一种TIALCRMO合金及其板材的制备方法.pdf

一种Ti-Al-Cr-Mo合金及其板材的制备方法，合金组成按重量百分比为：Ti-(45-49)Al-(0.5-5)Cr-(0.1-0.3)Mo(at％)；其板材的制备方法是：一、HIP制备合金；二、从HIP制备的合金中切取轧制所需的坯料；三、将二得到的坯料置于纯钛板包套中；四、将带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金放入加热炉中预热；五、对带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金进行小道次低变形速度的多道次轧制后放入电炉中随炉冷却；去除包套即得Ti-Al-Cr-Mo合金板材。本发明解决了Ti-Al-Cr-Mo合金较脆，高温变形较难，难于通过轧制制备Ti-Al-Cr-Mo合金板材的难题。具有工艺方法简单、工艺参数合理，对HIP法制备的合金锭坯采用包套直接轧制、轧制得到的板材变形均匀，轧制后合金组织均匀、细小，无边裂和表面裂纹，表面质量良好，适于工业化生产。

1.  一种Ti-Al-Cr-Mo合金，按重量百分比(at％)，由下述组分组成：
Al：45-49
Cr：0.5-5
Mo 0.1-0.3，余量为Ti。

2.  制备如权利要求1所述一种Ti-Al-Cr-Mo合金板材的方法，包括下述步骤：
第一步：HIP法制备Ti-Al-Cr-Mo合金
按Ti-Al-Cr-Mo合金各组分配比，采用雾化法制备预合金粉然后经经HIP制备Ti-Al-Cr-Mo合金；
第二步：轧制坯料的制备
从第一步所得Ti-Al-Cr-Mo合金中切取轧制所需要的长方体坯料，对所述长方体坯料机加工，使坯料表面粗糙度小于3.2；
第三步：包套
将第二步得到的轧制坯料包套在采用钛板制作的包套中；
第四步：预热
将第三步包套好的轧制坯放入温度为1100～1300℃的加热炉中预热；同时将轧机轧辊预热至100～300℃；
第五步：轧制
将第四步预热完成带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金在热轧机上进行轧制，轧制完成后，返回加热炉随炉冷至室温；机加工去除包套。

3.  根据权利要求2所述的一种Ti-Al-Cr-Mo合金板材的方法，其特征在于：HIP工艺参数为：温度为1100～1300℃，压力为120～180MPa，保温时间为2～6h。

4.  根据权利要求3所述的一种Ti-Al-Cr-Mo合金板材的方法，其特征在于：所述包套采用纯钛板制作，所述纯钛板的厚度为1～8mm。

5.  根据权利要求4所述的一种Ti-Al-Cr-Mo合金板材的方法，其特征在于：所述预热保温时间为20～60min。

6.  根据权利要求5所述的一种Ti-Al-Cr-Mo合金板材的方法，其特征在于：所述轧制工艺参数为：开轧温度为1100～1300℃，变形速度换算为应变速率为0.1～1.0s^-1，道次变形量为8～15％，道次间回炉保温3～30min，轧制总变形量为50～80％。

一种Ti-Al-Cr-Mo合金及其板材的制备方法
技术领域
本发明公开了一种Ti-Al-Cr-Mo合金及其板材的制备方法，属于粉末冶金材料的制备及其热变形技术领域。
背景技术
TiAl基合金比强度高、比刚度高、密度低、阻燃性能和高温抗氧化、抗蠕变性能好，是一种非常有潜力的轻质高温结构材料，在航空航天、汽车制造等工业领域有着广阔的应用前景。然而，TiAl基合金较脆，属于难变形材料，室温以及高温加工变形都很困难，尤其是板材的轧制变形更是困难，板材制备技术是TiAl基合金重要的研究方向之一。国内外学者对TiAl基合金板材轧制的研究已经取得了一定的成果。如20世纪80年代末，日本的等温轧制和美国的传统热包套轧制，到了90年代初，Clemens等开发了先进的板材轧制工艺(ASRP)，可在常规热轧机上生产大型γ(TiAl)板材(H.Clemens，et al.Metall 1993，46(6)：547；H.Clemens et al.in Gamma Titanium Aluminides(eds.Y.W.Kim，et al.)，TMS，Warrendale，PA，1995，p.717)。在国内均品林等研究了一种高铌TiAl合金板材的制备方法(申请号：03137516.2)和陈玉勇等研究了含元素钇的TiAl金属间化合物板材的制备方法(申请号：200710071709.0)。但是以上两种方法制备的TiAl基合金板材存在以下不足：(1)均品林等采用的轧制前坯料为经过锻造的热等径压(HIP)，锻造过程材料损耗大，工艺复杂；(2)陈玉勇等采用的轧制前坯料为熔铸法制备的锭坯，熔铸法制备TiAl基合金锭坯时，熔铸过程对设备要求较高，大尺寸锭坯容易开裂，制备非常困难，因而铸锭尺寸较小，无法制备大尺寸的合金板材。目前，对粉末冶金法制备的Ti-Al-Cr-Mo合金锭坯未经锻造而直接轧制的工艺还未见相关文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、工艺参数合理，对粉末冶金法制备的Ti-Al-Cr-Mo合金锭坯采用包套直接轧制、轧制得到的板材变形均匀，轧制后合金组织均匀、细小，无边裂和表面裂纹，表面质量良好的Ti-Al-Cr-Mo合金及其板材的制备方法；解决了Ti-Al-Cr-Mo合金高温变形难的困难，为Ti-Al-Cr-Mo合金的工业化应用打下良好的基础。
本发明一种Ti-Al-Cr-Mo合金，按重量百分比(at％)，由下述组分组成：
Al：45-49
Cr：0.5-5
Mo：0.1-0.3，余量为Ti。
本发明一种Ti-Al-Cr-Mo合金板材的制备方法，包括下述步骤：
第一步：HIP法制备Ti-Al-Cr-Mo合金
按Ti-Al-Cr-Mo合金各组分配比，采用雾化法制备预合金粉然后经HIP制备Ti-Al-Cr-Mo合金，HIP工艺参数为：温度为1100～1300℃，压力为120～180MPa，保温时间为2～6h；
第二步：轧制坯料的制备
从第一步所得Ti-Al-Cr-Mo合金中切取轧制所需要的长方体坯料，对所述长方体坯料机加工，使坯料表面粗糙度小于3.2；
第三步：包套
将第二步得到的轧制坯料包套在采用纯钛板制作的包套中，所述纯钛板的厚度为1～8mm；
第四步：预热
将第三步包套好的轧制坯放入温度为1100～1300℃的加热炉中预热，预热保温时间为20～60min；同时将轧机轧辊预热至100～300℃；
第五步：轧制
将第四步预热完成带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金在热轧机上进行轧制；轧制工艺参数为：开轧温度为1100～1300℃，变形速度换算为应变速率为0.1～1.0s^-1，道次变形量为8～15％，道次间回炉保温3～30min，轧制总变形量为50～80％，轧制完成后返回至加热炉随炉冷至室温；机加工去除包套。
本发明由于采用上述工艺方法。与现有技术相比具有以下优点：
(1)轧制所用的坯料直接来自HIP制备的坯料，减少了热处理和锻造等工艺环节，降低了Ti-Al-Cr-Mo合金板材制备的成本。
(2)采用普通热轧机进行轧制，克服了传统TiAl基合金轧制时需要采用等温轧制的条件限制，无需采用轧制过程中的保温设备，因而降低了对设备的要求，同时降低了Ti-Al-Cr-Mo合金板材轧制的成本。
(3)采用纯钛包套，包套与Ti-Al-Cr-Mo合金之间的界面反应很少，对合金表面没有破坏作用；纯钛的热导率(λ＝22.08W/(m·K))低，有利于防止Ti-Al-Cr-Mo合金在轧制过程中温度降低；另外，对轧辊进行预热，进一步防止合金在轧制过程中温度的降低。
(4)控制轧制坯料表面粗糙度小于3.2，降低轧制过程中锭坯与包套之间的相对摩擦，减小了锭坯在轧制过程中受到的表面拉应力，有利于保持板材的完整性。
(4)通过这种轧制方法，使得合金锭坯在变形过程中受到的不均匀变形程度小，同时低的应变速率变形保证了合金在变形过程中可发生充分的动态再结晶而使基体软化，降低了变形抗力，最终可以制备变形均匀、无边裂和表面裂纹、表面质量良好和显微组织均匀、细小的Ti-Al-Cr-Mo合金板材。
综上所述，本发明工艺方法简单、工艺参数合理，对粉末冶金法制备的Ti-Al-Cr-Mo合金锭坯采用包套直接轧制、轧制得到的板材变形均匀，轧制后合金组织均匀、细小，无边裂和表面裂纹，表面质量良好，解决了Ti-Al-Cr-Mo合金高温变形难的困难，适于工业化生产，为Ti-Al-Cr-Mo合金的工业化应用打下良好的基础
附图说明：
附图1为本发明实施例1的Ti-Al-Cr-Mo合金包套轧制后的宏观形貌。
附图2为本发明实施例1的Ti-Al-Cr-Mo合金包套轧制后的金相照片。
从附图2的微观组织金相照片可以看出，本发明方法轧制得到的Ti-Al-Cr-Mo板材变形均匀，轧制后合金组织均匀、细小。
具体实施方式：
实施例1
采用Ti-45Al-0.5Cr-0.1Mo合金预合金粉经过HIP制备坯料，HIP的工艺参数为：温度为1100℃，压力为120MPa，保温时间为2h。从Ti-Al-Cr-Mo合金坯料中切取厚度为8mm的长方体坯料，并对合金长方体坯料进行机加工，使坯料表面的粗糙度不高于3.2；采用厚度为1mm的纯钛板制作包套，并将坯料置于包套中。将带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金放入温度为1100℃的加热炉中预热，预热保温时间为20min，与此同时对轧机轧辊进行加热，使轧辊的温度达到100℃左右。将预热完成带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金进行轧制；轧制具体的工艺参数为：开轧温度为1100℃，变形速度换算为应变速率约为0.1s^-1，道次变形量约为8％，道次间回炉保温3min，轧制后获得厚度为2.6mm的板材，轧制总变形量为68％，轧制完成后返回至加热炉随炉冷至室温。采用机加工去除包套，制得Ti-Al-Cr-Mo合金板材，所制得的Ti-Al-Cr-Mo合金板材的宏观形貌如图1所示，显微组织如图2所示。
实施例2
采用Ti-47Al-3Cr-0.2Mo合金预合金粉经过HIP制备坯料，HIP的工艺参数为：温度为1200℃，压力为140MPa，保温时间为4h。从Ti-Al-Cr-Mo合金坯料中切取厚度为8mm的长方体坯料，并对合金长方体坯料进行机加工，使坯料表面的粗糙度不高于3.2；采用厚度为4mm的纯钛板制作包套，并将坯料置于包套中。将带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金放入温度为1200℃的加热炉中预热，预热保温时间为30min，与此同时对轧机轧辊进行加热，使轧辊的温度达到200℃左右。将预热完成带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金进行轧制；轧制具体的工艺参数为：开轧温度为1200℃，变形速度换算为应变速率约为0.6s^-1，道次变形量约为10％，道次间回炉保温10min，轧制后获得厚度为3.8mm的板材，轧制总变形量为52％，轧制完成后返回至加热炉随炉冷至室温。采用机加工去除包套，制得Ti-Al-Cr-Mo合金板材。
实施例3
采用Ti-49Al-5Cr-0.3Mo合金预合金粉经过HIP制备坯料，HIP的工艺参数为：温度为1300℃，压力为180MPa，保温时间为6h。从Ti-Al-Cr-Mo合金坯料中切取厚度为10mm的长方体坯料，并对合金长方体坯料进行机加工，使坯料表面的粗糙度不高于3.2。采用厚度为8mm的纯钛板制作包套，并将坯料置于包套中。将带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金放入温度为1300℃的加热炉中预热，预热保温时间为60min，与此同时对轧机轧辊进行加热，使轧辊的温度达到300℃左右。将预热完成带有包套的Ti-Al-Cr-Mo合金进行轧制；轧制具体的工艺参数为：开轧温度为1300℃，变形速度换算为应变速率约为1s^-1，道次变形量约为15％，道次间回炉保温30min，轧制后获得厚度为2.5mm的板材，轧制总变形量为75％，轧制完成后返回至加热炉随炉冷至室温。采用机加工去除包套，制得Ti-Al-Cr-Mo合金板材。