本发明是一种热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，该工艺针对含W、Ta、Si的新型Ti‑Al‑Nb合金在熔炼后的锻造热加工过程中，具有热膨胀敏感性和较低塑性，容易产生内部缺陷、表面开裂、机加工处理难度的问题，通过在热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金应用锻前热处理工序、控制锻造过程和锻后热处理工序结合的方法，调控和优化此类合金的热加工工艺性能，能够明显提高Ti‑Al‑Nb合金的制备能力和水平。
1.一种热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：所述热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金中，其化学成分及原子百分比为：Al 20％～50％，Nb 10％～25％，Ti 25％～70％，W+Ta+Si≥2％，该锻造工艺的步骤如下：步骤一、对Ti‑Al‑Nb合金初始坯料进行连续相变点测定
在初始坯料上切取10～20个样品，分别加热至1200℃及以下温度，并保温1h后水冷，
1200℃以下的温度以20～50℃为间隔降低，对完成上述过程的样品，根据其形成的形貌特征确定Ti‑Al‑Nb合金的第一个相变点温度为Tc1、第二个相变点温度为Tc2和第三个相变温度为Tc3；
步骤二、确定第一阶段Ti‑Al‑Nb合金锻前多阶段阶梯式热处理制度按设计确定Ti‑Al‑Nb合金的加热目标温度T1；
计算阶梯式热处理的阶梯数n：T1/500‑1＜n＜T1/300‑1，n取正整数；
每一个阶梯对应一个阶梯温度，将加热目标温度T1设定为第一阶梯温度，该温度对应的阶梯数为n1，依此类推，设定的阶梯温度为T2、T3、T4...T(n‑1)，对应的阶梯数依次为n2、n3、n4...n(n‑1)；
计算阶梯式热处理的阶梯温度：阶梯温度T2、T3、T4...T(n‑1)的阶梯温度依次为：T2＝室温+T1/n，T3＝室温+T1/n×2，T4＝室温+T1/n×3...T(n‑1)＝室温+T1/n×(n‑1)；
阶梯温度T2、T3、T4...T(n‑1)需避开Ti‑Al‑Nb合金的第一个相变点温度为Tc1、第二个相变点温度为Tc2和第三个相变温度为Tc3，若阶梯温度在任一相变点温度±20℃以内范围时，取最高相变点温度+20℃作为阶梯温度；
每个阶梯温度下阶梯保温时间为t2、t3、t4...t(n‑1)，其计算公式为：(0.2D‑30)min≤t2、t3、t4...t(n‑1)≤(0.2D+30)min，式中：D为合金初始坯料的最小截面尺寸，单位mm；
阶梯间升温速率v的取值范围为：200℃/h≤v≤300℃/h；
第一阶梯温度T1下的目标温度保温时间t1的计算公式为：(0.3D)min≤t1≤(0.3D+60)min，式中：D为合金初始坯料的最小截面尺寸，单位mm；
步骤三、确定第二阶段的Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺
对经过步骤二的第一阶段热处理后的Ti‑Al‑Nb合金进行镦粗、拔长，累计变形量ε为：
10％≤ε≤50％，每次锻造的时间t每火次锻造时间≤0.02D锻造前+5min，D锻造前为合金在锻造前坯料的最小截面尺寸，单位mm；；
若锻造时间达到限制值后，停止锻造并确认坯料表面无明显开裂、缺口情况下返回炉内保温，回炉保温时间t回炉保温的计算公式为：(0.1D回炉保温+10)min≤t回炉保温≤(0.1D回炉保温+30)min，式中：D回炉保温为合金回炉保温时锻造坯料的最小截面尺寸，单位mm；回炉保温后继续完成镦粗、拔长直至达到热加工累计变形量的要求；
若锻造时间达到限制值后，停止锻造并确认坯料表面存在明显开裂、缺口情况，则提前中止锻造过程；
步骤四、确定第三阶段Ti‑Al‑Nb合金锻后热处理制度
将经过步骤三锻造后的Ti‑Al‑Nb合金锻造坯料转炉至另一预热后的加热炉进行热处理，预热后的热处理温度T锻后为：1/2T1‑200℃≤T锻后≤1/2T1+200℃，保温时间t锻后＝0.1D锻后min，D锻后为合金完成锻造后坯料的最小截面尺寸，单位mm；之后随炉降温，出炉空冷至室温；
热处理温度T锻后需避开Ti‑Al‑Nb合金的第一个相变点温度为Tc1、第二个相变点温度为Tc2和第三个相变温度为Tc3，若热处理温度T锻后在任一相变点温度±20℃以内范围时，取最低相变点温度‑20℃作为热处理温度T锻后。
2.根据权利要求1所述的热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：该锻造工艺所使用的Ti‑Al‑Nb合金的初始坯料为熔炼铸锭，或是带包套的保护热挤压、带包套的热锻造后的棒坯。
3.根据权利要求1所述的热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：步骤四中，若热处理过程中产生表面裂纹、缺口明显，将Ti‑Al‑Nb合金锻造坯料转炉至另一预热后的更低温度的加热炉中进行热处理，该热处理温度T更低锻后为T锻后‑(200℃～400℃)，保温时间不小于(0.1D锻后‑30)min，出炉空冷至室温。
4.根据权利要求1所述的热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：所述热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的化学成分及原子百分比为：Al 21.5％，Nb
22.9％，Ti 53.9％，W+Ta+Si≥2％。
5.根据权利要求4所述的热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：步骤一中，1200℃以下的温度以25℃为间隔降低，完成相变点温度的测定。
6.根据权利要求4所述的热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：步骤二中，加热目标温度T1设定1150℃，阶梯式热处理的阶梯数n＝3，阶梯温度T2＝400℃，T3＝820℃，第一阶梯温度T1下的保温时间t1＝90min，其它阶梯温度下的保温时间为
40min，阶梯间升温速率200℃/h≤v≤300℃/h。
7.根据权利要求4所述的热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：步骤三中所述的热加工累计变形量ε＝25％，每次锻造的时间t每火次锻造时间＝6min。
8.根据权利要求4所述的热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其特征在于：步骤四中，热处理温度T锻后为500℃，保温时间t锻后为20min，出炉空冷至室温。
热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺
技术领域
[0001] 本发明是一种热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，属于金属材料制备技术领域。技术背景
[0002] 随着航空航天领域对高温钛合金及钛基金属间化合物等材料性能要求的不断提高，新型高温钛合金及钛金属间化合物结构材料亟需被开发。其中，Ti‑Al‑Nb合金体系所具有的较低密度、高比强度、优异高温力学性能等特点得到本领域研究人员的广泛关注，成为高温结构材料的重要选材之一。
[0003] Ti‑Al‑Nb合金由于其本征所具有的较低塑性特点，在热加工和热成型制备过程中存在加大难度，尤其是进一步合金化的Ti‑Al‑Nb合金明显提升高温抗氧化性、高温热强性能等同时，其高温塑性和室温塑性进一步下降，明显提升其合金制备的难度。目前围绕此类合金的热加工制备可以采用挤压、热包套等方法完成开坯及锻造过程，但存在制备成本高、工艺复杂等不利影响。
发明内容
[0004] 本发明技术方案针对上述现有技术状况而设计提供了一种热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺，其目的是满足Ti‑Al‑Nb合金在实际科研生产和工程应用过程中的热加工工艺需求，提升其热加工和热成型制备能力和水平，解决或减缓产生内部缺陷、表面开裂、机加工处理难度大等情况，进一步提升Ti‑Al‑Nb合金的工程应用价值。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006] 该种热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺中，所述热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的化学成分及原子百分比为：Al 20％～50％，Nb 10％～25％，Ti 25％～70％，W+Ta+Si≥2％，该锻造工艺的步骤如下：
[0007] 步骤一、对Ti‑Al‑Nb合金初始坯料进行连续相变点测定
[0008] 在初始坯料上切取10～20样品，分别加热至1200℃及以下温度，并保温1h后水冷，1200℃以下的温度以20～50℃为间隔降低，对完成上述过程的样品，根据其形成的形貌特征确定Ti‑Al‑Nb合金的第一个相变点温度为Tc1、第二个相变点温度为Tc2和第三个相变温度为Tc3；
[0009] 步骤二、确定第一阶段Ti‑Al‑Nb合金锻前多阶段阶梯式热处理制度
[0010] 按设计确定Ti‑Al‑Nb合金的加热目标温度T1；
[0011] 计算阶梯式热处理的阶梯数n：T1/500‑1＜n＜T1/300‑1，n取正整数；
[0012] 每一个阶梯对应一个阶梯温度，将加热目标温度T1设定为第一阶梯温度，该温度对应的阶梯数为n1，依此类推，设定的阶梯温度为T2、T3、T4...T(n‑1)，对应的阶梯数依次为n2、n3、n4...n(n‑1)；
[0013] 计算阶梯式热处理的阶梯温度：阶梯温度T2、T3、T4...T(n‑1)的阶梯温度依次为：T2＝室温+T1/n，T3＝室温+T1/n×2，T4＝室温+T1/n×3...T(n‑1)＝室温+T1/(n‑1)；
[0014] 阶梯温度T2、T3、T4...T(n‑1)需避开Ti‑Al‑Nb合金的第一个相变点温度为Tc1、第二个相变点温度为Tc2和第三个相变温度为Tc3，若阶梯温度在任一相变点温度±20℃以内范围时，取最高相变点温度+20℃作为阶梯温度；
[0015] 每个阶梯温度下阶梯保温时间为t2、t3、t4...t(n‑1)，其计算公式为：(0.2D‑30)min≤t2、t3、t4...t(n‑1)≤(0.2D+30)min，式中：D为合金初始坯料的最小截面尺寸，单位mm；
[0016] 阶梯间升温速率v的取值范围为：200℃/h≤v≤300℃/h；
[0017] 第一阶梯温度T1下的目标温度保温时间t1的计算公式为：(0.3D)min≤t1≤(0.3D+60)min，式中：D为合金初始坯料的最小截面尺寸，单位mm；
[0018] 步骤三、确定第二阶段的Ti‑Al‑Nb合金的锻造工艺
[0019] 对经过步骤二的第一阶段热处理后的Ti‑Al‑Nb合金进行镦粗、拔长，累计变形量ε为：10％≤ε≤50％，每次锻造的时间t每次火锻造时间≤0.02D锻造前+5min，D锻造前为合金在锻造前坯料的最小截面尺寸，单位mm；；
[0020] 若锻造时间达到限制值后，停止锻造并确认坯料表面无明显开裂、缺口情况下返回炉内保温，回炉保温时间t回炉保温的计算公式为：(0.1D回炉保温+10)min≤t回炉保温≤(0.1D回炉保温+30)min，式中：D回炉保温为合金回炉保温时锻造坯料的最小截面尺寸，单位mm；回炉保温后继续完成镦粗、拔长直至达到热加工累计变形量的要求；
[0021] 若锻造时间达到限制值后，停止锻造并确认坯料表面存在明显开裂、缺口情况，则提前中止锻造过程；
[0022] 步骤四、确定第三阶段Ti‑Al‑Nb合金锻后热处理制度
[0023] 将经过步骤三锻造后的Ti‑Al‑Nb合金锻造坯料转炉至另一预热后的加热炉进行热处理，预热后的热处理温度T锻后为：1/2T1‑200℃≤T锻后≤1/2T1+200℃，保温时间t锻后＝0.1D锻后min，D锻后为合金完成锻造后坯料的最小截面尺寸，单位mm；之后随炉降温，出炉空冷至室温；
[0024] 热处理温度T锻后需避开Ti‑Al‑Nb合金的第一个相变点温度为Tc1、第二个相变点温度为Tc2和第三个相变温度为Tc3，若热处理温度T锻后在任一相变点温度±20℃以内范围时，取最低相变点温度‑20℃作为热处理温度T锻后。
[0025] 在实施时，该锻造工艺所使用的Ti‑Al‑Nb合金的初始坯料为熔炼铸锭，或是带包套的保护热挤压、带包套的热锻造后的棒坯。
[0026] 在实施时，步骤四中，若热处理过程中产生表面裂纹、缺口明显，将Ti‑Al‑Nb合金锻造坯料转炉至另一预热后的更低温度的加热炉中进行热处理，该热处理温度T更低锻后为T锻后‑200～400℃，保温时间不小于(0.1D锻后‑30)min，出炉空冷至室温。
[0027] 在实施时，所述热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金的化学成分及原子百分比为：Al 21.5％，Nb 22.9％，Ti 53.9％，W+Ta+Si≥1.5％。
[0028] 进一步，步骤一中，1200℃以下的温度以25℃为间隔降低，完成相变点温度的测定。
[0029] 进一步，步骤二中，加热目标温度T1设定1150℃，阶梯式热处理的阶梯数n＝3，阶梯温度T2＝400℃，T3＝820℃，第一阶梯温度T1下的保温时间t1＝90min，其它阶梯温度T1下的保温时间为40min，阶梯间升温速率200℃/h≤v≤300℃/h。
[0030] 进一步，步骤三中所述的热加工累计变形量ε＝25％，每次锻造的时间t每次锻造时间＝6min。
[0031] 进一步，步骤四中，热处理温度T锻后为500℃，保温时间t5＝min，随炉降温，保温时间t锻后为20min，出炉空冷至室温。
[0032] 本发明技术方案的特点及有益效果是：
[0033] 1、本发明提供的锻造优化工艺方法适用于热膨胀敏感且低塑性Ti‑Al‑Nb合金，同时结合此类合金复杂相转变特征，进行关键相变点测定与评估，并优化设计锻前和锻后热处理工艺参数，可提升锻造后合金组织细化程度和均匀程度。
[0034] 2、本发明提供的锻造优化工艺方法通过应用锻前多阶段台阶升温控制热处理，控制锻造过程和锻后多阶段台阶降温控制热处理工序结合的方法，可以有效提升其热加工和热成型制备能力和水平，解决或减缓产生内部缺陷、表面开裂、机加工处理难度大等情况。
[0035] 3、本发明提供的锻造优化工艺方法在热加工过程中依据锻造时间和锻坯表面质量情况，评估并执行实际热加工变形量和选择增加锻造过程中的回炉保温处理，可以有效避免锻造过程中的坯料开裂，并提升合金微观组织等级和力学性能。
[0036] 4、本发明提供的锻造优化工艺方法充分利用热处理炉设备并通过设计升温台阶、升温速率、交替使用加热炉、控制冷却等方法完成优化工艺过程，使用常规热处理炉即可完成，在实际应用中具有较高的可行性和广泛的适用性。
附图说明
[0037] 图1为本发明实施例的Ti‑Al‑Nb合金棒材热加工前金相组织图
具体实施方式
[0038] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明：
[0039] 以下实施例为Ti‑Al‑Nb合金的锻造过程，采用本发明所设计的制备方法的步骤如下：
[0040] 1、Ti‑Al‑Nb合金热处理前状态要求与评估：
[0041] 核验待热加工合金为Ti‑Al‑Nb合金，其中Al合金元素含量21.5％(原子比，下同)，Nb合金元素含量22.9％，Ti合金元素含量53.9％，W+Si+Ta等合金元素含量1.5％。
[0042] 热加工Ti‑Al‑Nb合金初始坯料为β/B2单相区热加工特征组织，坯料尺寸直径200×长度400mm，取试样室温拉伸抗拉强度1100MPa，屈服强度1066MPa，延伸率3.5％。其棒材金相组织如图1所示。
[0043] 2、对Ti‑Al‑Nb合金初始坯料进行连续相变点测定，将相变点材料样品集中加热至1200℃保温1h后分别在更低温度保温1h后水冷，温度选取的间隔为25℃，根据新相形成形貌特征判断相转变温度，测试关键相变点温度，第一个相变点温度为Tc1≈1075℃，第二个相变点温度为Tc2≈1000℃，第三个相变温度为Tc3≈800℃；
[0044] 3、第一阶段Ti‑Al‑Nb合金锻前升温控制热处理：
[0045] 以阶梯升温的方式对Ti‑Al‑Nb合金坯料进行锻前升温控制热处理，目标温度1150℃，阶梯温度数量n＝3；阶梯温度T2和T3，其中T2＝400℃，T3＝820℃(接近第三个相变点取800℃+20℃)，每个阶梯温度保温时间t1＝40min；阶梯间升温速率200℃/h≤v≤300℃/h；
目标温度保温时间t2＝90min；
[0046] 4、第二阶段Ti‑Al‑Nb合金锻造过程：
[0047] 对Ti‑Al‑Nb合金坯料出炉并进行热加工累计变形量ε＝25％的镦粗和拔长热变形过程，锻造过程中每次锻造的时间t每次火锻造时间＝6min，完成热加工变形；
[0048] 5、第三阶段Ti‑Al‑Nb合金锻后控制热处理：
[0049] 对完成锻造过程的Ti‑Al‑Nb合金坯料转炉至另一加热炉热处理，热处理温度T锻后＝500℃，随炉降温，保温时间t锻后＝20min，出炉空冷至室温。
