一種TiAl基合金板材超塑性成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鈦鋁基合金板材超塑性成形的方法，特指系一種大尺寸鈦鋁基合金板材超塑性成形的方法;屬于鈦鋁基合金塑性加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦鋁基合金比強(qiáng)度高、比剛度高、密度低、阻燃性能和高溫抗氧化、抗蠕變性能好，是一種非常有潛力的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、汽車(chē)制造等工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。鈦鋁基合金板材除了可以直接用作結(jié)構(gòu)材料外，還可以用于近凈成形航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件以及超高速飛行器的翼、殼體、熱區(qū)蒙皮，渦輪葉片，導(dǎo)彈尾翼等。然而，鈦鋁基合金較脆，屬于難變形材料，用傳統(tǒng)的方法對(duì)鈦鋁基合金進(jìn)行加工變形很困難，尤其是在生產(chǎn)制備形狀復(fù)雜或尺寸較大的零件如飛行器殼體、渦輪葉片時(shí)，傳統(tǒng)的成形技術(shù)無(wú)法有效地發(fā)揮作用。
[0003]超塑性成形技術(shù)作為一種“新型高效”的技術(shù)，它在難加工材料的成形和航空工業(yè)領(lǐng)域顯示出的巨大優(yōu)越性越來(lái)越受到研究者們的重視。材料在進(jìn)行超塑性成形時(shí)變形抗力小、變形量大、易成形，因此，利用超塑性成形技術(shù)對(duì)鈦鋁基合金進(jìn)行加工具有巨大優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多關(guān)于鈦鋁基合金超塑性成形的研究。Imayev等人在1000°C條件下對(duì)Ti_35.9Al(wt%)基合金坯料進(jìn)行等溫鍛造，再進(jìn)行后續(xù)不同的熱處理后，發(fā)現(xiàn)在溫度為1025°C、應(yīng)變速率為0.83 X 10—3S+1?1.6 X 10—3S+1條件下，合金試樣的延伸率為130%?250%，具有超塑性成形能力。Niu等人對(duì)鍛造態(tài)的T1-43Al-4Nb-2Mo-0.5B(at%)進(jìn)行超塑性拉伸時(shí)，在溫度為900°C?950°C、應(yīng)變速率為I X 10—4S.1?4 X 10—4S.1時(shí)，得到的延伸率為170 %?405 %，同樣具有超塑性成形能力。
[0004]從他人的研究結(jié)果可以看出，雖然合金在特定的條件下均具備了超塑性，但是成分的差別會(huì)導(dǎo)致超塑性的溫度和應(yīng)變速率條件有較大的差別，并且對(duì)于特定的合金而言，必須同時(shí)具備溫度和應(yīng)變速率的條件才可能具有超塑性成形能力。另一方面，合金單向拉伸超塑性性能的研究和實(shí)際工業(yè)中利用超塑性成形方法制備零件還存在較大的差別，由于性能的研究主要關(guān)注簡(jiǎn)單的單向拉應(yīng)力狀態(tài)下的超塑性性能，而零件的超塑性成形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)要復(fù)雜很多，并非簡(jiǎn)單的單向拉伸，同時(shí)會(huì)受到周向擠壓和摩擦力的作用，在多種應(yīng)力的作用下，超塑性成形的條件相比與單向拉伸的條件，可比性較小，也就是說(shuō)采用單向拉伸的超塑性條件進(jìn)行零件的超塑性制備時(shí)，需要對(duì)條件進(jìn)行較大的調(diào)整，且調(diào)整程度并不可預(yù)知。比如，周向壓力應(yīng)力的增加有利于提高合金的超塑性，但是摩擦力的存在則不利于合金的超塑性成形，所以調(diào)整方向存在較大的未知性?？梢?jiàn)對(duì)于零件的超塑性成形，需要考慮溫度、應(yīng)變速率和顯微組織以及模具形狀等諸多因素，任何一個(gè)條件的變化，均會(huì)引起其它條件的相應(yīng)變化。因此在超塑性成形條件的設(shè)置時(shí)，必須考慮多種因素的復(fù)合作用，已有的研究報(bào)道的條件主要對(duì)相應(yīng)的材料和條件下具有指導(dǎo)性，但對(duì)于特定材料在特定條件下的超塑性成形，其工藝參數(shù)卻具有唯一性，并非根據(jù)現(xiàn)有研究及報(bào)道可以直接獲得。
[0005]對(duì)于鑄錠冶金方法制備的TiAl合金板材的超塑性成形制備零件，由于本身很難制備大尺寸的板材，并且鑄錠冶金方法制備的合金晶粒一般比較粗大，并且常常存在成分偏析或組織疏松的缺陷，導(dǎo)致其超塑性成形的難度增大。本發(fā)明專(zhuān)利基于前期板材超塑性行為的基礎(chǔ)理論研究，提出了適合大尺寸板材超塑性成形的工藝方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種能生產(chǎn)較大尺寸零件的鈦鋁基合金板材超塑性成形的方法。
[0007]本發(fā)明一種TiAl基合金板材超塑性成形方法，包括下述步驟:
[0008]第一步:合金基體組織調(diào)整
[0009]取粉末冶金法制備的TiAl基合金，熱乳為板材后，通過(guò)熱處理方法調(diào)整TiAl基合金組織為γ相與α2相的細(xì)小雙態(tài)組織；
[0010]第二步:超塑性成形
[0011]將第一步得到的TiAl基合金與超塑性成形模具組裝后整體加熱至900?980°C，保溫20?30分鐘后，進(jìn)行等溫等速率成形；
[0012]第三步:穩(wěn)定化處理
[0013]超塑性成形結(jié)束，出模后進(jìn)行穩(wěn)定化退火熱處理。
[0014]本發(fā)明一種TiAl基合金板材超塑性成形方法，所述熱處理方法的工藝參數(shù)為:保溫溫度1250?12700C，保溫時(shí)間為4?5小時(shí)，保溫結(jié)束后空冷。
[0015]本發(fā)明一種TiAl基合金板材超塑性成形方法，所述γ相與α2相的細(xì)小雙態(tài)組織中，γ相的平均晶粒尺寸為15?20μηι，所占百分比為40%?45%，α2/ γ晶團(tuán)的平均尺寸為20?25μπι，所占百分比為55%?60 %。
[0016]本發(fā)明一種TiAl基合金板材超塑性成形方法，所述等溫等速率成形工藝參數(shù)為:成形溫度900?980°C，應(yīng)變速率為8 X 10—5S+1?5 X 10—4S+1;成形過(guò)程中:工件與模具的溫度變化小于等于10°C，應(yīng)變速率保持恒定。
[0017]本發(fā)明一種TiAl基合金超塑性成形方法，所述穩(wěn)定化退火溫度為850°C?900°C，保溫時(shí)間3?5小時(shí)后出爐空冷。
[0018]本發(fā)明一種TiAl基合金板材超塑性成形方法，所述TiAl基合金包括下述組分，按原子百分比組成:A143?46 %,Nb6.5?7.2%,W0.28?0.32%,雜質(zhì)元素總量小于0.1%,剩余為T(mén)i。
[0019]本發(fā)明一種TiAl基合金板材超塑性成形方法，熱乳后得到的TiAl基合金板材寬度為250?300mm，長(zhǎng)度為300?400mm，厚度為2?2.5mm。
[0020]本發(fā)明一種TiAl基合金板材超塑性成形方法，對(duì)通過(guò)熱處理方法調(diào)整基體組織后的TiAl基合金板材進(jìn)行表面打磨處理，去除熱處理過(guò)程中的表面氧化產(chǎn)物，使板材厚度均勻，表面光潔，然后，與超塑性成形模具進(jìn)行組裝。
[0021]通常情況下，熱乳態(tài)TiAl基合金板材的組織為雙態(tài)組織，其中γ相和α2/γ晶團(tuán)的比例約為1:3，這種顯微組織特征雖然較熱乳前的近γ組織或全層片組織的塑性有所提高，但是γ相和Ct2/γ晶團(tuán)的比例并非塑性最佳的比例組合，這種顯微組織特征仍不具備超塑性成形的能力，需要對(duì)板材進(jìn)行熱處理，調(diào)整合金中γ相和α2/γ晶團(tuán)的比例，才能使板材具有超塑性成形的能力。由于TiAl基合金塑性本身較差，進(jìn)行顯微組織調(diào)整使其具有合適的γ相和α2/ γ晶團(tuán)的比例的同時(shí)，還必須在合適的成形溫度和速度條件下才可實(shí)現(xiàn)超塑性成形。因此，要實(shí)現(xiàn)TiAl合金板材的超塑性成形，需三種條件的有效組合。
[0022]本發(fā)明采用粉末冶金的路徑制備TiAl基合金大尺寸坯料，熱乳制備出大尺寸鈦鋁基合金板材，再結(jié)合熱處理措施使合金具有細(xì)小、均勻的雙態(tài)組織，最后再進(jìn)行超塑性成形是一種制備較大尺寸鈦鋁基合金零件的可行路線(xiàn)。本發(fā)明首先，利用粉末冶金成形技術(shù)制備出的熱乳坯料可以避免鑄造缺陷、細(xì)化晶粒組織;其次，熱乳出的大尺寸鈦鋁基合金板材為成形大尺寸零件奠定了基礎(chǔ);特別是利用熱處理措施得到的雙態(tài)組織細(xì)小、均勻，具有良好的塑性，進(jìn)行熱處理，既為鈦鋁基合金板材超塑性成形準(zhǔn)備了良好的基體組織，也降低了對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求。實(shí)現(xiàn)了大尺寸且具有細(xì)小、均勻合金組織的鈦鋁基合金板材在不同條件下的超塑性成形，獲得較大尺寸的合金零件。
[0023]本發(fā)明采用上述工藝方法，可對(duì)粉末冶金鈦鋁基合金乳制板材進(jìn)行超塑性成形制備零件。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):1、是利用粉末冶金高Nb鈦鋁合金本身具有的耐高溫氧化性的特征，在900?980°C時(shí)僅發(fā)生表面變色，而不像其它低Nb或不含Nb的鈦鋁合金在900°C以上就會(huì)發(fā)生氧化脫落，避免了超塑性成形過(guò)程中所需的防氧化涂層或氣氛保護(hù)。2、超塑性成形性前，通過(guò)熱處理方法調(diào)整合金基體組織，為實(shí)現(xiàn)鈦鋁基合金板材超塑性成形提供合適的組織條件，使板材具有最佳塑性變形能的顯微組織，包括γ相和α2/ γ晶團(tuán)的晶粒大小以及比例;3、利用溫度和應(yīng)變速率的有效組合，保證合金板材具有良好的超塑性成形性。
[0024]超塑性成形過(guò)程工藝簡(jiǎn)單，只需在進(jìn)行超塑性成形前對(duì)板材進(jìn)行熱處理，保證其合適的顯微組織條件，在超塑性成形過(guò)程中控制成形溫度和速度，即可實(shí)現(xiàn)零件制備，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行任何改造，并且可實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。綜上所述，本發(fā)明為粉末冶金高Nb鈦鋁合金板材超塑性成形零件制備提供了一條簡(jiǎn)單高效的途徑。
【附圖說(shuō)明】
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[0025]附圖1未進(jìn)行熱處理的熱乳板材的顯微組織。
[0026]附圖2采用實(shí)施例1中超塑性成形前熱處理工藝得到的板材顯微組織。
[0027]附圖3采用實(shí)施例2中超塑性成形前熱處理工藝得到的板材顯微組織。
[0028]附圖4采用實(shí)施例3中超塑性成形前熱處理工藝得到的板材顯微組織。
[0029]附圖5為本發(fā)明超塑性成形模具及成形示意圖。
[0030]從圖1中可以看出，未進(jìn)行熱處理的板材中γ相的數(shù)量遠(yuǎn)小于α2/γ晶團(tuán)數(shù)量，并且晶粒呈現(xiàn)拉長(zhǎng)狀，這種拉長(zhǎng)的變組織晶粒也不利于超塑性成形。
[0031]從附圖2-4可以看出:而經(jīng)過(guò)本發(fā)明熱處理的板材γ相和α2/γ晶團(tuán)的比例合適，且晶粒呈等軸狀，更有利于超塑性成形。
[0032]圖5為本發(fā)明超塑性成形模具及成形示意圖，超塑性成形過(guò)程中凸起部分為主要變形位置，經(jīng)核算該位置變形時(shí)的真應(yīng)變?yōu)?.8?0.9，相當(dāng)于板材伸長(zhǎng)率達(dá)到105?120 %，因此采用該發(fā)