克服TiAl合金耐磨板的制备难题

  TiAl合金比重不到镍基合金的一半,使用温度可达700~900°C,具有轻质、高强、耐蚀、耐磨、耐高温等性能优点,成为航空、航天等领域重要的备选材料。TiAl合金耐磨板除了有望直接用作结构材料外,还可以作为超塑性成形的预成形材料。TiAl合金耐磨板在热结构及热防护性系统中的应用,已经被纳入欧洲航空运输研究计划,准备将其应用于高速民用运输机和可重复使用的单级入轨太空船。但是,TiAl合金属于难变形合金,不适合高温轧制成形。到目前为止,TiAl合金制备技术中存在的问题一直没有得到很好的解决,特别是采用热轧工艺制备板材时很容易开裂,使得大尺寸、高质量板材的制作非常困难。因此,攻克TiAl合金耐磨板的制备难题成为当前TiAl合金领域重要的研究课题之一。

  从已有研究成果看,在轧制工艺方面,大多采用以下方法来改善TiAl合金耐磨板成形困难问题:

  1、对轧制前的材料质量控制更严;
  2、采用特种包套轧制技术进行轧制,严格设计包套工艺;
  3、在α+γ两相区进行轧制,道次间要回炉加热;
  4、仔细选择轧制速度与道次变形量;
  5、避免轧制过程中板材的氧化。但实际结果表明,即使仔细控制工艺参数,通过轧制生产出较大尺寸的TiAl合金耐磨板仍然是非常困难的。

  科研工作者采用近等温包套轧制技术成功制备了尺寸为700mm*200mm*2mm的TiAl合金耐磨板,取得了很好的结果。

  一、成分优化设计

  研究发现,在TiAl合金中加入大量的特定β相稳定元素(如V,Cr,Mn,Mo)及少量的晶粒细化元素(如Y,B,C),可使其热加工性能明显好于传统TiAl合金。经过这样的成分优化,合金的高温流变应力降低,高温变形能力改善,在热加工过程中不容易产生裂纹等缺陷。从相构成上看,该合金主要含有β相和γ相,可通过后续热处理,控制热加工后TiAl合金的显微组织及相组成,有利于调控常温、高温力学性能。哈尔滨工业大学采用的合金名义成分为Ti-43Al-9V-Y(原子百分数)。原材料为海绵TiAl与高纯Al,其它添加元素均为添加金属与Al的中间合金。

  二、改进工艺路线

  采用近等温包套轧制工艺。按照设计的成分配料后,在真空自耗电极电弧熔炼炉中熔炼成铸锭。将铸锭进行均匀化退火处理(900°C/48h)和热等静压处理。热等静压采用Ar气作为保护气氛,边升温边充Ar气直至170MPa,在1250°C下保温4h后随炉缓冷。然后对材料进行包套锻造,始锻温度1200°C,总变形量大于85%;锻后将材料在900°C下退火48h;然后用不锈钢包套后,在热轧机上作近等温轧制成板材。包套轧制主要工艺参数为:开轧温度1200°C,轧制速度<0.5m/s,道次变形量约10%,道次回炉时间5~10min,总变形量>70%。轧后板材炉冷至400~500°C后,空冷至室温。

  对所获材料的检测表明,他们制备的TiAl合金耐磨板变形均匀,未出现裂纹等质量缺陷,说明其具有良好的热加工性能。