专利名称：一种粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法
技术领域：
本发明合金板材的轧制方法，特别提供一种粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法。
背景技术：
TiAl基合金作为一种轻质高温结构材料，因其低密度、高比强度和比弹性模量，以及具有较好的抗氧化性和持久性能，在航空、航天和汽车等领域具有广阔的应用前景。例如作为结构材料可应用于可返回式航天器(RLV)的回转体、导弹壳体尾翼和弹体蒙皮等重要部件。随着TiAl基合金实用化进程的发展，对TiAl基合金板材的需求越来越迫切，TiAl 基合金板材制备是拓展TiAl基合金应用领域的一个重要研究方向，同时航天航空领域对 TiAl基合金板材需求迫切。目前制备TiAl基合金板坯有三种典型的制备工艺铸造(Casting)，铸锭冶金 (Ingot Metallurgy, IM)和粉末冶金(Powder Metallurgy，PM)。铸态 TiAl 基合金存在显微组织粗大、成分偏析和热加工性较差等缺陷，导致其室温塑性和热加工性差，而且需要多道的后续热机械加工工序来改善其显微组织。预合金粉末冶金(Pro-alloyed PM)工艺可解决板材的组织不均勻性等技术难题，获得显微组织细小均勻、无宏观偏析和热加工性能得到改善原始轧制坯料，但是出于成本的考虑，以往多采用铸造冶金方法。近些年来随着粉末冶金技术的提高和制粉成本的降低，通过预合金粉末冶金的方法制备TiAl合金板坯获得了越来越多的关注。而且采用近净成型技术可以直接获得达到尺寸要求的原始坯料，从而达到节约成本、提高加工效率的目的。从上个世纪90年代开始，针对TiAl基合金板材的轧制，国内外的研究人员开展了一系列的工作，Semiatin及其合作者提出一种包套轧制工艺，进行了实验室阶段的生产。上个世纪90年代，奥地利攀石公司(Plansee AG)开展了 TiAl基合金板材的成型工艺研究， 成功轧制出标准尺寸为IOOOmmX 500mmX Imm的板材。美国在HSR材料研究计划支持下采用粉末冶金工艺成功研制出尺寸为700mmX400mmXlmm第二代TiAl基合金薄板。日本和俄罗斯等国亦开展了 TiAl基合金板材的研制工作。国内北京科技大学、中南大学、哈尔滨工业大大学、北京钢铁研究总院等单位先后开展了这项研究工作，哈尔滨工业大学轧制的TiAl基合金板材板材的尺寸约为 150mmX IOOmmX (1. 5-3)mm,北京科技大学轧制出厚度为2. 6mm的高铌TiAl基合金板材。但国内各个研究单位所轧制的TiAl基板材尺寸较小，与国外存在明显差距。因此，开展大尺寸TiAl基合金粉末冶金板材的制备是十分必要的。在TiAl基合金轧制过程中，除严格轧制的应变速率和每道次变形量外，轧制温度也是需要严格控制的主要参数。轧制温度必须控制在一个较窄的范围内(其温度范围为 150°C )，否则会出现晶间断裂、宏观开裂等失稳现象导致板材轧制的失败。因此实现TiAl 基合金近等温轧制过程是TiAl基合金板材轧制的关键技术。为了减少轧制过程中合金板坯的温降，实现TiAl基合金近等温轧制，各国都启动了相应的研究开发计划。如日本采用轧辊加热的方法来减小轧制板坯与轧辊相接触所导致的温降，而出于规模和成本的考虑，欧洲和美国更趋向于传统的包套包覆轧制工艺。然而对于大尺寸的TiAl基合金板材的轧制，即使在采用轧辊加热和包套包覆轧制工艺的情况下， 在坯料传输过程中仍会有大量的热量通过辐射和对流而损失掉。热量的散失会造成板坯温度的下降，从而在板坯中沿轧制方向形成了明显的温度梯度。板坯区域温度场分布不均勻会引起组织不均勻、性能分散以及引起板坯开裂等失稳现象。因此，在TiAl基合金的包套包覆轧制过程中，必须采取主动式的防降温措施，严格的控制坯料轧制温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于采用主动式保温热轧机对TiAl基合金进行轧制，该方法采用主动式保温措施，能够严格的控制坯料轧制温度，以达到近等温轧制的目的。在轧机的送料导轨上放置主动式保温装置，减少在传输过程中，板坯通过辐射和对流而损失的热量，达到近等温轧制的目的。本发明具体提供了一种粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于采用主动式保温热轧机对TiAl基合金进行轧制，所述主动式保温热轧机的传输轨道上安装有主动式保温罩，起着主动式保温罩是倒置的凹槽形状，由四部分组成内层为热能反射层，中间层为耐高温绝热保温层，外层为耐高温、防氧化保护层，在中间层和外层以及中间层和内层之间有凹槽形状框架；
其中内层采用具有低导热系数(导热系数小于0. 05ff/m. K)的耐1000°C以上高温的材料涂层(优选Al2O3陶瓷涂层、硅铝纤维涂层)、中间层采用对热流有较强阻抗作用的绝热材料(优选石墨耐火棉、高铝陶瓷纤维棉)、外层采用耐1000°C以上高温的防氧化涂料或涂层 (优选耐高温防氧化石墨涂料、镍铬合金涂层)、凹槽形状框架采用耐1000°C以上高温环境的耐热钢(优选Crf8Ni48W5Si2耐高热钢、SUS310不锈耐热钢)。在热轧机的传输轨道上放置主动式保温罩，能够减少在传输过程中所轧制板材通过辐射和对流而损失的热量，从而达到近等温轧制的目的。本发明提供的粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于主动式保护罩内表面距离热轧坯料外表面不超过300mm，目的是提高保温效率。本发明提供的粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于所述主动式保温罩内层的厚度大于200 μ m，中间层的厚度为30-50mm，外层的厚度大于2mm，凹槽形状框架宽度与所用轧机导轨尺寸相吻合。本发明提供的粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于在轧制前将热轧机的主动式保温罩加热到1000°c。TiAl基合金板材的轧制温度为120(Tl30(rC， 保温时间为1小时。本发明的目的在于提出一种大尺寸TiAl基合金的近等温轧制方法，即在TiAl基合金的轧制过程中，采取主动式的防温降保护措施，以达到近等温轧制的目的。具体的工艺流程和参数如下
(1)TiAl基合金坯料制备采用无坩埚感应熔炼超声气体雾化法，制备洁净的
TiAl预合金粉末，对预合金粉末进行热等静压致密化处理，通过机械加工得到轧制坯料。
(2) TiAl基合金坯料表面处理将坯料表面经过机加工后，使用磨床对其表面进行光洁处理。应用耐高温防氧化材料对其表面进行热喷涂，以防止其在高温加工过程中氧化。(3) 包套封焊使用耐高温的合金，加工成包套。将TiAl基合金坯料放置于中间，采用氩弧将坯料封制包套内。(4) TiAl热轧板坯与主动式保温装置的加热将TiAl热轧板坯和主动式保温装置加热到相应温度，保温一定时间。(5) TiAl基合金的轧制首先将加热的主动式保温装置放入导轨上，然后将轧件迅速地放置于轧机上，轧件在导轨上运行过程中，始终处于主动式保温装置内，以减少轧件向周围的热量辐射，达到近等温轧制的效果。本发明在引入主动式保温的条件下，可以实现TiAl基合金板材的近等温轧制，确保热轧板材温度场分布均勻，轧制出无内部缺陷、性能优良的大尺寸板材。另外，由于引入主动式保温措施，在应用包套轧制工艺时，还可以减小包套的厚度和宽度，从而减少材料的消耗，节约能源。
图1 TiAl基合金坯料在不同主动式保温温度条件下，平均温度随时间变化情况； 图2主动式保温为1000°C条件下，TiAl基合金板坯的温度场分布情况；
图3未应用主动式保温装置条件下，得到的热轧粉末冶金TiAl基合金板材实物图； 图4应用主动式保温装置条件下，得到的热轧粉末冶金TiAl基合金板材实物图。
具体实施例方式实施例1
主动式保温罩内层应用Al2O3陶瓷涂层；应用耐高热钢Crf8Ni48W5Si2加工成凹槽形状框架；中间的耐高温绝热保温层为石墨耐火棉；外层为^O2陶瓷热障涂层，在热轧机传输轨道上安装主动式保温罩。应用无坩埚感应熔炼气体雾化法制备TiAl基预合金粉末，然后对预合金粉末进行热等静压处理。经过机械加工制备轧制坯料，板坯尺寸为350 mm*175mm*10mm。选取 Ti6A14V合金作为包套材料，采用氩弧焊将坯料封制包套内。将坯料加热到轧制所需温度 1250°C，保温1小时。将主动式保温装置升温到1000°C，在有主动式保温装置保护条件下， 对坯料进行热轧，其平均温度随时间变化情况如图1所示；TiAl基合金板坯的温度场分布情况如图2所示。实际热轧结果良好，获得变形均勻无宏观和微观缺陷的板材，得到的热轧粉末冶金TiAl基合金板材实物图如图4所示。实施例2
主动式保温罩内层应用IO3陶瓷涂层；应用SUS310不锈耐热钢加工成凹槽形状框架； 中间的耐高温绝热层使用布状碳纤维；外层喷涂镍铬合金涂层，在热轧机传输轨道上安装主动式保温罩。将主动式保温装置升温到800°C，对坯料进行热轧，其它条件同实施例1。其平均温度随时间变化情况如图1所示，获得变形均勻无宏观和微观缺陷的板材。
实施例3
主动式保温罩内层硅铝纤维涂层；应用SUS314不锈耐热钢加工成凹槽形状框架；中间的耐高温绝热层使用高铝陶瓷纤维棉；外层喷涂耐高温防氧化石墨涂料，在热轧机传输轨道上安装主动式保温罩。将主动式保温装置升温到600°C，对坯料进行热轧，其它条件同实施例1。其平均温度随时间变化情况如图1所示，获得变形均勻无宏观和微观缺陷的板材。实施例4
将主动式保温装置升温到400°C，对坯料进行热轧，其它条件同实施例1。其平均温度随时间变化情况如图1所示，获得变形均勻无宏观和微观缺陷的板材。实施例5
将主动式保温装置升温到200°C，对坯料进行热轧，其它条件同实施例1。其平均温度随时间变化情况如图1所示，获得变形均勻无宏观和微观缺陷的板材。
对比例
未应用主动式保温装置条件下，对坯料进行热轧，其它条件同实施例1。其平均温度随时间变化情况如图1 (20°c所代表的曲线)所示。得到的热轧粉末冶金TiAl基合金板材实物图如图3所示，在没有应用主动式保温装置条件下，轧制后轧件表面存在明显的宏观裂纹。
从图1中可以看出在引入主动式保温的条件下，热轧板坯即使在空气中停留30s，TiAl 基合金坯料温度仍然高于1200°C，达到工艺窗口的温度要求。在没有采用主动式保温方法时，TiAl合金坯料的温度变化很大，这不利于对轧制温度敏感的TiAl合金的轧制。图2是主动式保温温度为1000°C条件下，30s时热轧板材的温度场整体分布情况。从图中看出热轧板材整体温度场呈现明显温度梯度分布，而中心TiAl基合金坯料的温度场分布均勻，仍然保持在轧制所需要的温度区间内。
权利要求
1.一种粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于采用主动式保温热轧机对TiAl基合金进行轧制，所述主动式保温热轧机的传输轨道上安装有主动式保温罩，其中主动式保温罩是倒置的凹槽形状，由四部分组成内层为热能反射层，中间层为耐高温绝热保温层，外层为耐高温、防氧化保护层，在中间层和外层以及中间层和内层之间有凹槽形状框架；其中内层为导热系数小于0. 05ff/m. K、耐1000°C以上高温的材料涂层，中间层采用对热流有阻抗作用的绝热材料，外层采用耐1000°C以上高温的防氧化涂料或涂层，凹槽形状框架采用耐1000°C以上高温环境的耐热钢。
2.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于在轧制前将热轧机的主动式保温罩加热到1000°C。
3.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于 TiAl基合金板材的轧制温度为120(Tl30(rC，保温时间为1小时。
4.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于主动式保护罩内表面距离热轧坯料外表面不超过300mm。
5.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于所述内层的厚度大于200 μ m，中间层的厚度为30-50mm，外层的厚度大于2mm，凹槽形状框架宽度与所用轧机导轨尺寸相吻合。
6.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于内层为Al2O3陶瓷涂层或硅铝纤维涂层。
7.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于中间层采用石墨耐火棉或高铝陶瓷纤维棉。
8.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于夕卜层采用耐高温防氧化石墨涂料或镍铬合金涂层。
9.按照权利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于凹槽形状框架采用Crf8Ni48W5Si2耐高热钢或SUS310不锈耐热钢。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种粉末冶金TiAl基合金板材的近等温轧制方法，其特征在于采用主动式保温热轧机对TiAl基合金进行轧制，该方法采用主动式保温措施，能够严格的控制坯料轧制温度，以达到近等温轧制的目的。在轧机的送料导轨上放置主动式保温装置，减少在传输过程中，板坯通过辐射和对流而损失的热量，达到近等温轧制的目的。
文档编号B21B1/22GK102553912SQ20101061084
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者于德军, 刘 东, 崔玉友, 徐磊, 杨锐, 王刚 申请人:中国科学院金属研究所