一种TiAl合金板材热轧装置及热轧方法与流程

本发明涉及一种TiAl合金板材的轧制装置及热轧方法，尤其是指一种轧制大尺寸的TiAl合金板材的热轧装置及其热轧方法。

背景技术：

TiAl合金是一种新型轻质耐热结构材料，比重不到镍基合金的50％，使用温度可达700℃-900℃，具有轻质、高强、耐蚀、耐磨、耐高温等性能优点，逐渐成为航空、航天等领域重要的备选材料。TiAl合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成形的预成形材料，并用于制作近净成形航空、航天发动机的零部件以及超高速飞行器的翼、壳体等。

TiAl合金板材的制备主要有铸锭冶金法和粉末冶金法。铸锭冶金法制备是先熔炼制备TiAl合金铸锭，随后采用热等静压和均匀化退火处理，然后锻造细化铸造组织，最后进行轧制。奥地利Plansee AG公司在铸锭冶金法基础上发明了一种先进的TiAl合金板材轧制技术(ASRP)，成功轧制出TiAl合金板材的最大尺寸可达1800mm×500mm×1mm。国内北京科技大学、哈尔滨工业大学等单位开展了铸锭冶金法TiAl合金板材制备研究，分别轧制出尺寸为360mm×100mm×3.5mm的高铌TiAl合金板材和700mm×200mm×2mm的β-γ-TiAl合金板材。粉末冶金法是将Ti和Al元素混合粉经过压制、挤压、轧制等加工过程近净成形为混合粉板材，成形后的板材在随后的烧结、热压或热等静压过程中通过活化反应生成TiAl合金，或者预合金化粉末热等静压固结后再进行热轧。国内中南大学等单位开展了末冶金法TiAl合金板材制备研究，其尺寸相对较小。如上所述，国内所轧制的TiAl合金板材尺寸较小，与国外还存在较大差距。因此，非常有必要开展大尺寸TiAl合金板材制备技术的研究。

到目前为止，TiAl合金制备技术中存在的问题仍然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，使得到大尺寸、高质量板材非常困难。原因一方面主要是TiAl合金属于难变形合金，不适合高温轧制成形。另一方面是TiAl合金变形温度窗口非常窄，近等温包套轧制工艺的控制较难。为了减少轧制过程中板坯的温降，通常采用包套的方式轧制，道次间回炉保温。如铸锭冶金法(中国专利CN201410035393.X公开的“一种高铌TiAl基合金板材的制备方法”和中国专利申请CN201610265054.X公开的“一种均匀组织的TiAl合金板材的制备方法”)和粉末冶金法(中国专利申请CN201010144977.2公开的“一种TiAl基合金轧制板材的制备方法”和中国专利CN201210131206.9公开的“一种粉末冶金超细晶TiAl基合金板材的制备方法”)。但是，上述方法均采用包套方式进行低速轧制，无法避免TiAl合金板材沿轧制方向所产生的温度梯度和板材边缘的温降，尤其是大尺寸TiAl板材。同时，板材与轧辊接触使板材表面温度急剧下降。此外，道次间将大尺寸TiAl合金板坯或板材出炉时存在一定的温降，从炉中取出或回炉保温也给操作带来了困难。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种TiAl合金板材热轧装置及热轧方法，能够有效解决TiAl合金板材轧制过程中的温降及操作困难等问题，尤其是大尺寸TiAl合金板材。

为了达到上述目的，本发明提供了一种TiAl合金板材热轧装置，该热轧装置包括以下部件：辊道，还依次包括设置于辊道旁的第二加热炉、所述辊道上的第一加热炉、轧机前保温罩、热轧机、轧机后保温罩和辊底式隧道热处理炉；

第一加热炉为辊底式隧道加热炉；

轧机前保温罩和轧机后保温罩分别位于热轧机的入口侧和出口侧；

辊底式隧道热处理炉依次包括高温区、中温区和低温区。

在上述装置中，优选地，各个部件之间设有一定的间距。

在上述装置中，优选地，第二加热炉与第一加热炉的间距为1m-10m；第一加热炉与轧机前保温罩的间距为0.1m-2m；轧机前保温罩与热轧机的间距为0.5m-5m；热轧机与轧机后保温罩的间距为0.5m-5m；轧机后保温罩与辊底式隧道热处理炉的间距为0.1m-2m。

在上述装置中，优选地，热轧机包括工作辊、第二加热装置和两个导位装置；

工作辊用于进行板材的轧制，其至少包括一个上工作辊和一个下工作辊，上工作辊与下工作辊上下对应设置以配合使用，且下工作辊的上表面与辊道的上表面位于同一水平面上；

第二加热装置设置在所述上工作辊和下工作辊附近，用于对工作辊进行连续在线加热；第二加热装置的加热方式为连续在线高频感应加热，能够将上工作辊和下工作辊表面温度加热到300℃-600℃并予以保持；

两个导位装置分别位于热轧机的入口处和出口处，以便板坯或轧件按既定的方向和状态准确地、稳定地进入和导出轧辊。

在上述装置中，优选地，被加热的上工作辊和下工作辊的辊面长度为其辊身长度的90％-95％。

在上述装置中，优选地，第一加热炉的顶部及两侧安装有若干第一加热装置；辊底式隧道热处理炉的各温区的顶部及两侧安装有若干第一加热装置，其中，第一加热装置为任意的可以进行加热的装置，对第一加热装置的数量也不作限制；

热轧机为四辊可逆式轧机，且每个工作辊均配有正负弯辊。

在上述装置中，优选地，辊道包括炉内辊道和炉外辊道；

炉内辊道包括若干个辊道组，其中，各辊道组间能够单独转动或至少两组联动，每个辊道组均能够正转或反转，转动速度为0.2m/min-2m/min；

炉外辊道包括若干个辊道组，热轧机入口侧和出口侧的炉外辊道分别能够单独正转或反转，转动速度为2m/min-20m/min；其中，辊道组包括2-7根辊道。

本发明还提供一种TiAl合金板材的热轧方法，该热轧方法包括如下步骤：

(1)原料提供：提供TiAl合金板坯，于TiAl合金板坯的表面涂上抗高温氧化涂层；

(2)加热：将TiAl合金板坯放置在第二加热炉中加热，出炉后经辊道运送入第一加热炉中，再次加热并保温；

(3)预热工作辊：在TiAl合金板坯出第一加热炉前，通过第二加热装置对热轧机的上工作辊和下工作辊的表面进行预热；

(4)轧制：经步骤(2)后的TiAl合金板坯达到正向轧制的温度后，将其运送至热轧机上正向轧制，随后进入辊底式隧道热处理炉的高温区，加热并保温，达到逆向轧制的温度后，出炉并于热轧机中逆向轧制，再次进入第一加热炉中，加热并保温，将这个过程称为一个轧制回程，经多个轧制回程将TiAl合金板坯轧制成目标厚度的板材；

(5)冷却：将板材依次经过辊底式隧道热处理炉的高温区、中温区和低温区，进行冷却，完成热轧过程。

在上述方法中，优选地，步骤(2)中，在第二加热炉中加热是加热至1100℃-1200℃，保温的时间为20min-60min。

在上述方法中，优选地，步骤(3)中，预热是加热至300℃-600℃。对上工作辊和下工作辊进行预热能够避免轧制时板坯或轧件表面与低温的辊面接触造成板坯或轧件的急剧温降。

在上述方法中，优选地，步骤(4)中，轧制至少为1道次，正向和逆向的轧制温度为γ+α两相区或γ+α+β三相区，保温时间为5min-20min，其中，不同成分体系的TiAl合金具有不同的γ+α两相区或γ+α+β三相区，即不同成分体系的TiAl合金，正向轧制的温度和逆向轧制的温度是不同的。

在上述方法中，优选地，步骤(5)中，高温区的炉温高于1000℃，优选为1000℃-1350℃；中温区的炉温为650℃-1000℃；低温区的炉温小于650℃。

在上述方法中，优选地，在加热和保温过程中，炉内辊道保持0.2m/min-2m/min速度进行正转或反转。炉内辊道保持低速正转或反转，能够消除板坯下表面黑印，保证温度均匀性。

在上述方法中，优选地，如果板坯经正向轧制后达到逆向轧制的温度，则直接逆向轧制，并进入第一加热炉中加热和保温，无需进入辊底式隧道热处理炉中加热。

在上述方法中，优选地，如果板坯经逆向轧制后达到正向轧制的温度，则直接正向轧制，并进入辊底式隧道热处理炉的高温区中加热和保温，无需进入第一加热炉中加热。

在上述方法中，优选地，保温的时间为5min-20min。

在上述方法中，优选地，轧制第一块板坯时，下一块板坯进入第一加热炉中加热和保温，当第一块板坯轧制后进入辊底式隧道热处理炉的高温区中加热和保温时，下一块板坯进入热轧机轧制，即可以两块或多块板坯进行交替加热、保温与轧制。

本发明提供的TiAl合金板材热轧装置采用紧凑式布置，TiAl合金板材热轧方法采用在线保温方法，具有如下有益效果：

1.不仅缩短了板坯或轧件在炉外运送时间，而且在板坯或轧件头部进轧机时，轧件中间和尾部仍在保温罩中；

2.与板坯或轧件直接接触的工作辊被加热，故此发明生产TiAl合金板材可显著降低其三维方向(轧向-长度方向，横向-宽度方向，厚度方向)的温度梯度，并省略了传统的包套步骤；

3.可轧制大尺寸TiAl板材；

4.能够提高TiAl板材的表面质量和生产效率。

附图说明

图1为实施例1中提供的TiAl合金板材热轧装置的结构示意图。

图2为实施例2中提供的TiAl合金板材热轧方法的流程图。

主要附图符号说明：

1第二加热炉，2炉外辊道，3第一加热炉，41第一加热装置，42第二加热装置，51轧机前保温罩，52轧机后保温罩，6热轧机，71上工作辊，72下工作辊，8导位装置，9辊底式隧道热处理炉，10炉内辊道。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种TiAl合金板材热轧装置，其结构如图1所示。该装置包括辊道，以及依次设置于辊道旁的第二加热炉1、第一加热炉3、轧机前保温罩51、热轧机6、轧机后保温罩52和辊底式隧道热处理炉9；

辊道包括炉内辊道10和炉外辊道2，其中，炉内辊道10包括若干个辊道组(每个辊道组包含5根辊道)，其中，各辊道组间可以单独转动或至少两组联动，每个辊道组均可正转或反转，转动速度为0.6m/min；热轧机前后的炉外辊道2分别均可单独转动，可正转或反转，转动速度为12m/min；

第二加热炉1与第一加热炉3的间距为2m；

第一加热炉3为辊底式隧道加热炉，内安装有若干第一加热装置41(安装于第一加热炉3内的顶部及两侧，在使用过程中，顶部及两侧的第一加热装置41分别垂直于板坯的上表面和侧表面)，且与轧机前保温罩51的间距为0.1m；

热轧机6为四辊可逆式轧机，工作辊辊身长度为1450mm，且每个工作辊均配有正负弯辊，正负弯辊力为-200KN至+200KN，该热轧机6包括一个上工作辊71、一个下工作辊72、导位装置8、第二加热装置42，其中，上工作辊71与下工作辊72上下对应设置以配合使用，且下工作辊72的上表面与辊道2的上表面位于同一水平面上；

第二加热装置42设置在上工作辊71与下工作辊72的附近，用于对工作辊进行连续在线加热，被加热的辊面长度为其辊身长度的90％；第二加热装置42的加热方式为连续在线高频感应加热，利用高频感应加热的集肤效应对工作辊进行加热；

两个导位装置8分别位于热轧机6的入口处和出口处；

轧机前保温罩51和轧机后保温罩52分别位于热轧机6的入口侧和出口侧，且与热轧机6的间距均为0.5m；保温罩主要用于对运送中的板坯或是轧制过程中的板坯的中尾部进行保温；

辊底式隧道热处理炉9，与轧机后保温罩52的间距为0.1m，其依次包括高温区、中温区和低温区，其中，于辊底式隧道热处理炉9内对应各温区的位置安装有若干第一加热装置41(分别安装于辊底式隧道热处理炉9内对应各温区的顶部及两侧，在使用过程中，顶部及两侧的第一加热装置41分别垂直于板坯的上表面和侧表面)。

在上述装置中，第一加热炉3以及辊底式隧道热处理炉9的高温区的炉温均控制在1230℃-1270℃。

实施例2

本实施例提供一种TiAl合金板材热轧方法，该方法采用实施例1的装置进行，具体流程如图2所示。该方法包括以下步骤：

(1)原料提供：提供Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B(at.％)合金(简称：TNM合金)板坯，在该合金板坯的表面涂上抗高温氧化涂层；

(2)加热：将TNM合金板坯放置在第二加热炉1中，加热至1180℃，出炉后经辊道2运送入第一加热炉3中，加热到1255℃(正向轧制的温度)，保温30min；

(3)预热工作辊：在TNM合金板坯出第一加热炉3前，通过连续在线高频感应加热装置将热轧机6的上工作辊71和下工作辊72的表面温度加热至500℃-560℃；

(4)轧制：将经步骤(2)后的加热到1255℃的TNM合金板坯运送至热轧机6上正向轧制1道次，随后进入辊底式隧道热处理炉9的高温区，加热到1255℃(逆向轧制的温度)，保温10min后出炉并于热轧机6中逆向轧制1道次，再进入第一加热炉中加热保温，经多个轧制回程将TNM合金板坯轧制成目标厚度板材，板材厚度为2mm；加热和保温过程中，炉内辊道10保持0.6m/min速度进行正转或反转；

(5)冷却：将TNM合金板材依次经辊底式隧道热处理炉9的高温区、中温区和低温区(高温区的炉温为1000℃-1350℃；中温区的炉温为650℃-1000℃；低温区的炉温小于650℃)，进行冷却，完成热轧板材的轧制过程；

轧制第一块TNM合金板坯时，第二块TNM合金板坯进入第一加热炉3中加热和保温，当第一块板坯轧制后进入辊底式隧道热处理炉9的高温区加热和保温时，第二块TNM合金板坯进入热轧机6进行轧制，两块TNM合金板坯进行交替加热、保温与轧制。

在上述热轧方法中，如果TNM合金板坯经正向轧制后达到逆向轧制的温度，则直接逆向轧制，并进入第一加热炉3中加热和保温10min-20min，无需进入辊底式隧道热处理炉9中加热。

在上述热轧方法中，如果TNM合金板坯通过逆向轧制后达到正向轧制的温度，则直接正向轧制，并进入辊底式隧道热处理炉9的高温区加热和保温10min-20min，无需进入第二加热炉1中加热。

通过上述热轧方法，可制备出表面质量良好、性能优异的大尺寸TNM合金板材。