基于叠覆结构设计的锻态TiAl合金薄板包套轧制方法

本发明属于tial合金薄板的轧制技术，特别涉及一种制备小于1mm厚度tial合金薄板的方法

背景技术：

1、tial基合金由于具有低密度、良好的高温强度、优异的耐蠕变性能及抗氧化性能等优异特性，在航空航天和汽车工业的高温结构应用中具有广阔的前景。然而，tial合金热加工窗口窄、变形过程中容易开裂以及室温塑性差等缺陷限制了其板材成形。尤其是制备薄规格板材时，由于需要进行大压下量变形且面临较高的温降速率，导致薄板成形难度更大。

2、目前，制备tial合金板材主要采用包套热轧技术，其优势主要体现在两个方面：一是包套结构为tial合金隔绝空气，避免氧化，并起到保温效果，减少tial合金的温降以及与轧辊的接触散热；二是包套结构的包覆作用使得tial合金能够均匀变形，但是当板材厚度小于2mm后，包覆作用对板材的改善作用有限。在诸多tial合金包套轧制工艺研究中，为了降低成本和简易工艺流程，直接选取铸态tial合金，但轧制后板材的厚度难以突破1mm以下，一方面是铸态合金存在缩松、裂纹等铸造缺陷，另一方面铸态组织不均匀，对应力变化比较敏感，难以实现薄板的轧制。

3、tial合金包套热轧技术一般采用单板材轧制，但也存在诸多局限性：为了保证包套的保温性能，需增加包套材料的厚度，造成了成本的增加；单板材轧制只能单次轧制一块tial合金板材，效率低下，无法进行大规模生产；同时不锈钢包套材料与tial合金板材的变形协调性较差且热膨胀系数差异过大，导致当tial合金板材轧薄后，容易发生开裂。

4、在公开专利发明(公开号为cn 112916644 a)中，发明人提出使用包套叠轧制备多个tial合金板材，以降低tial合金板材制备成本、提高板材制备效率和质量。但是当进行大变形量时，芯部的tial合金板材与边部的tial合金板材的受力情况相差较大，会导致变形不均匀。该专利采用金属箔材作为隔离层材料，在保温过程中易导致冶金结合，不利于轧制后板材分离。

5、在公开专利发明(公开号为cn 105081323 a)中，发明人提出采用放电等离子烧结法制备tial合金板坯，该板坯致密度高、组织细小、成分均匀、性能优异，有利于在相对较低的温度和较高的应变速率下进行tial/ti合金层状复合板材的轧制。然而放电等离子烧结技术存在较高的能耗、较高的设备投资以及烧结过程中可控性较差的缺点，并且受设备的限制，无法制备大尺寸的tial合金板坯。

6、在文献“tial合金板材轧制研究现状.金属学报,2022,58(08):965-978.”中提出，大尺寸高性能tial合金板材或箔材是航空航天领域重要的轻质高温结构材料，国内高性能tial合金板材的尺寸和国外相比仍有较大差距，与工程化应用尚有一定距离。目前，国内尚未报道过能够大批量生产厚度在1mm以下的tial合金薄板，国外奥地利plansee公司可以稳定供应超薄tial合金板材，其采用的是包套热轧工艺，但其技术细节保密。

7、因此，开发出工艺简易且能够稳定制备tial合金薄板的方法，对于tial基合金在航天航空领域的广泛应用具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种基于叠覆结构设计的锻态tial合金薄板包套轧制方法，采用等温锻造后的tial合金锻饼作为轧制板材，解决厚度在1mm以下的tial合金薄板难以制备的问题，工艺简易且能够稳定制备。

2、本发明采用如下技术方案:

3、一种基于叠覆结构设计的锻态tial合金薄板包套轧制方法，按照以下步骤进行：

4、步骤1，锻态tial合金板坯准备：采用真空自耗电弧熔炼获得tial合金铸锭，通过等温锻造获得tial合金锻饼，利用电火花线切割获得n个板形坯料，倒半径为3～8mm的圆角，并用磨床将坯料表面磨光；

5、步骤2，ti2alnb合金板坯准备：通过真空自耗电弧熔炼获得ti2alnb合金铸锭，进行均匀化处理和热等静压处理，采用电火花线切割获得n+1个板形坯料，倒半径为3～8mm的圆角，并用磨床将坯料表面磨光；

6、步骤3，叠覆结构设计的包套板坯制备：将n个锻态tial合金板材表面均匀涂覆耐热玻璃涂层，然后依次将1-ti2alnb合金、2-锻态tial合金、3-ti2alnb合金、4-锻态tial合金、5-ti2alnb合金…2n-锻态tial合金、2n+1-ti2alnb合金(n为叠覆结构中锻态tial合金的数量，1≤n≤4)进行叠覆后再置于包套的凹槽中，tial合金与ti2alnb合金之间添加复合隔离材料，随后进行焊合，得到叠覆结构设计的包套tial合金坯料；

7、步骤4，包套轧制：将步骤3中获得的叠覆结构设计的包套坯料放入高温炉中，加热到1050℃～1350℃，保温0.5～5h，随后进行包套轧制，每道次回炉保温5～30min，轧制工艺完成后放入真空炉中进行去应力退火；

8、步骤5，轧制板坯机械加工处理：采用线切割的方法去除步骤4得到的轧制tial合金坯料上的包套，ti2alnb合金板材与tial合金薄板自动分离，并通过磨削加工去除tial薄板表面的耐热玻璃涂层，得到厚度在1mm以下的tial合金薄板。

9、进一步地，步骤1中所述的tial合金，按原子百分比计，al：40％～45％，v：6％～9％，y：0％～1％，余量为ti。

10、进一步地，步骤1中所述的tial合金，按原子百分比计，al：40％～45％，nb：5％～10％，y：0％～1％，b：0％～1％，c：0％～1％，余量为ti。

11、进一步地，步骤1中所述的tial合金，按原子百分比计，al：40％～48％，nb：2％～8％，cr：0％～8％，mn：0％～8％，v：0％～8％，mo：0％～8％，y：0％～1％，b：0％～1％，c：0％～1％，余量为ti。

12、进一步地，步骤1中所述的等温锻造，锻造温度为1200℃～1300℃，总变形量为70％～80％，变形速率为0.001～0.1s-1。

13、进一步地，步骤2中所述的ti2alnb合金，按原子百分比计，al：23％～26％，nb：18％～20％，mo：0.5％～2％，余量为ti。

14、进一步地，步骤1中所述线切割获得的tial板材厚度为2mm～10mm。

15、进一步地，步骤2中所述线切割获得的ti2alnb板形坯料的厚度为2mm～15mm。

16、进一步地，步骤3中所述的复合隔离材料厚度为2mm～4mm，包含耐高温保温棉、微米级陶瓷粉以及微米级石墨粉。

17、进一步地，步骤4中所述的轧制工艺是道次变形量为10％～30％，轧制速度为50mm/s～150mm/s。当道次变形量为20％～30％时，轧制速度为100mm/s～150mm/s；当道次变形量为10％～20％时，轧制速度为50mm/s～100mm/s；。轧制完成后放入真空炉中，在700℃～1000℃保温1h～6h，随炉冷却，进行去应力退火处理。

18、本发明具有如下有益效果：

19、(1)本发明采用锻态tial合金进行薄板轧制，保证了合金在轧制前无铸造缺陷，具有细小的晶粒尺寸以及良好的高温塑性，易轧制出较薄的tial合金板材。

20、(2)与传统tial合金包套轧制相比，本发明采用叠覆结构设计，利用ti2alnb合金作为tial合金与包套金属之间的过渡层，大幅度降低tial合金与包套金属之间的变形不协调性，并增大了热容量，有利于提高tial合金薄板成形质量；同时，也会得到高质量的ti2alnb合金薄板，作为tial合金薄板的副产品，提高生产效率。

21、(3)本发明提供了一种基于叠覆结构设计的锻态tial合金薄板包套轧制方法，包套制备过程易操作且轧制工艺可控，能够成功制备厚度在1mm以下的tial合金薄板。

22、(4)本发明采用的复合隔离材料，包含一层耐高温保温棉、一层微米级陶瓷粉层以及一层微米级石墨粉层。耐高温保温棉起到了保温作用，微米级陶瓷粉末起到隔离作用，有效地防止了tial合金与ti2alnb合金发生冶金结合；同时微米级石墨粉起到了润滑作用，有利于协调变形。