专利名称：一种TiAl合金棒材的制备方法
技术领域：
本发明涉及金属间化合物制备成形技术，具体地说是一种TiAl合金棒材的制 备方法。
背景技术：
Y-TiAl合金具有密度小、高温力学性能高和较好的抗高温氧化性能靴点， 早在50年代，便被认为是一种理想的航空航天用高温结构材料。Y-TiAl合金表现 出高的高温强度、抗蠕变性能、高i^M微组织稳定性和弹性模量等高温结构材料 应具备的特征，并且，还具有一定的结构材料所应有的室温韧性、塑性和抗裂纹 扩展性能。它的综合性能介于金属材料和陶瓷材料之间。它所具备的特殊性能使 其成为近期有待于开发应用的高温航空发动机材料，随着航空航天技术不断发展， 为了提高发动机的热效率和减轻零件的自重，X寸发动机的结构材料提出了更高的 要求。作为一种有待于开发的新型航空航天用高温材料，金属间化合物这^^寺征 一直受到研究者的重视。
TiAl合金作为新一代高温结构材料的研究目前还处于起步阶段，合Mij备质 量好坏将关系到合金本征性能的深刻认识，从而严重影响进一步优化合金研究工 作能否顺利进行，同时也是合金从研究P介段走向实用阶段的前提，而优良的制备 工艺是获得高质量合金的前提。因而对TiAl制备进行深入的探索研究具有现实的 意义。
虽然在过去几年里TiAl合金热加工的研究已经取得显著的进展，但是粗大的 组织，不均匀的组织、织构和偏析组织以及低的断裂抗力使得TiAl合金lff定材料 的热加工困难。TiAl合金的热成形方法主要有以下两种方法等温锻造、包套锻 造和^套挤压。无论是那种方法，加工前都要将铸锭等静压或均匀化热处理， TiAl合金热等静压多选择在1260。C/175MPa进行。等温锻造多在1100 1200。C进 行，名义应变速率10-2 10—3/s，变形比为4:1^6:1;该工艺条件可以保证铸锭有足 够的塑性而不开裂，同时又有大于50%的片层组织球化，但是对设备要求比较高，要求有在长时间高温下有相当强度的模具，变形过程在真空或还原气氛下进行。 普通包套锻造也是一种加工TiAl合金的行之有效的方法，相比等温锻itX寸
设备要求不高。该工艺一般用冷模(《0。C)或温模(《00。C)锻造。为降低锻模对锻 件的过度冷却以防开裂， 一般应变速率较高H/s )。即使如此，仍需包套保护以
减缓坯丰47令却。由于摩擦阻力影响及热量的散失，要保证坯料和包套的均匀变形，
需要严格设计包套及隔热材料的厚度及其它相应工艺参数。由于包套锻造较等温 锻造的应变速率明显要高，在相同的形变皿及形变比下，包套锻造组织要更均 匀细化，而且残余片层更少。
发明内容
本发明目的是提供一种TiAl合金挤压棒材的制备方法，利用TiAl合金的特 点通过挤压方法制备出具有优异综合机械性能的棒材。 本发明的技术方案是
一禾中TiAl合金棒材的制备方法，其工艺流程为坯米4^均一化热处理—车削 加工—包套—挤压—去包套—后续热处理，其中
挤压挤压鹏范围125(M400。C，保温40^60 ^!中后出炉，挤压坯料出炉 后，在空气和挤压筒中停滞一段间歇时间15-30s。
戶腿的TiAl合金棒材的制备方法，包套采用TiAl合金复合包套，包套与TiAl 坯料之间采用隔热材料隔离，包套材料为不锈钢、钛或钛合金。
所述的TiAl合金棒材的制备方法，TiAl合金坯料为铸造或粉末烧结后车削成 型。其中，铸造采用一次自耗加感应悬浮熔模铸造。
所述的TiAl合金棒材的制备方法，均一化热处理在1250~1400°C保温4~10 小时，炉冷，进行成分均一化处理。
戶皿的TiAl合金棒材的制备方法，挤压后通过机械或化学手段去除包套并进 行常规TiAl合金后续热处理。
所述的TiAl合金棒材的制备方纟去，形变速率 范围为0.1~5s—、
本发明提供TiAl合金热变形的优点在于
1、 本发明通过一次自耗+感应悬浮熔模铸造，成功解决了难熔中间合金及成 分严重偏析的问题。将两种熔炼工艺复合在一起，从而使ffl定致密化和成分进一 步均匀化。
2、 本发明采用费用低廉的不锈钢做为包套材料，改变了传统的挤压方式，对
4脆性材料进行包裹挤压，并在出炉和挤压前保留一定间歇时间，使包套材料温度下降后，变形中流变抗力与TiAl合金相协调。制备出挤压件表面光滑无裂纹，其
晶粒组织细小均匀，平均晶粒度为80~120,。对变形态TiAl合金在oH7双相区或a单相区热处理，分另何以得到具有优良综合力学性能的双态等轴组织和细小全片层组织。
3、 本发明通测危性材料金属间化合物TiAl合金复合包套，使TiAl合金可以通过传统挤压方法进行变形，很大禾M^上降低了对设备的依赖性。
4、 本发明将包套挤压被成功地用于热加工TiAl合金，与包套锻造相似，但是材料在变形过程中始终受三向压应力，容易遏制裂纹的产生，从而利于提高变形速率得到更为细小组织。合理ite择包套材料和尺寸、绝热材料及加工参M"获得致密均匀的锻件是至关重要的。典型的包套挤压参数为挤压速度10 50mm/s、挤压变形比4:1 12:1、加热温度1150°C 1450°C，包套材料可以选用不锈钢、Ti-6A1-4V或纯Ti。在坯料与包套之间填充绝热材料，以减少包套挤压过程中固有的径向温度不均匀性。
图l为TiAl包套挤压坯料结构示意图。图中，1、前端盖；2、侧包套；3、隔热材料；4、 TiAl合金；5后盖。图2为TiAl合金挤压坯料形貌。图3为TiAl合金包套挤压后棒材形豸兒和尺寸。
图4 (a) - (b)为经热处理得到的组织。其中，图4 (a)双态等轴组织；图4 (b)细小全片层组织。
具体实施例方式
下面通过附图和实施例进一步详述本发明。实施例1
本实施例TiAl合金棒材牌号为Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.15B-0.2W，其制备工艺流程如下
熔炼—均一化热处理—车削加工—包套—挤压—去包套—后续热处理。
具体工艺参数
熔炼 一次自耗加感应悬浮熔模铸造；艮P:
首先，采用常规真空自耗电极电弧熔炼炉一次自耗烙炼；然后，采用真空感应悬浮熔炼炉感应悬浮熔炼。
均一化热处理在1250 1400°(3保温4~10小时；本实施例为1300°C/6h + FC
(炉冷)。
车削加工1#€车削到定尺，表面粗糙度为Ra1.6^0.8。
包套采用外径为73mm，厚度为5一mm的304不锈钢管做为包套，在不锈钢管与TiAl坯料之间i真满隔热材料SiC纤维棉，采用氩弧焊将包套前后密封(附图1、 2)。
如图1-2所示，TiAl包套挤压坯料结构包括前端盖1、侧包套2、隔热材料3、TiAl合金4、后盖5，前端盖l、侧包套2、后盖5由上至下依次设置形成包套结构，其内放置TiAl合金4，在包套结构与TiAl合金4之间设有隔热材料3， T1A1合金挤压还料表面为高温玻璃防护剂GTA-1350。
包套加热随炉加热到1250~1400°(3保温40~60分钟后出炉；本实施例为在1350。C下保温50分钟。
挤压挤压筒预热到300°C，挤压坯料出炉后需要在空气中和挤压筒中停滞一段间歇时间(约20s);本实施例平均形变速率为ls—1，变形比为6:1。
本发明T1A1合金棒材包套-间歇挤压方法通过精确控制挤压间歇时间，以便使包套材料与TiAl合金在挤压变形中协调一致，成功得至嘮合性能良好的棒材。
挤压后机械去除厚度为2~3mm后不锈钢包套后得到TiAl合金的棒材(附图3)。如图3所示，TiAl合金包套J齐压后棒材尺寸为(D30x340mm。
后续热处理本实施例后续热处理的工艺参数如下，
(1) 1280°C/4h+FC (炉冷)；或者，
(2) 1340°C/10min+FC (炉冷)。
如图4 (a) - (b)所示，制备出挤压件表面光滑无裂纹，其晶粒组织细小均匀，平均晶粒度为8(M20nm。对变形态TiAl合金在a"双相区或a单相区热处理，分别可以得到具有优良综合力学性能的双态等轴组织禾啣小全片层组织。本实施例得到棒材室温力学性能如下双态等轴组织 o。.2=560MPa， ob=670MPa， S=33%细小全片层组织o 0.2=625MPa， ob=730MPa， S=3.0%
实施例2
6与实施例1不同之处在于
本实施例TiAl合金棒材牌号为Ti-45.3Al-2Cr-2Nb-0.15B，其制备方法中 均一化热处理1280°C/8h + FC (炉冷)； 包套加热在1300°C下保温60分钟；
挤压挤压筒预热到300°C，挤压坯料出炉后需要在空气中和挤压筒中停滞 一段间歇时间(约20s);本实施例平均形变速率为2s"，变形比为12:1; 后续热处理本实施例后续热处理的工艺参数如下，
(1) 1260°C/4h+FC (炉冷)；或者，
(2) 1320°C/10min+FC (炉冷)。 本实施例主要力学性能如下
双态等轴组织 。0.2=600MPa， ob=680MPa， S=2.2%
细小全片层组织o0.2=670MPa， ob=770MPa， S=2.1%
实施例3
与实施例1不同之处在于
本实施例TiAl合金棒材牌号为Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.15B-0.2W，其制备方法中 坯料粉末通过无埘锅气体雾化成100 200nm颗粒后筛分封装，然后包 行热等静压，最后车削成型；
包套加热在1360°C下保温40分钟；
挤压挤压筒预热到300°C，挤压坯料出炉后需要在空气中和挤压筒中停滞 一段间歇时间(约30s);本实施例平均形变速率为1.5s"，变形比为8:1。 后续热处理本实施例后续热处理的工艺参数如下，
(1) 1280。C/2h^^l240°C/2h + FC (炉冷)；或者，
(2) 1340oC/5min 40°CAmn >900oC + FC (炉冷)。
实施例结果表明，本发明严TO制挤压间歇时间，调节出炉后空冷时间和在 挤压筒中停留时间，使包套材料和TiAl合金产生温度梯度达至U二者流变抗力匹配 变形助、调，制备出棒材变形充分表面光滑无裂纹，得到TiAl合金组织细小均匀，
具有优良的综合力学性能。
权利要求
1、一种TiAl合金棒材的制备方法，其工艺流程为坯料→均一化热处理→车削加工→包套→挤压→去包套→后续热处理，其特征在于，挤压挤压温度范围1250～1400℃，保温40～60分钟后出炉，挤压坯料出炉后，在空气和挤压筒中停滞一段间歇时间15-30s。
2、 按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法，其特征在于，T1A1合 金复合包套，包套与TiAl坯料之间采用隔热材料隔离，包套材料为不锈钢、钛或 钛合金。
3、 按照权禾腰求1所述的TiAl合金棒材的制备方法，其特征在于，TiAl合 金坯料为铸造或粉末烧结后车削成型。
4、 按照权利要求3所述的TiAl合金棒材的制备方法，其特征在于，其中铸 造采用一次自耗加感应悬浮熔模铸造。
5、 按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法，其特征在于，均一化 热处理在1250 1400。C保温扣10小时，炉冷，进行成分均一化处理。
6、 按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法，其特征在于，挤压后 通过机械或化学手段去除包套并进行常规TiAl合金后续热处理。
7、 按照权利要求1所述的TiAl合金棒材的制备方法，其特征在于，形变速 率范围为0.1 5s"。
全文摘要
本发明涉及金属间化合物制备成形技术，具体地说是一种TiAl合金棒材的制备方法。工艺流程如下坯料→均一化热处理→车削加工→包套→挤压→去包套→后续热处理，通过精确控制挤压间歇时间，以便使包套材料与TiAl合金在挤压变形中协调一致，成功得到综合性能良好的棒材。本发明通过对脆性材料金属间化合物TiAl合金复合包套，使TiAl合金可以通过传统挤压方法进行变形，很大程度上降低了对设备的依赖性；本发明通过严格控制挤压间歇时间，调节出炉后空冷时间和在挤压筒中停留时间，使包套材料和TiAl合金产生温度梯度达到二者流变抗力匹配变形协调，制备出棒材变形充分表面光滑无裂纹，得到TiAl合金组织细小均匀，具有优良的综合力学性能。
文档编号C22F1/00GK101457331SQ200710158828
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者冬 刘, 崔玉友, 锐 杨, 柏春光 申请人:中国科学院金属研究所