℃～950℃的条件下进行保温，保温时间为4h～8h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤六中将轧件置于温度为950℃～1100℃的条件下进行保温，保温时间为4h～8h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法，其特征在于步骤二中所述的凹槽包套与TiAl合金坯料的厚度比为(1～1.5):1。

说明书

一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种TiAl合金板材的制备方法。

背景技术

[0002] TiAl合金具有良好的物理性能和机械性能，密度不到Ni基合金的一半(3.9～3
4.2g/cm)，被认为是一种发展潜力巨大的高温结构材料。经过多年的研究，TiAl合金的发展已进入实用化阶段，目前通过铸造、锻造以及超塑性成形方法制备的TiAl合金导弹尾翼、汽车排气阀和发动机涡轮叶片已广泛应用到航空航天飞行器以及汽车发动机等领域。但是随着航空、航天技术快速的发展，为进一步提高飞行器的综合性能，对飞行器整体的减重和续航能力提出了更高的要求，传统的高温Ti合金的发展已经达到了极限，而Ni基合金由于密度大问题限制了其推广应用，因此对TiAl合金的制备提出了新的挑战。

[0003] TiAl合金板材可用于制备飞行器的蒙皮、喷气发动机的壳体、直升飞机的喷嘴等，可以大幅度减轻飞行器的重量，应用前景广阔。但是TiAl合金的热加工窗口窄、高温变形难，在热加工轧制过程中很容易产生裂纹等缺陷，尤其对于传统的非等温轧制大尺寸TiAl合金板材，轧制过程中温降过快，导致TiAl合金板材尾端很容易产生裂纹，裂纹一旦产生在后续的轧制过程中会进一步扩展，导致板材整体的断裂。另外，由于轧制过程中残余应力的存在以及组织的不均匀性，导致在后续的机械加工去除包套容易产生断裂，制约了大尺寸TiAl合金的生产及实际工程化应用。现有的TiAl合金板材制备技术(即非等温轧制技术)很难获得大尺寸、高质量的合金板材，目前，采用此技术制备的TiAl合金板材最大尺寸仅为800mm×400mm×1mm，室温塑性小于2％。

发明内容

[0004] 本发明的目的是要解决由于TiAl合金热加工窗口窄，非等温轧制过程中的温降导致制备大尺寸TiAl合金板材过程中板材容易开裂、成形难的问题，以及机械加工去除包套过程中板材二次断裂的问题，而提供一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法。

[0005] 一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法具体是按以下步骤完成的：

[0006] 一、TiAl合金坯料的制备：

[0007] 采用TiAl二次锻造开坯的方法制得TiAl合金预制坯料，然后将TiAl合金预制坯料进行热等静压处理，热等静压温度为1000℃～1250℃，热等静压压力为140MPa～200MPa，热等静压时间为1h～5h，再采用机械加工的方法将热等静压处理后的TiAl合金预制坯料加工成块体坯料，得到TiAl合金坯料；

[0008] 步骤一中所述的TiAl合金的名义化学成分为Ti-(40～45)Al-(7～9)X-(0.1～0.5)Z(at％)，其中X为beta稳定元素，Z为微量合金化元素；

[0009] 步骤一中所述的TiAl合金坯料的厚度为10mm～30mm，宽度为100mm～500mm，长度为300mm～500mm；

[0010] 二、加工包套：

[0011] 采用机械加工的方法将包套材料加工成与TiAl合金坯料尺寸相对应的凹槽包套；

[0012] 步骤二中所述的包套材料为不锈钢、纯钛或者钛合金；

[0013] 步骤二中所述的凹槽包套与TiAl合金坯料的厚度比为(1～3):1；

[0014] 三、喷涂玻璃润滑剂：

[0015] 采用机械加工的方法将TiAl合金坯料进行表面打磨，得到表面光洁的TiAl合金坯料，将表面光洁的TiAl合金坯料以及凹槽包套内侧喷涂1mm～5mm厚的玻璃润滑剂，得到涂有润滑剂的TiAl合金坯料及涂有润滑剂的凹槽包套；

[0016] 四、封焊TiAl合金坯料：

[0017] 将涂有润滑剂的TiAl合金坯料放入涂有润滑剂的凹槽包套中，再利用钎焊的方法进行封焊，得到包套的TiAl合金坯料；

[0018] 五、高温轧制阶段：

[0019] 将包套的TiAl合金坯料在温度为1240℃～1300℃的热处理炉中保温1h～5h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为10mm/s～150mm/s，道次变形量为5％～30％，轧制总变形量为50％～95％，道次间回炉保温温度为1240℃～1300℃，保温时间为
15min～60min，得到轧件；

[0020] 六、均匀化热处理去除残余应力：

[0021] 将轧件置于温度为850℃～1100℃的条件下进行保温，保温时间为4h～8h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材；

[0022] 七、机械加工去除包套：

[0023] 采用机械加工的方法去除带有包套的TiAl合金板材上的包套，得到大尺寸beta-gamma TiAl合金板材。

[0024] 本发明的优点：

[0025] 1、本发明在TiAl合金轧制前，包套内部涂有一定厚度的玻璃润滑剂，一方面可以提高轧制过程板材与包套之间相对的润滑作用，另一方面可以有效防止TiAl合金在高温变形中的氧化行为，同时润滑剂涂层相对越厚，越有利于后期的机械加工去除包套。

[0026] 2、本发明轧制前对轧机的轧辊进行预加热，可以减小轧制过程中的温降差，另外选择较高的初始轧制温度，可以提高TiAl合金板材尾端的终轧温度，有效避免了轧制过程中板材开裂的问题。

[0027] 3、本发明轧制后对包套的TiAl合金板材进行热处理去除残余应力，可以均匀化TiAl合金板材的组织，提高TiAl合金板材的综合力学性能，另外残余应力的消除可以防止机械加工拆除包套过程中板材的断裂。

[0028] 本发明获得尺寸为(1000～1500mm)×(300～500mm)×(1～3mm)的大尺寸beta-gamma TiAl合金板材，室温抗拉强度可以达到900MPa以上，室温塑性可以达到2％以上。

[0029] 本发明用于一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法。

具体实施方式

[0030] 具体实施方式一：本实施方式是一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法具体是按以下步骤完成的：

[0031] 一、TiAl合金坯料的制备：

[0032] 采用TiAl二次锻造开坯的方法制得TiAl合金预制坯料，然后将TiAl合金预制坯料进行热等静压处理，热等静压温度为1000℃～1250℃，热等静压压力为140MPa～200MPa，热等静压时间为1h～5h，再采用机械加工的方法将热等静压处理后的TiAl合金预制坯料加工成块体坯料，得到TiAl合金坯料；

[0033] 步骤一中所述的TiAl合金的名义化学成分为Ti-(40～45)Al-(7～9)X-(0.1～0.5)Z(at％)，其中X为beta稳定元素，Z为微量合金化元素；

[0034] 步骤一中所述的TiAl合金坯料的厚度为10mm～30mm，宽度为100mm～500mm，长度为300mm～500mm；

[0035] 二、加工包套：

[0036] 采用机械加工的方法将包套材料加工成与TiAl合金坯料尺寸相对应的凹槽包套；

[0037] 步骤二中所述的包套材料为不锈钢、纯钛或者钛合金；

[0038] 步骤二中所述的凹槽包套与TiAl合金坯料的厚度比为(1～3):1；

[0039] 三、喷涂玻璃润滑剂：

[0040] 采用机械加工的方法将TiAl合金坯料进行表面打磨，得到表面光洁的TiAl合金坯料，将表面光洁的TiAl合金坯料以及凹槽包套内侧喷涂1mm～5mm厚的玻璃润滑剂，得到涂有润滑剂的TiAl合金坯料及涂有润滑剂的凹槽包套；

[0041] 四、封焊TiAl合金坯料：

[0042] 将涂有润滑剂的TiAl合金坯料放入涂有润滑剂的凹槽包套中，再利用钎焊的方法进行封焊，得到包套的TiAl合金坯料；

[0043] 五、高温轧制阶段：

[0044] 将包套的TiAl合金坯料在温度为1240℃～1300℃的热处理炉中保温1h～5h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为10mm/s～150mm/s，道次变形量为5％～30％，轧制总变形量为50％～95％，道次间回炉保温温度为1240℃～1300℃，保温时间为
15min～60min，得到轧件；

[0045] 六、均匀化热处理去除残余应力：

[0046] 将轧件置于温度为850℃～1100℃的条件下进行保温，保温时间为4h～8h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材；

[0047] 七、机械加工去除包套：

[0048] 采用机械加工的方法去除带有包套的TiAl合金板材上的包套，得到大尺寸beta-gamma TiAl合金板材。

[0049] 具体实施方式的有益效果：

[0050] 1、本具体实施方式在TiAl合金轧制前，包套内部涂有一定厚度的玻璃润滑剂，一方面可以提高轧制过程板材与包套之间相对的润滑作用，另一方面可以有效防止TiAl合金在高温变形中的氧化行为，同时润滑剂涂层相对越厚，越有利于后期的机械加工去除包套。

[0051] 2、本具体实施方式轧制前对轧机的轧辊进行预加热，可以减小轧制过程中的温降差，另外选择较高的初始轧制温度，可以提高TiAl合金板材尾端的终轧温度，有效避免了轧制过程中板材开裂的问题。

[0052] 3、本具体实施方式轧制后对包套的TiAl合金板材进行热处理去除残余应力，可以均匀化TiAl合金板材的组织，提高TiAl合金板材的综合力学性能，另外残余应力的消除可以防止机械加工拆除包套过程中板材的断裂。

[0053] 本具体实施方式获得尺寸为(1000～1500mm)×(300～500mm)×(1～3mm)的大尺寸beta-gamma TiAl合金板材，室温抗拉强度可以达到900MPa以上，室温塑性可以达到2％以上。

[0054] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的beta稳定元素为Cr、V和Mn中的一种或其中几种的混合。其他步骤与具体实施方式一相同。

[0055] 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：步骤三中将表面光洁的TiAl合金坯料以及凹槽包套内侧喷涂1.5mm～3mm厚的玻璃润滑剂。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

[0056] 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：步骤五中将包套的TiAl合金坯料在温度为1240℃～1270℃的热处理炉中保温3h～5h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为10mm/s～80mm/s，道次变形量为5％～15％，轧制总变形量为50％～95％，道次间回炉保温温度为1240℃～1270℃，保温时间为30min～60min，得到轧件。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

[0057] 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：步骤五中将包套的TiAl合金坯料在温度为1270℃～1300℃的热处理炉中保温1h～3h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为80mm/s～150mm/s，道次变形量为15％～30％，轧制总变形量为65％～95％，道次间回炉保温温度为1270℃～1300℃，保温时间为15min～30min，得到轧件。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

[0058] 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：步骤六中将轧件置于温度为850℃～950℃的条件下进行保温，保温时间为4h～8h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

[0059] 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：步骤六中将轧件置于温度为950℃～1100℃的条件下进行保温，保温时间为4h～8h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材。其他步骤与具体实施方式一至六相同。

[0060] 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：步骤一中所述的TiAl合金的名义化学成分为Ti-43Al-9V-0.3Y(at％)。其他步骤与具体实施方式一至七相同。

[0061] 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：步骤五中将包套的TiAl合金坯料在温度为1260℃～1280℃的热处理炉中保温1h～3h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为30mm/s～150mm/s，道次变形量为5％～30％，轧制总变形量为50％～95％，道次间回炉保温温度为1260℃～1280℃，保温时间为15min～60min，得到轧件。其他步骤与具体实施方式一至八相同。

[0062] 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：步骤二中所述的凹槽包套与TiAl合金坯料的厚度比为(1～1.5):1。其他步骤与具体实施方式一至九相同。

[0063] 具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同点是：步骤一中所述的微量合金化元素为B、Si、C和Y中的一种或其中几种的混合。其他步骤与具体实施方式一至十相同。

[0064] 采用以下实施例验证本发名的有益效果：

[0065] 实施例一：一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法具体是按以下步骤完成的：

[0066] 一、TiAl合金坯料的制备：

[0067] 采用TiAl二次锻造开坯的方法制得TiAl合金预制坯料，然后将TiAl合金预制坯料进行热等静压处理，热等静压温度为1250℃，热等静压压力为160MPa，热等静压时间为4h，再采用机械加工的方法将热等静压处理后的TiAl合金预制坯料加工成块体坯料，得到TiAl合金坯料；

[0068] 步骤一中所述的TiAl合金坯料的尺寸为10mm×160mm×500mm；

[0069] 步骤一中所述的TiAl合金的名义化学成分为Ti-43Al-9V-0.2Y(at％)；

[0070] 二、加工包套：

[0071] 采用机械加工的方法将包套材料加工成与TiAl合金坯料尺寸相对应的凹槽包套；

[0072] 步骤二中所述的包套材料为304不锈钢；

[0073] 步骤二中所述的凹槽包套与TiAl合金坯料的厚度比为1.5:1；

[0074] 三、喷涂玻璃润滑剂：

[0075] 采用机械加工的方法将TiAl合金坯料进行表面打磨，得到表面光洁的TiAl合金坯料，将表面光洁的TiAl合金坯料以及凹槽包套内侧喷涂2.5mm厚的玻璃润滑剂，得到涂有润滑剂的TiAl合金坯料及涂有润滑剂的凹槽包套；

[0076] 四、封焊TiAl合金坯料：

[0077] 将涂有润滑剂的TiAl合金坯料放入涂有润滑剂的凹槽包套中，再利用钎焊的方法进行封焊，得到包套的TiAl合金坯料；

[0078] 五、高温轧制阶段：

[0079] 将包套的TiAl合金坯料在温度为1260℃的热处理炉中保温3h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为80mm/s，道次变形量为15％，轧制总变形量为85％，道次间回炉保温温度为1260℃，保温时间为20min，得到轧件；

[0080] 六、均匀化热处理去除残余应力：

[0081] 将轧件置于温度为900℃的条件下进行保温，保温时间为6h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材；

[0082] 七、机械加工去除包套：

[0083] 采用机械加工的方法去除带有包套的TiAl合金板材上的包套，得到大尺寸beta-gamma TiAl合金板材。

[0084] 本实施例一制备得到的大尺寸beta-gamma TiAl合金板材尺寸为1000mm×510mm×1.5mm，室温抗拉强度为900MPa，室温塑性为2％。

[0085] 实施例二：一种大尺寸beta-gamma TiAl合金板材的制备方法具体是按以下步骤完成的：

[0086] 一、TiAl合金坯料的制备：

[0087] 采用TiAl二次锻造开坯的方法制得TiAl合金预制坯料，然后将TiAl合金预制坯料进行热等静压处理，热等静压温度为1250℃，热等静压压力为160MPa，热等静压时间为4h，再采用机械加工的方法将热等静压处理后的TiAl合金预制坯料加工成块体坯料，得到TiAl合金坯料；

[0088] 步骤一中所述的TiAl合金坯料的尺寸为10mm×180mm×300mm；

[0089] 步骤一中所述的TiAl合金的名义化学成分为Ti-43Al-4Mn-3Cr-0.2Y(at％)；

[0090] 二、加工包套：

[0091] 采用机械加工的方法将包套材料加工成与TiAl合金坯料尺寸相对应的凹槽包套；

[0092] 步骤二中所述的包套材料为304不锈钢；

[0093] 步骤二中所述的凹槽包套与TiAl合金坯料的厚度比为1.5:1；

[0094] 三、喷涂玻璃润滑剂：

[0095] 采用机械加工的方法将TiAl合金坯料进行表面打磨，得到表面光洁的TiAl合金坯料，将表面光洁的TiAl合金坯料以及凹槽包套内侧喷涂2mm厚的玻璃润滑剂，得到涂有润滑剂的TiAl合金坯料及涂有润滑剂的凹槽包套；

[0096] 四、封焊TiAl合金坯料：

[0097] 将涂有润滑剂的TiAl合金坯料放入涂有润滑剂的凹槽包套中，再利用钎焊的方法进行封焊，得到包套的TiAl合金坯料；

[0098] 五、高温轧制阶段：

[0099] 将包套的TiAl合金坯料在温度为1280℃的热处理炉中保温3h，得到预处理后的包套TiAl合金坯料，将轧机的轧辊进行预加热处理，将预处理后的包套TiAl合金坯料放到轧机上进行非等温轧制，轧制速度为100mm/s，道次变形量为15％，轧制总变形量为75％，道次间回炉保温温度为1280℃，保温时间为20min，得到轧件；

[0100] 六、均匀化热处理去除残余应力：

[0101] 将轧件置于温度为1000℃的条件下进行保温，保温时间为6h，然后随炉冷却到室温，得到带有包套的TiAl合金板材；

[0102] 七、机械加工去除包套：

[0103] 采用机械加工的方法去除带有包套的TiAl合金板材上的包套，得到大尺寸beta-gamma TiAl合金板材。

[0104] 本实施例二制备得到的大尺寸beta-gamma TiAl合金板材尺寸为1000mm×310mm×1.8mm，室温抗拉强度为900MPa，室温塑性为2％。