專利名稱：一種粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明合金板材的軋制方法，特別提供一種粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法。
背景技術(shù)：
TiAl基合金作為一種輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，因其低密度、高比強度和比彈性模量，以及具有較好的抗氧化性和持久性能，在航空、航天和汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。例如作為結(jié)構(gòu)材料可應用于可返回式航天器(RLV)的回轉(zhuǎn)體、導彈殼體尾翼和彈體蒙皮等重要部件。隨著TiAl基合金實用化進程的發(fā)展，對TiAl基合金板材的需求越來越迫切，TiAl 基合金板材制備是拓展TiAl基合金應用領(lǐng)域的一個重要研究方向，同時航天航空領(lǐng)域?qū)?TiAl基合金板材需求迫切。目前制備TiAl基合金板坯有三種典型的制備工藝鑄造(Casting)，鑄錠冶金 (Ingot Metallurgy, IM)和粉末冶金(Powder Metallurgy，PM)。鑄態(tài) TiAl 基合金存在顯微組織粗大、成分偏析和熱加工性較差等缺陷，導致其室溫塑性和熱加工性差，而且需要多道的后續(xù)熱機械加工工序來改善其顯微組織。預合金粉末冶金(Pro-alloyed PM)工藝可解決板材的組織不均勻性等技術(shù)難題，獲得顯微組織細小均勻、無宏觀偏析和熱加工性能得到改善原始軋制坯料，但是出于成本的考慮，以往多采用鑄造冶金方法。近些年來隨著粉末冶金技術(shù)的提高和制粉成本的降低，通過預合金粉末冶金的方法制備TiAl合金板坯獲得了越來越多的關(guān)注。而且采用近凈成型技術(shù)可以直接獲得達到尺寸要求的原始坯料，從而達到節(jié)約成本、提高加工效率的目的。從上個世紀90年代開始，針對TiAl基合金板材的軋制，國內(nèi)外的研究人員開展了一系列的工作，Semiatin及其合作者提出一種包套軋制工藝，進行了實驗室階段的生產(chǎn)。上個世紀90年代，奧地利攀石公司(Plansee AG)開展了 TiAl基合金板材的成型工藝研究， 成功軋制出標準尺寸為IOOOmmX 500mmX Imm的板材。美國在HSR材料研究計劃支持下采用粉末冶金工藝成功研制出尺寸為700mmX400mmXlmm第二代TiAl基合金薄板。日本和俄羅斯等國亦開展了 TiAl基合金板材的研制工作。國內(nèi)北京科技大學、中南大學、哈爾濱工業(yè)大大學、北京鋼鐵研究總院等單位先后開展了這項研究工作，哈爾濱工業(yè)大學軋制的TiAl基合金板材板材的尺寸約為 150mmX IOOmmX (1. 5-3)mm,北京科技大學軋制出厚度為2. 6mm的高鈮TiAl基合金板材。但國內(nèi)各個研究單位所軋制的TiAl基板材尺寸較小，與國外存在明顯差距。因此，開展大尺寸TiAl基合金粉末冶金板材的制備是十分必要的。在TiAl基合金軋制過程中，除嚴格軋制的應變速率和每道次變形量外，軋制溫度也是需要嚴格控制的主要參數(shù)。軋制溫度必須控制在一個較窄的范圍內(nèi)(其溫度范圍為 150°C )，否則會出現(xiàn)晶間斷裂、宏觀開裂等失穩(wěn)現(xiàn)象導致板材軋制的失敗。因此實現(xiàn)TiAl 基合金近等溫軋制過程是TiAl基合金板材軋制的關(guān)鍵技術(shù)。為了減少軋制過程中合金板坯的溫降，實現(xiàn)TiAl基合金近等溫軋制，各國都啟動了相應的研究開發(fā)計劃。如日本采用軋輥加熱的方法來減小軋制板坯與軋輥相接觸所導致的溫降，而出于規(guī)模和成本的考慮，歐洲和美國更趨向于傳統(tǒng)的包套包覆軋制工藝。然而對于大尺寸的TiAl基合金板材的軋制，即使在采用軋輥加熱和包套包覆軋制工藝的情況下， 在坯料傳輸過程中仍會有大量的熱量通過輻射和對流而損失掉。熱量的散失會造成板坯溫度的下降，從而在板坯中沿軋制方向形成了明顯的溫度梯度。板坯區(qū)域溫度場分布不均勻會引起組織不均勻、性能分散以及引起板坯開裂等失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，在TiAl基合金的包套包覆軋制過程中，必須采取主動式的防降溫措施，嚴格的控制坯料軋制溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于采用主動式保溫熱軋機對TiAl基合金進行軋制，該方法采用主動式保溫措施，能夠嚴格的控制坯料軋制溫度，以達到近等溫軋制的目的。在軋機的送料導軌上放置主動式保溫裝置，減少在傳輸過程中，板坯通過輻射和對流而損失的熱量，達到近等溫軋制的目的。本發(fā)明具體提供了一種粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于采用主動式保溫熱軋機對TiAl基合金進行軋制，所述主動式保溫熱軋機的傳輸軌道上安裝有主動式保溫罩，起著主動式保溫罩是倒置的凹槽形狀，由四部分組成內(nèi)層為熱能反射層，中間層為耐高溫絕熱保溫層，外層為耐高溫、防氧化保護層，在中間層和外層以及中間層和內(nèi)層之間有凹槽形狀框架；
其中內(nèi)層采用具有低導熱系數(shù)(導熱系數(shù)小于0. 05ff/m. K)的耐1000°C以上高溫的材料涂層(優(yōu)選Al2O3陶瓷涂層、硅鋁纖維涂層)、中間層采用對熱流有較強阻抗作用的絕熱材料(優(yōu)選石墨耐火棉、高鋁陶瓷纖維棉)、外層采用耐1000°C以上高溫的防氧化涂料或涂層 (優(yōu)選耐高溫防氧化石墨涂料、鎳鉻合金涂層)、凹槽形狀框架采用耐1000°C以上高溫環(huán)境的耐熱鋼(優(yōu)選Crf8Ni48W5Si2耐高熱鋼、SUS310不銹耐熱鋼)。在熱軋機的傳輸軌道上放置主動式保溫罩，能夠減少在傳輸過程中所軋制板材通過輻射和對流而損失的熱量，從而達到近等溫軋制的目的。本發(fā)明提供的粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于主動式保護罩內(nèi)表面距離熱軋坯料外表面不超過300mm，目的是提高保溫效率。本發(fā)明提供的粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于所述主動式保溫罩內(nèi)層的厚度大于200 μ m，中間層的厚度為30-50mm，外層的厚度大于2mm，凹槽形狀框架寬度與所用軋機導軌尺寸相吻合。本發(fā)明提供的粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于在軋制前將熱軋機的主動式保溫罩加熱到1000°c。TiAl基合金板材的軋制溫度為120(Tl30(rC， 保溫時間為1小時。本發(fā)明的目的在于提出一種大尺寸TiAl基合金的近等溫軋制方法，即在TiAl基合金的軋制過程中，采取主動式的防溫降保護措施，以達到近等溫軋制的目的。具體的工藝流程和參數(shù)如下
(1)TiAl基合金坯料制備采用無坩堝感應熔煉超聲氣體霧化法，制備潔凈的
TiAl預合金粉末，對預合金粉末進行熱等靜壓致密化處理，通過機械加工得到軋制坯料。
(2) TiAl基合金坯料表面處理將坯料表面經(jīng)過機加工后，使用磨床對其表面進行光潔處理。應用耐高溫防氧化材料對其表面進行熱噴涂，以防止其在高溫加工過程中氧化。(3) 包套封焊使用耐高溫的合金，加工成包套。將TiAl基合金坯料放置于中間，采用氬弧將坯料封制包套內(nèi)。(4) TiAl熱軋板坯與主動式保溫裝置的加熱將TiAl熱軋板坯和主動式保溫裝置加熱到相應溫度，保溫一定時間。(5) TiAl基合金的軋制首先將加熱的主動式保溫裝置放入導軌上，然后將軋件迅速地放置于軋機上，軋件在導軌上運行過程中，始終處于主動式保溫裝置內(nèi)，以減少軋件向周圍的熱量輻射，達到近等溫軋制的效果。本發(fā)明在引入主動式保溫的條件下，可以實現(xiàn)TiAl基合金板材的近等溫軋制，確保熱軋板材溫度場分布均勻，軋制出無內(nèi)部缺陷、性能優(yōu)良的大尺寸板材。另外，由于引入主動式保溫措施，在應用包套軋制工藝時，還可以減小包套的厚度和寬度，從而減少材料的消耗，節(jié)約能源。


圖1 TiAl基合金坯料在不同主動式保溫溫度條件下，平均溫度隨時間變化情況； 圖2主動式保溫為1000°C條件下，TiAl基合金板坯的溫度場分布情況；
圖3未應用主動式保溫裝置條件下，得到的熱軋粉末冶金TiAl基合金板材實物圖； 圖4應用主動式保溫裝置條件下，得到的熱軋粉末冶金TiAl基合金板材實物圖。
具體實施例方式實施例1
主動式保溫罩內(nèi)層應用Al2O3陶瓷涂層；應用耐高熱鋼Crf8Ni48W5Si2加工成凹槽形狀框架；中間的耐高溫絕熱保溫層為石墨耐火棉；外層為^O2陶瓷熱障涂層，在熱軋機傳輸軌道上安裝主動式保溫罩。應用無坩堝感應熔煉氣體霧化法制備TiAl基預合金粉末，然后對預合金粉末進行熱等靜壓處理。經(jīng)過機械加工制備軋制坯料，板坯尺寸為350 mm*175mm*10mm。選取 Ti6A14V合金作為包套材料，采用氬弧焊將坯料封制包套內(nèi)。將坯料加熱到軋制所需溫度 1250°C，保溫1小時。將主動式保溫裝置升溫到1000°C，在有主動式保溫裝置保護條件下， 對坯料進行熱軋，其平均溫度隨時間變化情況如圖1所示；TiAl基合金板坯的溫度場分布情況如圖2所示。實際熱軋結(jié)果良好，獲得變形均勻無宏觀和微觀缺陷的板材，得到的熱軋粉末冶金TiAl基合金板材實物圖如圖4所示。實施例2
主動式保溫罩內(nèi)層應用IO3陶瓷涂層；應用SUS310不銹耐熱鋼加工成凹槽形狀框架； 中間的耐高溫絕熱層使用布狀碳纖維；外層噴涂鎳鉻合金涂層，在熱軋機傳輸軌道上安裝主動式保溫罩。將主動式保溫裝置升溫到800°C，對坯料進行熱軋，其它條件同實施例1。其平均溫度隨時間變化情況如圖1所示，獲得變形均勻無宏觀和微觀缺陷的板材。
實施例3
主動式保溫罩內(nèi)層硅鋁纖維涂層；應用SUS314不銹耐熱鋼加工成凹槽形狀框架；中間的耐高溫絕熱層使用高鋁陶瓷纖維棉；外層噴涂耐高溫防氧化石墨涂料，在熱軋機傳輸軌道上安裝主動式保溫罩。將主動式保溫裝置升溫到600°C，對坯料進行熱軋，其它條件同實施例1。其平均溫度隨時間變化情況如圖1所示，獲得變形均勻無宏觀和微觀缺陷的板材。實施例4
將主動式保溫裝置升溫到400°C，對坯料進行熱軋，其它條件同實施例1。其平均溫度隨時間變化情況如圖1所示，獲得變形均勻無宏觀和微觀缺陷的板材。實施例5
將主動式保溫裝置升溫到200°C，對坯料進行熱軋，其它條件同實施例1。其平均溫度隨時間變化情況如圖1所示，獲得變形均勻無宏觀和微觀缺陷的板材。
對比例
未應用主動式保溫裝置條件下，對坯料進行熱軋，其它條件同實施例1。其平均溫度隨時間變化情況如圖1 (20°c所代表的曲線)所示。得到的熱軋粉末冶金TiAl基合金板材實物圖如圖3所示，在沒有應用主動式保溫裝置條件下，軋制后軋件表面存在明顯的宏觀裂紋。
從圖1中可以看出在引入主動式保溫的條件下，熱軋板坯即使在空氣中停留30s，TiAl 基合金坯料溫度仍然高于1200°C，達到工藝窗口的溫度要求。在沒有采用主動式保溫方法時，TiAl合金坯料的溫度變化很大，這不利于對軋制溫度敏感的TiAl合金的軋制。圖2是主動式保溫溫度為1000°C條件下，30s時熱軋板材的溫度場整體分布情況。從圖中看出熱軋板材整體溫度場呈現(xiàn)明顯溫度梯度分布，而中心TiAl基合金坯料的溫度場分布均勻，仍然保持在軋制所需要的溫度區(qū)間內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于采用主動式保溫熱軋機對TiAl基合金進行軋制，所述主動式保溫熱軋機的傳輸軌道上安裝有主動式保溫罩，其中主動式保溫罩是倒置的凹槽形狀，由四部分組成內(nèi)層為熱能反射層，中間層為耐高溫絕熱保溫層，外層為耐高溫、防氧化保護層，在中間層和外層以及中間層和內(nèi)層之間有凹槽形狀框架；其中內(nèi)層為導熱系數(shù)小于0. 05ff/m. K、耐1000°C以上高溫的材料涂層，中間層采用對熱流有阻抗作用的絕熱材料，外層采用耐1000°C以上高溫的防氧化涂料或涂層，凹槽形狀框架采用耐1000°C以上高溫環(huán)境的耐熱鋼。
2.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于在軋制前將熱軋機的主動式保溫罩加熱到1000°C。
3.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于 TiAl基合金板材的軋制溫度為120(Tl30(rC，保溫時間為1小時。
4.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于主動式保護罩內(nèi)表面距離熱軋坯料外表面不超過300mm。
5.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于所述內(nèi)層的厚度大于200 μ m，中間層的厚度為30-50mm，外層的厚度大于2mm，凹槽形狀框架寬度與所用軋機導軌尺寸相吻合。
6.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于內(nèi)層為Al2O3陶瓷涂層或硅鋁纖維涂層。
7.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于中間層采用石墨耐火棉或高鋁陶瓷纖維棉。
8.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于夕卜層采用耐高溫防氧化石墨涂料或鎳鉻合金涂層。
9.按照權(quán)利要求1所述粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于凹槽形狀框架采用Crf8Ni48W5Si2耐高熱鋼或SUS310不銹耐熱鋼。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種粉末冶金TiAl基合金板材的近等溫軋制方法，其特征在于采用主動式保溫熱軋機對TiAl基合金進行軋制，該方法采用主動式保溫措施，能夠嚴格的控制坯料軋制溫度，以達到近等溫軋制的目的。在軋機的送料導軌上放置主動式保溫裝置，減少在傳輸過程中，板坯通過輻射和對流而損失的熱量，達到近等溫軋制的目的。
文檔編號B21B1/22GK102553912SQ20101061084
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者于德軍, 劉 東, 崔玉友, 徐磊, 楊銳, 王剛 申請人:中國科學院金屬研究所