一种高性能TiAl合金板的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备TiAl合金板材的方法。
【背景技术】
[0002]随着航空、航天技术的快速发展，为进一步提高飞行器综合性能，对发动机的减重、飞行速度和续航能力提出了更高的要求。由于TiAl合金具有低密度(3.9?4.2g/cm3)、高比强度和比弹性模量、良好的高温强度和刚度、优异的高温抗氧化性和高温蠕变性能等特点，作为一种新型的轻质高温结构材料，有望成为下一代航空航天飞行器和汽车发动机高温结构零部件的重要材料。但是TiAl合金高温难变形，在热加工乳制过程中很容产生裂纹、组织不均匀等缺陷，另外TiAl本身的脆性大，后续热处理导致层片组织粗大以及组织不稳定，后续的固溶热处理方法不仅工艺繁琐而且进一步降低了 TiAl合金板材的综合性能，尤其是TiAl合金板材的塑性，利用传统的热加工成形方法很难得到具有优异性能的TiAl合金板材，制约了 TiAl合金的实际工程化应用。
[0003]TiAl合金具有四种特定的显微组织形态，分别为近γ组织、双态组织、近层片组织和全层片组织。层片组织具有较高的强度和断裂韧性，但塑性很差；双态组织具有较好的塑性，但是断裂韧度很低；近γ组织的综合力学性能最差，在实际应用当中希望得到细小的近层片组织或者全层片组织以满足工程的需要。目前，国内外对改善TiAl合金板材显微组织开展了大量的研究，主要的手段就是通过高温乳制后的热处理改变TiAl合金板材的组织，并通过改变后续热处理温度和时间，控制晶粒的长大，得到细小均匀的近层片组织或者全层片组织，但是这种后续的热处理工艺复杂繁琐，并且热乳制后的TiAl合金板材内存在大量的位错和较大的内应力，在热处理过程中会诱发部分晶粒的异常长大，导致TiAl合金板材开裂以及综合力学性能的下降，尤其是塑性明显降低。相比于传统的高温乳制+后续热处理手段制备TiAl合金从板材、改善板材合金显微组织的方法，本文采用TiAl合金板材在高温乳制过程中进行低温完全再结晶热处理工艺，不仅使制备TiAl合金板材的工艺简单化，而且可以避免后续的热处理过程中晶粒的异常长大现象，进一步提高了 TiAl合金的高温变形能力，并优化了 TiAl合金板材的综合性能。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要解决现有TiAl合金在热乳制过程中晶粒长大、组织不均匀、应力集中导致板材开裂以及乳制后固溶热处理工艺繁琐使TiAl合金板材综合性能下降，尤其是塑性明显下降的问题，而提供了一种高性能TiAl合金板的制备方法。
[0005]本发明的一种高性能TiAl合金板的制备方法按以下步骤进行:
[0006]—、TiAl合金坯料的制备:采用粉末冶金或二次锻造开坯的方法制得TiAl合金预制坯料，然后将TiAl合金预制坯料进行热等静压处理，再采用机械加工的方法将热等静压处理后的TiAl合金预制坯料加工成长方体坯料，得到TiAl合金坯料；
[0007]步骤一中所述的粉末冶金为预合金粉末法或者元素粉末法；
[0008]步骤一中所述的热等静压处理参数:热等静压温度为1000°C?1250°C，热等静压压力为140MPa?200MPa，热等静压时间为Ih?5h ;
[0009]步骤一中所述的TiAl合金还料的厚度为3mm?30mm ；
[0010]二、包套:采用机械加工的方法将步骤一得到的TiAl合金坯料进行表面打磨，得到表面光洁度为Ra6?Ra8的TiAl合金坯料，然后将表面光洁度为Ra6?Ra8的TiAl合金坯料置于凹槽包套中进行焊合，得到包套的TiAl合金坯料；
[0011]三、高温乳制第一阶段:①将包套的TiAl合金坯料放在炉子中，将炉子从室温升温到温度为1150°C?1260°C ;②在温度为1150°C?1260°C下保温5min?120min，然后置于乳机上乳制；③重复步骤②的操作2?5次，得到高温乳制第一阶段后的TiAl合金坯料；
[0012]步骤②中所述的乳制参数为:乳制温度为1150 °C?1260 °C，应变速率为0.0Ols 1?Is \道次变形量为5%?25%，乳制的总变形量为30%?75%，道次回炉保温温度为1150°C?1260 °C，道次回炉保温时间为5min?60min ；
[0013]四、高温乳制第二阶段:①将步骤三得到的高温乳制第一阶段后的TiAl合金坯料放入炉温为800°C?1140°C的炉子中进行低温完全再结晶热处理，保温时间为1min?120min，然后转至炉温为1150 °C?1260°C的炉子中保温5min?60min，再放到乳机上乳制；②重复步骤①的操作I?3次，得到高温乳制第二阶段后的TiAl合金坯料；
[0014]步骤①中所述的乳制参数为:乳制温度为1150 °C?1260 °C，应变速率为0.001 1S?Is \道次变形量为5 %?20%，道次回炉保温过程为:先在温度为800 °C?1140°C下保温1min?120min，再在温度为115CTC?126CTC下保温5min?60min ；
[0015]五、高温乳制第三阶段:①将步骤四得到的高温乳制第二阶段后的TiAl合金坯料放入炉温为1265°C?1350°C的炉子中保温5min?30min，然后放到乳机上乳制！②重复步骤①的操作I?3次，再进行降温处理，得到高温乳制第三阶段后的TiAl合金坯料；
[0016]步骤①中所述的乳制参数为:乳制温度为1265 °C?1350 °C，应变速率为0.0Ols 1?Is \道次变形量为5%?20%，道次回炉保温温度为1265°C?1350 °C，道次回炉保温时间5min?30min ；
[0017]步骤②中所述的降温处理过程为:放入炉温为850°C?1000°C的炉子中保温3h?6h，然后随炉冷却至室温；
[0018]六、机械加工去除包套:采用机械加工的方法去除步骤五得到的高温乳制第三阶段后的TiAl合金坯料上的包套，得到TiAl合金板材。
[0019]本发明的优点:
[0020]1、本发明在乳制过程中进行低温完全再结晶退火，使组织全部转变为细小的等轴γ晶粒，同时释放乳制过程中产生的应力，细化晶粒，均匀组织，避免乳制过程中板材的开裂，提高了 TiAl合金板材的高温变形能力，可以获得具有优异性能的大尺寸TiAl合金板材。
[0021]2、本发明乳制后直接得到了细小均匀的近层片组织或者全层片组织的TiAl合金板材，省去了后续固溶热处理工艺，节省了能源和人力，改善了 TiAl合金板材的显微组织，并进一步提高了 TiAl合金板材的综合性能，尤其是TiAl合金板材的塑性。
【具体实施方式】
[0022]【具体实施方式】一:本实施方式的一种高性能TiAl合金板的制备方法按以下步骤进行:
[0023]—、TiAl合金坯料的制备:采用粉末冶金或二次锻造开坯的方法制得TiAl合金预制坯料，然后将TiAl合金预制坯料进行热等静压处理，再采用机械加工的方法将热等静压处理后的TiAl合金预制坯料加工成长方体坯料，得到TiAl合金坯料；
[0024]步骤一中所述的粉末冶金为预合金粉末法或者元素粉末法；
[0025]步骤一中所述的热等静压处理参数:热等静压温度为1000°C?1250°C，热等静压压力为140MPa?200MPa，热等静压时间为Ih?5h ;
[0026]步骤一中所述的TiAl合金还料的厚度为3mm?30mm ；
[0027]二、包套:采用机械加工的方法将步骤一得到的TiAl合金坯料进行表面打磨，得到表面光洁度为Ra6?Ra8的TiAl合金坯料，然后将表面光洁度为Ra6?Ra8的TiAl合金坯料置于凹槽包套中进行焊合，得到包套的TiAl合金坯料；
[0028]三、高温乳制第一阶段:①将步骤二得到的包套的TiAl合金坯料放在炉子中，将炉子从室温升温到温度为1150°C?1260°C ;②在温度为1150°C?1260°C下保温5min?120min，然后置于乳机上乳制；③重复步骤②的操作2?5次，得到高温乳制第一阶段后的TiAl合金坯料；
[0029]步骤②中所述的乳制参数为:乳制温度为1150 °C?1260 °C，应变速率为
0.0Ols 1?Is \道次变形量为5%?25%，乳制的总变形量为30%?75%，道次回炉保温温度为1150°C?1260 °C，道次回炉保温时间为5min?60min ；
[0030]四、高温乳制第二阶段:①将步骤三得到的高温乳制第一阶段后的TiAl合金坯料放入炉温为800°C?1140°C的炉子中进行低温完全再结晶热处理，保温时间为1min?120min，然后转至炉温为1150 °C?1260°C的炉子中保温5min?60min，再放到乳机上乳制；
②重复步骤①的操作I?3次，得到高温乳制第二阶段后的TiAl合金坯料；
[0031]步骤①中所述的乳制参数为:乳制温度为1150 °C?1260 °C