简介概要

高铌TiAl基合金板材制备包套热轧工艺及组织控制

来源期刊：稀有金属2010年第5期

论文作者：王兴林均品张来启王艳丽陈国良

文章页码：658 - 662

关键词：高铌TiAl基合金;包套热轧;薄板;

摘要：采用新的包套热轧工艺方法,在普通轧机上成功制备出厚度为1.9 mm的高铌钛铝合金薄板,总变形量达到80%以上。整个轧制过程保持在近等温的状态下,平均轧制速率小于80 mm.s-1。显微组织观察表明,薄板组织均匀,轧制变形后的晶粒度略大于合金变形前的晶粒度。在动态再结晶与道次间回炉处理时发生的静态再结晶两种机制的作用下,发生了完全再结晶,因而不再具备变形组织的带状特征。板材的取向图显示存在<100>晶向平行于轧制方向的晶粒,其余晶粒的取向则呈现随机分布。锻态高铌钛铝合金包套热轧后织构组分存在{100}<010>的立方织构,这种织构是由再结晶引起的。

稀有金属 2010,34(05),658-662

高铌TiAl基合金板材制备包套热轧工艺及组织控制

王兴林均品张来启王艳丽陈国良

摘要：

采用新的包套热轧工艺方法,在普通轧机上成功制备出厚度为1.9 mm的高铌钛铝合金薄板,总变形量达到80%以上。整个轧制过程保持在近等温的状态下,平均轧制速率小于80 mm.s-1。显微组织观察表明,薄板组织均匀,轧制变形后的晶粒度略大于合金变形前的晶粒度。在动态再结晶与道次间回炉处理时发生的静态再结晶两种机制的作用下,发生了完全再结晶,因而不再具备变形组织的带状特征。板材的取向图显示存在<100>晶向平行于轧制方向的晶粒,其余晶粒的取向则呈现随机分布。锻态高铌钛铝合金包套热轧后织构组分存在{100}<010>的立方织构,这种织构是由再结晶引起的。

关键词：

高铌TiAl基合金;包套热轧;薄板;

中图分类号： TG335.11

作者简介：王兴(1971-),男,山东济南人,博士;研究方向:材料科学与工程;林均品,通讯联系人,(E-mail:linjunpin@skl.ustb.edu.cn);

收稿日期：2009-10-26

基金：国家自然科学基金(50771013);新世纪优秀人才项目(NCET04-0101)联合资助;

Hot Packed-Rolling Process of High-Nb TiAl Alloy and Its Microstructure Evolution

Abstract：

A novel hot pack-rolling process was developed in the wrought TiAl based alloy containing high content of Nb.The microstructure was studied using field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM).The whole reduction of the sheet was up to more than 80% and the thickness of sheet was 1.9 mm.The production condition was nearly isothermal rolling at high temperature within the(α+γ) phase field,and the rolling speed was less than 80 mm·s-1.The observation by FE-SEM showed the microstructure of the hot-rolled sheet was uniform and the average grain size increased after the hot rolling.The band structure in the wrought TiAl alloy disappeared because of the dynamic and statical recrystallization occurred during the hot rolling.The measurement of EBSD showed that some <100> a-axes of γ-TiAl grains paralleled to RD(rolling direction),and the orientation of other grains was of random distribution.In the rolled sheets of high-Nb TiAl with equiaxed microstructure,the main texture component was a modified cube texture {100} <010> where the a-axis paralleled to RD of the sheet.This texture component was caused by dynamic recrystallization.

Keyword：

high-Nb TiAl alloy;hot packed-rolling;sheet;

Received： 2009-10-26

高铌TiAl基合金因为高含量Nb元素的加入提高了合金的熔点和有序化温度以及高温组织稳定性, 降低了扩散和层错能, 提高了合金的高温强度以及改善了抗氧化性。由于其性能和使用温度均处于镍基高温合金和高温陶瓷材料之间, 它比镍基高温合金比强度高, 比陶瓷材料塑性和韧性好, 使用温度提高至 800～900 ℃以上, 达到提高使用温度的目的, 并且兼顾了普通γ-TiAl 基合金的密度小的特点, 被认为是最有应用潜力的新一代高温轻质结构材料 ^[1,2,3,4] 。

由于钛铝合金具有的本质脆性, 该类型材料的加工性能很差, 在热加工中易于由于热损失导致合金的加工性能急剧降低, 而使合金工件断裂而破坏, 并且当高温加工时,合金由于氧化作用, 会进一步导致合金的热加工性能的降低, 研究表明制备钛铝基合金板材, 轧制应具备如下3个基本条件, (1) 在α+γ相区保持近似等温轧制, (2) 严格控制轧制速度和道次压下量, (3) 防止合金在变形过程中的氧化行为 ^[5,6,7] 。高铌钛铝基合金由于高Nb合金化的作用, 使合金高温强度大于普通TiAl合金, 其热加工温度要比普通TiAl合金高100 ℃, 因而其板材的制备要比普通TiAl合金困难得多。目前, 高铌钛铝合金已进入实用化阶段, 制备大尺寸的高铌钛铝合金薄板的要求日益迫切 ^[8,9] 。本文在普通包套热轧的基础上, 研究了包括新的热轧工艺和保温措施在内的高铌钛铝合金薄板制备新技术。

1 实验

实验用合金经过复合熔炼的方法熔炼而得。实验所用合金的名义成分为Ti-45Al-8.5(Nb, W, B, Y)(原子分数)。合金铸锭经过均匀化处理后, 再进行两次包套锻造后获得锻饼, 通过线切割从锻饼上切取厚度为10 mm的长方形热轧坯料, 经砂纸打磨后去除试样表面的微裂纹和各种缺陷, 使之光滑平整, 试样厚度均匀。打磨处理后的试样, 装入特殊设计的包套中进行包套轧制。轧制实验设备为350 四/二辊可逆板带试验轧机, 轧制时采用两辊工作状态, 工作辊尺寸为Ф 400 mm×350 mm, 加热装置为硅碳棒加热炉, 设有温度控制单元。轧制温度为1260 ℃, 道次变形量平均为10%。通过场发射扫描电镜进行组织观察。

2 结果与讨论

2.1 高铌钛铝合金薄板包套热轧工艺

高铌钛铝基合金由于高铌的合金化作用, 使其具有比普通钛铝基合金更高的高温强度, 普通轧制无法成功进行。包套轧制是一条有效的制备钛铝合金板材的方法。采用包套轧制同时可以抑制局部流变的扩展,从而提高了TiAl基合金的可加工性。还可以减少TiAl基合金在变形过程中热量的散失, 防止变形过程中的高温氧化。但是在包套热轧中, 根据体积不变原理, 包套的厚度随着包套的变形延伸而变薄, 易于导致失温。研究表明钛铝基合金轧制中的破裂主要是由于轧制中的温度损失,造成合金工件断裂,而高铌钛铝基合金的轧制加工温度范围只有约为100 ℃左右。如为了减少失温而提高轧制速率, 由于高铌钛铝基合金对变形速率很敏感,过高的应变速率会直接导致合金的直接破坏。在较大尺寸高铌钛铝板材的轧制过程中, 这个问题更显突出。在本次实验中, 采用新的热轧工艺和特殊的保温包套设计, 以小于80 mm·s^-1的轧制速率在普通轧机上近等温轧制出210 mm×25 mm×1.9 mm的高铌钛铝合金板材(如图1所示)。

2.2 高铌钛铝合金包套热轧前后的显微组织

图2所示为高铌钛铝合金包套热轧前后的显微组织变化。图2(a)为两次锻后组织, 由晶粒分布均匀的细小双态组织组成, 除片层团外, 组织中还有大量黑色的相。而片层团由黑色和灰色两种衬度的片组成, 经X射线衍射确定黑色衬度的相为γ相, 而灰色衬度的相为α₂ 相, 平均晶粒大小为20 μm 左右。图2(b)和(c)表示的是包套热轧后钛铝合金板材前后两端的显微组织, 可发现与轧制方向成大角度的α₂/γ层片组织被轧制破坏, 晶粒已经呈现出等轴晶形貌, 沿轧制方向无明显伸长。这是试样在1260 ℃进行轧制过程中动态再结晶与道次间回炉处理时发生的静态再结晶共同作用的结果。在这两种机制的作用下, 试样已经发生了完全再结晶, 因而不再具备变形组织的带状特征。由于合金在回炉保温和随炉冷却过程中, 长时间停留在高温区间, 导致了合金晶粒的长大, 轧制变形后的晶粒度略大于合金变形前的晶粒度。高铌钛铝合金板材前后端组织保持一致, 表明轧制速率即使小于80 mm·s^-1, 在整个包套热轧过程中也没有发生失温, 从而极大的提高了高铌钛铝合金板材制备的成功率, 使制备大尺寸的高铌钛铝板材成为可能。

图1 包套热轧前后高铌钛铝合金

Fig.1 Macrographs of high-Nb TiAl alloy before and after hot packing rolling

(a) Before hot packing; (b) After hot pack rolling

2.3 板材的织构分析

研究表明, 对于普通的低铌钛铝合金板材, 存在一种立方织构, γ相的正方晶胞的a轴方向与板材的轧向一致, 这是由于热轧中每道次回炉过程中的再结晶导致的 ^[10,11,12] 。这种立方织构导致钛铝合金板材在力学上存在较大的各向异性。而对于高铌钛铝合金, Gerling等的研究 ^[13,14,15] 表明由于铌含量的增加, 减弱了合金在热变形过程中再结晶的驱动力, 导致高铌钛铝合金板材包套热轧过程中这种立方织构的组分大为减少。高铌钛铝合金板材前后端反极图如图3所示, 板材前端(图3a)和板材后端(图3b)的反极图均发现存在较弱的{100}内容。图4为板材前后端的取向图, 黑色表示的是与晶胞的a轴平行的<100>晶向平行于轧制方向的晶粒, 同时其<101>晶向垂直于板材表面, 这是一种典型的钛铝合金热轧后会出现的织构, 其百分比前后端分别为35%和30%。其余晶粒的取向则呈现随机分布。晶粒并没有沿轧制方向被拉长, 仍然呈等轴形貌, 说明这种织构是一种再结晶织构。由以上分析可知高铌的加入虽然使这种立方织构减少, 但轧后板材仍然存在{100}<010>的立方织构。