TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法

摘要

一种TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法，通过超塑蠕变时效成形方法，利用细晶TiAl基合金的超塑性成形叶片毛坯并调控其显微组织，工艺为：在较低温度和应变速率下对锻态细晶TiAl基合金进行等温锻造成形，同时进行时效热处理实现组织控制。本发明将等温模锻和时效热处理相结合，能有效提高TiAl基合金叶片毛坯的成形效率与成形质量，实现对细晶TiAl基合金叶片毛坯构件的控形和控性，使各晶粒的取向趋近随机分布，并且β相和α

说明书

技术领域

本发明涉及TiAl基合金塑性成形和热处理领域，具体是一种TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法。

背景技术

TiAl基合金具有低密度、高比强度、高比刚度、以及较高的蠕变抗力等优点，是高温钛合金使用温度上限、高温合金使用温度下限区间减重的重要候选材料，在航空航天领域极具应用潜力。但是，由于TiAl基合金的本征脆性，其变形抗力大、加工窗口狭窄，采用普通锻造难以成形。而等温锻造是一种适合TiAl基合金的成形方法，可以实现一道次或少道次将毛坯加工到近终尺寸，减少材料的损耗。

有研究介绍(Wrought TiAl blades,Janschek P:Materials Today:Proceedings,Vol.2S(2015),p.S92-S97.)，德国的Leistritz Turbinentechnik公司采用等温模锻和锻后热处理制造出200mm长的TNM合金(Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B at.％)低压涡轮叶片，截止2015年，已经有超过1万件该叶片生产出来装备普惠公司PW1000G系列航空发动机，挂载该发动机的空客A320neo客机已于2014年完成首飞。

为了进一步提高TiAl基合金的成形能力，自上世纪90年代初期人们就开始对TiAl基合金的超塑性开展相关研究，发现在一定条件下(较低应变速率、较细初始组织)几乎所有的多相TiAl基合金均可表现出超塑性，并积累了大量超塑性能数据。因此，对于细晶TiAl基合金，在等温模锻温度区间的下沿，较低的应变速率下，可以利用合金表现出的超塑性成形结构复杂的构件，称为超塑等温模锻(通过控制应变速率加载)和蠕变成形(通过控制压力加载)。另外，利用TiAl基合金超塑性成形还具有以下优点：在超塑性区间内变形，由于晶粒长大和细化的动态平衡，构件不同部位的组织更均匀；晶界滑动使合金晶粒转动减小织构，从而提高合金塑性；变形后合金的回弹小，便于提高构件的尺寸精度；在超塑性区间内变形合金流变应力低，可以通过小吨位的设备成形更大尺寸和重量的构件，并且可以适当降低变形温度减少对模具的损耗。

另外，有研究表明(Microstructure and mechanical properties of a forgedβ-solidifyingγTiAl alloy in different heat treatment conditions,Bolz S,Oehring M,Lindemann J,Pyczak F,Paul J,Stark A,Lippmann T,Schrüfer S,Roth-Fagaraseanu D,Schreyer A,WeiβS:Intermetallics,Vol.58(2015),p.71-83.Experimental study of the dissolution and reprecipitation behaviors ofω₀phase>

已有报道的TiAl基合金等温锻造成形航空发动机叶片等构件(Preparingcomponent e.g.fluid-flow machine,gas turbine or aircraft engine made fromtitanium-aluminum alloy,by forming the component by smithing e.g.isothermalsmithing and then subjecting to a heat treatment and cooling the component,MTU AERO ENGINES GMBH,SMARSLY W,MTU AERO ENGINES AG,DE102012201082-A1,WO2013110260-A1,EP2807281-A1,US2014369822-A1)，利用TiAl基合金超塑性气胀成形薄壁型构件(Titanium-aluminium alloy–capable of superplastic working anddiffusion bonding,used for aerospace and car engine parts,NIPPON STEEL CORP,JP3193838-A)，通过等温热处理调控TiAl基合金变形后组织(一种变形TiAl合金组织性能精确控制方法,林均品,梁永峰,沈正章,高叔博,张来启,郝国建,CN106756688A)，尚未见将TiAl基合金超塑性用于等温锻造成形，并且在合金成形的过程中考虑组织调控。本发明利用细晶TiAl基合金超塑性，采用较低温度和应变速率成形TiAl基合金叶片毛坯同时调控构件的显微组织，变形温度与时效处理温度区间基本重合，而且低应变速率保证TiAl基合金锻坯在时效处理温度(变形温度)下的保温时间，另一方面，低应变速率下的热力耦合作用促进TiAl基合金组织中各相充分演化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的基合金热变形过程中变形抗力大、加工窗口狭窄，难以成形结构复杂构件的不足，本发明提出了一种TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，预成形坯制备；制备预成形坯时，将棒坯和模具放入等温压机炉腔内，以30℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至1100℃，保温60min。保温结束后压机压头带动模具上模以10^-3s^-1的应变速率压下35mm，使该棒坯一端变形。

步骤2，叶片毛坯的预成形。

采用超塑等温模锻的方法实现叶片毛坯的预成形。具体是将叶片预成形坯和组合模具放入等温压机炉腔内，以5℃/min～30℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至900℃～1100℃，保温45min～120min。保温结束后压机压头带动组合模具上模以10^-3s^-1～10^-5s^-1的应变速率压下，使该叶片预成形坯完成叶片毛坯的预成形。

步骤3，叶片毛坯的成形

采用蠕变时效成形的方法，在等温压机上采用组合模具实现叶片毛坯的成形和时效处理。

当压下量达到15mm时，转变等温压机加载控制方式，采用恒压加载方式对该叶片预成形坯施加105min～145KN的压力，使叶片坯料上的应力达到0.8～1.0倍屈服应力，保压75min～105min，完成叶片毛坯的充型过程，卸载后保温处理0min～120min，随炉冷却到室温，出炉脱模，得到完整的叶片毛坯。

本发明通过超塑蠕变时效成形方法，利用细晶TiAl基合金的超塑性成形叶片毛坯并调控其显微组织，工艺为：在较低温度和应变速率下对锻态细晶TiAl基合金进行等温锻造成形，同时进行时效热处理实现组织控制。

本发明将等温模锻和时效热处理相结合，能有效提高TiAl基合金叶片毛坯的成形效率与成形质量。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

1、TiAl基合金的变形抗力大，热加工窗口狭窄，一般锻造温度在1100℃以上，对模具材料和锻造设备要求高，而且难以成形结构复杂的构件。为了降低合金变形温度和变形抗力，减小对模具材料和锻造设备的苛刻要求，并且能够成形形状更加复杂的构件，本发明利用细晶TiAl基合金的超塑性提出一种超塑蠕变时效成形方法。对细晶TiAl基合金在900-1100℃较低的应变速率下(10^-3S^-1-10^-5S^-1)进行超塑蠕变时效成形，获得充型完整、尺寸精确、回弹少，显微组织良好的TiAl基合金叶片毛坯，并且该构件显微组织的微细结构得到进一步调控。实现对细晶TiAl基合金叶片毛坯构件的控形和控性。

2、本发明将等温成形和时效热处理结合为同一工艺过程，利用细晶TiAl基合金的超塑性，明显降低坯料的成形抗力和成形温度，减少对模具和压机的苛刻要求；利用成形和时效处理过程中的热力耦合作用，促进TiAl基合金显微组织的充分演化。

对比附图3和附图4，可见本发明得到的超塑蠕变时效成形后TiAl基合金构件显微组织相对于初始组织更加均匀，γ相晶粒尺寸稳定，初始组织中残余的板条组织破碎完全，β相和α₂相演化充分，可知合金在超塑蠕变时效成形过程中发生了超塑变形，变形由晶界滑动机制主导，晶粒的动态长大和再结晶细化保持平衡、晶粒尺寸稳定，晶粒不断转动，各晶粒的取向趋近随机分布。另外，由于应变速率低且在时效处理温度区间内，促进γ相和β相、α₂相间的协调变形，使得β相和α₂相演化充分，分布更加均匀。

附图说明

附图1是本发明的工艺流程图。

附图2是本发明实施案例中TiAl基合金叶片预成形坯结构示意图。

附图3是本发明实施案例中TiAl基合金细晶棒料的显微组织。

附图4是本发明实施案例中TiAl基合金成形后叶片毛坯的显微组织。

具体实施方式

本发明提供的实施案例中，TiAl基合金名义成分的原子比为Ti-43.5Al-8Nb-0.2W-0.2B，采用包套热挤压，制得细晶TiAl基合金棒料，随后从棒料上下料在等温压机上采用本发明提出的超塑蠕变时效成形工艺进行成形和时效处理，制备出TiAl基合金的叶片毛坯。

实施例1

本实施例是一种TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法，具体过程是：

步骤1，预成形坯制备：采用线切割对细晶棒料下料，获得Φ20×80mm的棒坯，在等温压机上对棒坯一端镦粗变形，将棒坯和模具放入等温压机炉腔内，以30℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至1100℃，保温60min。保温结束后压机压头带动模具上模以应变速率10^-3s^-1压下35mm，棒坯一端变形，叶片的预成形坯形状如附图2所示。

步骤2，叶片毛坯的预成形。

采用超塑等温模锻的方法实现叶片毛坯的预成形。

将叶片预成形坯和组合模具放入等温压机炉腔内，以15℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至1000℃，保温60min。保温结束后压机压头带动组合模具上模以10^-4s^-1的应变速率压下，使该叶片预成形坯完成叶片毛坯的预成形。

步骤3，叶片毛坯的成形

采用蠕变时效成形的方法，在等温压机上采用组合模具实现叶片毛坯的成形和时效处理。

当压下量达到15mm时，转变等温压机加载控制方式，采用恒压加载方式对该叶片预成形坯施加145KN的压力，使叶片坯料上的应力达到约0.9倍屈服应力，保压75min，完成叶片毛坯的充型过程。卸载后无须保温处理，即保温处理时间为0min。随炉冷却到室温，出炉脱模，得到完整的叶片毛坯。

解剖后显微组织如附图4所示，显微组织均匀，相对于初始组织γ相晶粒尺寸稳定，残余的板条组织破碎完全，β相和α₂相演化充分。

实施例2

本实施例是一种TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法，具体过程是：

步骤1，预成形坯制备：采用线切割对细晶棒料下料，获得Φ20×80mm的棒坯，在等温压机上对棒坯一端镦粗变形，将棒坯和模具放入等温压机炉腔内，以30℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至1100℃，保温60min。保温结束后压机压头带动模具上模以应变速率10^-3s^-1压下35mm，棒坯一端变形，叶片的预成形坯形状如附图2所示。

步骤2，叶片毛坯的预成形。

采用超塑等温模锻的方法实现叶片毛坯的预成形。

将叶片预成形坯和组合模具放入等温压机炉腔内，以5℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至1100℃，保温45min。保温结束后压机压头带动组合模具上模以10^-3s^-1的应变速率压下，使该叶片预成形坯完成叶片毛坯的预成形。

步骤3，叶片毛坯的成形

采用蠕变时效成形的方法，在等温压机上采用组合模具实现叶片毛坯的成形和时效处理。

当压下量达到15mm时，转变等温压机加载控制方式，采用恒压加载方式对该叶片预成形坯施加130KN的压力，使叶片坯料上的应力达到约0.8倍屈服应力，保压90min，完成叶片毛坯的充型过程，卸载后保温处理120min，随炉冷却到室温，出炉脱模，得到完整的叶片毛坯。

实施例3

本实施例是一种TiAl基合金叶片毛坯的超塑蠕变时效成形方法，具体过程是：

步骤1，预成形坯制备：采用线切割对细晶棒料下料，获得Φ20×80mm的棒坯，在等温压机上对棒坯一端镦粗变形，将棒坯和模具放入等温压机炉腔内，以30℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至1100℃，保温60min。保温结束后压机压头带动模具上模以应变速率10^-3s^-1压下35mm，棒坯一端变形，叶片的预成形坯形状如附图2所示。

步骤2，叶片毛坯的预成形。

采用超塑等温模锻的方法实现叶片毛坯的预成形。

将叶片预成形坯和组合模具放入等温压机炉腔内，以30℃/min的升温速率使压机炉腔温度升至900℃，保温120min。保温结束后压机压头带动组合模具上模以10^-5s^-1的应变速率压下，使该叶片预成形坯完成叶片毛坯的预成形。

步骤3，叶片毛坯的成形

采用蠕变时效成形的方法，在等温压机上采用组合模具实现叶片毛坯的成形和时效处理。

当压下量达到15mm时，转变等温压机加载控制方式，采用恒压加载方式对该叶片预成形坯施加160KN的压力，使叶片坯料上的应力达到约1.0倍屈服应力，保压105min，完成叶片毛坯的充型过程，卸载后保温处理60min，随炉冷却到室温，出炉脱模，得到完整的叶片毛坯。