本发明属于tial合金板材的轧制方法，特别涉及一种细晶层片组织tial合金板材及直接制备其的方法。
背景技术：
tial合金具有高比强度、高比刚度、优良的抗氧化性和抗蠕变性，以及高于常规钛合金的阻燃性，被认为是一种在650℃-900℃极具应用前景的高温结构材料。tial合金板材是当前美国主要航空计划的备选材料，这些计划包括可重复使用的运载火箭、nasa未来x飞机、联合战斗机、x-38救援车、军用航天飞机、机动航天器以及超声速飞机。此外，tial合金板材是理想的弹体结构蒙皮材料。但tial合金在工业规模的板材加工方面仍存在相当大的技术难点。该类合金存在本征脆性、热变形能力差、热加工窗口窄、变形抗力大及层片晶团粗大等缺点，增加了tial合金板材的制备难度。
具有细小均匀层片组织的tial合金具有优异的综合力学性能。为了获得这类组织，国内过的科研工作者做了大量研究，主要通过添加合金元素、热处理、热挤压等方法，但所获得的层片晶团的平均晶粒尺寸依然很大，远远不能满足工业需求。为了改善tial合金的热加工性能，提高tial合金的成形性，通过添加β相稳定元素向合金高温组织中引入无序β相是一种有效的方法。热变形行为研究发现，变形和动态再结晶优先在晶界处的β相中产生。β相的存在促进了晶粒的滑动和晶界的迁移，提高了变形能力。但β相在低温时会有序化为b2结构的β0相，有序β0相属于硬脆相，不利于tial合金室温塑性。室温组织中的β0相不仅很难通过后续的热处理完全消除，而且热处理过程还会造成晶粒粗化，损害合金力学性能。而且β相的引入，将会削弱材料自身的蠕变性能。除此之外，制备tial合金板材依然存在对设备要求和成本高、加工周期长、材料利用率低、大尺寸薄板难成形等不足，严重制约了tial合金的实用化进程。
研究表明，无序的α相也能显著提高tial合金的变形能力，尤其是等轴的α晶粒。本发明通过调控tial合金的成分，控制al及合金元素添加量，通过直接包套轧制，直接制备出具有细小层片组织的tial合金板材，省掉了后续的热处理，减少了工序。同时，所制备的tial合金板材组织细小均匀，且几乎不含有脆性β0相，同时兼具了强度和塑性。提供了工艺流程简单、高性能的tial合金热加工制备方法，利于推广和应用。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供了一种细晶层片组织tial合金板材及直接制备其的方法，通过调控tial合金的成分，控制al及合金元素添加量，通过直接包套轧制，直接制备出具有细小层片组织的tial合金板材，省掉了后续的热处理，减少了工序。同时，所制备的tial合金板材组织细小均匀，且几乎不含有脆性β0相，同时兼具了强度和塑性。提供了工艺流程简单、高性能的tial合金热加工制备方法，利于推广和应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种细晶层片组织tial合金板材，包括以下原子百分比含量的各元素：43-46％al，1-8％x，0.1-0.5％y，余量为ti；其中所述x为mo，cr，nb和mn中的一种或几种的混合；y为b，c和y中的一种或几种的混合。
优选地，包括以下原子百分比含量的各元素：43.5-45.5％al，4-8％x，0.2-0.3％y，余量为ti；其中所述x为mo，cr，nb和mn中的一种或几种的混合；y为b，c和y中的一种或几种的混合。
优选地，所述x为cr和nb中的一种或两种的混合；y为c、y中的一种或两种的混合，或者y为c和/或y与b的混合。
优选地，所述tial合金包括ti-43al-1.5cr-0.2y、ti-43al-4nb-0.5mo-0.2c、ti-43al-4nb-1.5cr-0.2b、ti-43al-2nb-2cr-0.3y、ti-43.5al-2nb-2cr-0.2b-0.3y、ti-43.5al-2nb-1.5cr-0.3c、ti-43al-4nb-2mn-0.3y、ti-44al-7nb-0.2y、ti-44al-1cr-0.3c、ti-44al-2mn-0.2c、ti-44al-4nb-0.4mo-0.2c、ti-45al-2cr-2nb、ti-45al-2cr-2nb-0.2y、ti-45al-4nb-1cr-0.2y、ti-45al-3nb-2mn-1cr-0.1y-0.1c、ti-46al-8nb-0.1b-0.1c-0.2y、ti-46al-4nb-1mo-0.1b-0.1c或ti-46al-3mn-1mo-0.1b。
本发明还提供了一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，包括以下步骤：
a、tial合金板坯的制备；
b、将tial合金板坯包套；
c、将包套后的tial合金板坯进行前期包套轧制；
d、将前期包套轧制后的tial合金板坯进行后期包套轧制；
e、将步骤d获得的包套tial合金板材进行去应力退火和包套解除，即得所述细晶层片组织tial合金板材。
优选地，步骤a中，所述tial合金板坯的厚度为10mm-50mm；
优选地，步骤a中，所述tial合金板坯可以是粉末冶金法或铸锭冶金法制备的，具体的方法可以为预合金粉末+热等静压、预合金粉末+真空热压烧结、等离子束冷床炉熔炼、等离子束冷床炉熔炼+包套锻造、真空电弧熔炼、真空电弧熔炼+包套锻造、凝壳感应熔炼、凝壳感应熔炼+包套锻造等方法制备。
优选地，步骤a中，所得tial合金板坯的平均晶粒尺寸或平均层片晶团尺寸为5μm-300μm。
优选地，步骤b中，所述将tial合金板坯包套的方法具体包括以下步骤：将tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，然后将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金板坯；
所述包套的厚度为5mm-20mm；所述的包套材质为不锈钢、耐热钢或碳钢。
优选地，步骤c中，所述前期包套轧制的具体参数包括：轧制温度为1255℃-1360℃、炉前保温10min-40min、轧制速度为20mm/s-120mm/s、道次变形量为18％-40％、道次回炉保温时间为5min-12min、总压下量为40％-70％；
步骤d中，所述后期包套轧制的具体参数包括：轧制温度为1255℃-1360℃、炉前保温2min-10min、轧制速度为50mm/s-200mm/s、道次变形量为15％-35％、道次回炉保温时间为2min-10min、总压下量为60％-90％。
优选地，所述前期包套轧制的具体参数包括：轧制温度为1260℃-1350℃、炉前保温10min-30min、轧制速度为30mm/s-60mm/s、道次变形量为25％-35％、道次回炉保温时间为5min-10min、总压下量为45％-65％；
所述后期包套轧制的具体参数包括：轧制温度为1260℃-1345℃、炉前保温8min-12min、轧制速度为50mm/s-100mm/s、道次变形量为20％-25％、道次回炉保温时间为4min-8min、总压下量为70％-85％。
优选地，步骤e中，所述退火的条件为：将经步骤d处理后的tial合金板坯在温度为800℃-900℃的条件下保温6h-48h，然后随炉冷却至室温。
优选地，步骤e中，采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、细晶层片组织的tial合金板材。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、高温组织中的α相，是一种无序相，具有优异的变形能力。本发明选用的轧制温度保证了高温组织中含有大量的等轴α晶粒，同时大道次变形量充分促进了等轴α晶粒向更加细小的等轴α晶粒转变。这些更加细小的等轴α晶粒在轧制降温过程中会析出γ层片，形成细小的层片晶团，利于同时改善tial合金板材的室温和高温力学性能。
2、本发明设计的tial合金成分，尽量避免了高温组织中出现无序的β相，因此保证了室温组织中含有少量或不含有序的β0相，改善了最终板材的室温力学性能和高温力学性能。
3、本发明通过控制轧制温度和轧制工艺，直接制备出了细小层片组织。可以避免后期通过热处理再制备层片组织而引起层片晶团粗大，实现了室温拉伸性能和高温拉伸性能的平衡。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备30mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-43al-4nb-1.5cr-0.2b(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过真空电弧熔炼+包套锻造制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为70μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为12mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为不锈钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1275℃的炉中保温30min。轧制速度为30mm/s、道次变形量为25％、道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为58％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1275℃的炉中保温6min。轧制速度为60mm/s、道次变形量为20％。道次回炉保温时间为6min，此工艺下板材的总压下量为79％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为900℃的条件下保温18h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例2：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备25mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-43al-2nb-2cr-0.3y(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过等离子束冷床炉熔炼制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为100μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为8mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为耐热钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1270℃的炉中保温40min。轧制速度为40mm/s、道次变形量为23％、道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为55％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1275℃的炉中保温6min。轧制速度为65mm/s、道次变形量为18％。道次回炉保温时间为6min，此工艺下板材的总压下量为75％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为900℃的条件下保温15h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例3：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备20mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-43al-1.5cr-0.2y(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过预合金粉末+热等静压制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为20μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为8mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为碳钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1260℃的炉中保温25min。轧制速度为50mm/s、道次变形量为28％、道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为63％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1260℃的炉中保温6min。轧制速度为60mm/s、道次变形量为22％。道次回炉保温时间为6min，此工艺下板材的总压下量为78％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为850℃的条件下保温12h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例4：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备30mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-43.5al-2nb-2cr-0.2b-0.3y(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是真空电弧熔炼铸锭+包套锻造制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为60μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为12mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为耐热钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1280℃的炉中保温30min。轧制速度为35mm/s、道次变形量为30％、道次回炉保温时间为7min，此工艺下板材的总压下量为51％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1280℃的炉中保温6min。轧制速度为60mm/s、道次变形量为25％。道次回炉保温时间为6min，此工艺下板材的总压下量为73％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为800℃的条件下保温12h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例5：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备25mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-44al-7nb-0.2y(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过冷床炉熔炼铸锭+包套锻造。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为30μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为10mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为碳钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1290℃的炉中保温25min。轧制速度为40mm/s、道次变形量为25％、道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为44％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1290℃的炉中保温10min。轧制速度为60mm/s、道次变形量为25％。道次回炉保温时间为6min，此工艺下板材的总压下量为70％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为800℃的条件下保温8h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例6：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备20mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-44al-2mn-0.2c(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过凝壳感应熔炼铸锭+包套锻造。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为80μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为8mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为不锈钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1280℃的炉中保温25min。轧制速度为40mm/s、道次变形量为25％、道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为58％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1280℃的炉中保温10min。轧制速度为55mm/s、道次变形量为20％。道次回炉保温时间为10min，此工艺下板材的总压下量为73％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为850℃的条件下保温10h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例7：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备25mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-45al-2cr-2nb-0.2y(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过真空电弧熔炼制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为150μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为12mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为耐热钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1300℃的炉中保温60min。轧制速度为45mm/s、道次变形量为18％、道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为45％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1300℃的炉中保温15min。轧制速度为55mm/s、道次变形量为23％。道次回炉保温时间为10min，此工艺下板材的总压下量为75％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为850℃的条件下保温12h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例8：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备30mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-45al-3nb-2mn-1cr-0.1y-0.1c(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过等离子束冷床炉熔炼制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为80μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为12mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为不锈钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1305℃的炉中保温40min。轧制速度为45mm/s、道次变形量为20％、道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为49％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1305℃的炉中保温12min。轧制速度为55mm/s、道次变形量为25％。道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为72％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为800℃的条件下保温15h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好、且为细晶层片组织的tial合金板材。
实施例9：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备30mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-46al-8nb-0.1b-0.1c-0.2y(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过凝壳感应熔炼铸锭+包套锻造制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为70μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为12mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为不锈钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1310℃的炉中保温30min。轧制速度为40mm/s、道次变形量为20％、道次回炉保温时间为10min，此工艺下板材的总压下量为49％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1310℃的炉中保温10min。轧制速度为60mm/s、道次变形量为20％。道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为80％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为850℃的条件下保温10h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好的tial合金板材。
实施例10：
本实施例为一种直接制备细晶层片组织tial合金板材的方法，具体是按以下步骤进行的：
一、tial合金板坯准备：准备20mm的tial合金板坯，tial合金的名义成分为ti-46al-4nb-1mo-0.1b-0.1c(at.％)；
步骤一中所述的tial合金板坯是通过预合金粉末+热等静压制备的。
步骤一中所述的tial合金板坯的平均晶粒尺寸为30μm。
二、tial合金板坯包套：采用机加工方法将步骤一得到的tial合金板坯表面打磨光洁，然后放置于两个具有凹槽的包套中，包套的厚度为8mm。将两个具有凹槽的包套进行焊接，得到带有包套的tial合金坯料；
步骤二中所述的包套材质为碳钢。
三、tial合金前期包套轧制：将步骤二得到的包套tial合金坯料放进炉温为1325℃的炉中保温30min。轧制速度为55mm/s、道次变形量为26％、道次回炉保温时间为10min，此工艺下板材的总压下量为46％。
四、tial合金后期包套轧制：将步骤三得到的包套tial合金坯料同样放进炉温为1320℃的炉中保温10min。轧制速度为80mm/s、道次变形量为22％。道次回炉保温时间为8min，此工艺下板材的总压下量为67％。
五、去应力退火及包套去除：将步骤四中轧制完的包套tial合金板材在温度为850℃的条件下保温10h，然后随炉冷却至室温。采用机械加工的方法去除包套，得到表面质量良好的tial合金板材。
效果验证：
将上述各实施例和对比例制得的具有优异变形能力的tial合金进行室温力学性能，拉伸应变速率为2×10-4s-1，其结果如下表1所示。
表1
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。