本發(fā)明屬于Ti-Al系金屬間化合物的熱加工領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于難變形合金等溫鍛造的包套方法和應(yīng)用，具體涉及一種適用于Ti-Al系金屬間化合物等溫鍛造的包套方法。

背景技術(shù)：

金屬間化合物兼具金屬的塑性和陶瓷的高溫強(qiáng)度，因此，被公認(rèn)為是介于高溫合金和陶瓷之間最有希望的新型高溫結(jié)構(gòu)材料，成為近年來重點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。Ti-Al系金屬間化合物具有更低的密度、更高的高溫性能和抗蠕變性能而備受關(guān)注。目前研究主要集中在Ti₃Al、TiAl和Ti₂AlNb基合金，其中，TiAl密度最低，高溫蠕變性能好，但由于其室溫塑性及斷裂韌性差，限制了其實(shí)際應(yīng)用。Ti₃Al和Ti₂AlNb基合金室溫塑性和強(qiáng)度均高于TiAl，最高使用溫度已達(dá)800℃，目前已經(jīng)進(jìn)入使用階段。

TiAl基金屬間化合物具有低密度、較高彈性模量、良好的高溫強(qiáng)度、抗蠕變和抗氧化性能，使用溫度可提高至750～900℃與鎳基高溫合金相近，但密度僅約為鎳基高溫合金的一半，在一定溫度范圍內(nèi)作為高溫結(jié)構(gòu)材料是獨(dú)一無二的，可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)或汽車的高溫部件如渦輪盤、葉片、渦輪增壓器輪、氣門閥等，是極具競(jìng)爭(zhēng)潛力的下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)用結(jié)構(gòu)材料之一。

Ti₂AlNb基合金是以正交有序結(jié)構(gòu)O相為基礎(chǔ)的金屬間化合物，由于長(zhǎng)程有序的超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)減弱了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和高溫?cái)U(kuò)散，因此具有較高的比強(qiáng)度、室溫塑性、斷裂韌性和蠕變抗力，且具有較好的抗氧化性、無磁性等優(yōu)點(diǎn)，該合金能在700～800℃范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間使用，在高于1100℃的條件下可以短時(shí)間使用，是近年來Ti-Al系金屬間化合物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。Ti₂AlNb基合金的發(fā)展目標(biāo)是替代或部分替代現(xiàn)役的Incorn718、GH4169、In100等鎳基高溫合金及其他高密度結(jié)構(gòu)材料，通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)自身的重量來提高推重比和效率，實(shí)現(xiàn)性能的提高，是制造發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣、燃燒室機(jī)匣、壓氣機(jī)輪盤及葉片等重要部件的主選材料。國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用該合金成功制造了許多航空部件，其中，美國(guó)采用Ti₂AlNb基合金與鑄造TiAl合金葉片組合成功制造了雙金屬離心葉輪；美國(guó)TEXTURE公司以Ti₂A1Nb基合金箔材為金屬基與SiC纖維增強(qiáng)制做復(fù)合村料；我國(guó)Ti₂AlNb基合金的相關(guān)研發(fā)工作正從實(shí)驗(yàn)室研究向工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用過渡，北京鋼鐵研究總院研制了Ti₂AlNb基合金衛(wèi)星構(gòu)件、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)部件及航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣，其中導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)部件已通過臺(tái)架試車；在鈑金成形方面，Ti₂AlNb基合金成功進(jìn)行了特定構(gòu)件超塑成形、熱旋壓成形、冷沖成形、熱模壓成形、以及筒形件的冷/熱卷成形，其中熱模壓成形、以及筒形件的冷/熱卷成形已應(yīng)用于實(shí)際部件研制。

然而，TiAl、Ti₂AlNb基金屬間化合物鑄態(tài)晶粒尺寸較大，室溫塑性差、高溫變形抗力大，熱加工性能較差，通過等溫鍛造細(xì)化顯微組織、消除鑄態(tài)缺陷，是提高Ti-Al系金屬間化合物加工性能，改善室溫塑性的有效手段，Ti-Al系金屬間化合物變形溫度范圍窄易于開裂。Ti-Al系金屬間化合物的熱加工溫度一般在900～1300℃范圍內(nèi)，在鍛造過程中易發(fā)生氧化，而且不加包套裸鍛過程中，材料容易出現(xiàn)鼓形，上下表面存在難變形區(qū)，材料外表面在雙向拉應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生裂紋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種簡(jiǎn)單易用、生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，能有效防止Ti-Al系金屬間化合物變形過程中開裂、氧化，并減少坯料在轉(zhuǎn)移過程中熱量散失的適用于Ti-Al系金屬間化合物等溫鍛造的包套方法，該方法同樣適用于其他難變形合金及高溫合金的鍛造。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種適用于Ti-Al系金屬間化合物等溫鍛造的包套方法，包括以下步驟：

(1)包套預(yù)處理；

(2)將Ti-Al系金屬間化合物坯料表面涂覆高溫防氧化涂料；

(3)在高溫防氧化涂料保持濕潤(rùn)的狀態(tài)下，將Ti-Al系金屬間化合物坯料裝入包套，并在包套與Ti-Al系金屬間化合物坯料之間設(shè)置過渡層；

(4)將包套焊接密封。

所述的包套包括筒體與端蓋，包套內(nèi)表面光滑，所述的筒體與端蓋的接觸面的邊緣分別設(shè)有用于焊接的倒角。

所述的筒體的內(nèi)徑與Ti-Al系金屬間化合物坯料的直徑相匹配，所述的筒體的厚度為坯料直徑的1/20～1/5。

所述的包套在等溫鍛造的溫度不大于1000℃時(shí)采用低碳鋼材質(zhì)，在等溫鍛造的溫度大于1000℃時(shí)采用不銹鋼、純鈦或鈦合金材質(zhì)。

所述的鈦合金優(yōu)選Ti-6Al-4V合金。

所述的包套的預(yù)處理為先在堿性清洗液中通過超聲清洗包套表面，然后使用清水沖洗，并用電熱吹風(fēng)機(jī)吹干表面水分。

所述的高溫防氧化涂料市售的K-01型高溫抗氧化涂料。

所述的過渡層設(shè)置在包套頂部與Ti-Al系金屬間化合物坯料之間及包套底部與Ti-Al系金屬間化合物坯料之間。

所述的過渡層為紙屑或石棉層。

所述的過渡層中還包括石墨粉，所述的石墨粉的粒度為100～300目，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1～50wt.％。

采用包覆等溫鍛造，可以避免坯料的氧化發(fā)生，且使材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可防止鍛件雙鼓形的出現(xiàn)，在較大變形力作用下，能有效地彌合材料內(nèi)部裂紋，消除內(nèi)部缺陷。包套鍛造可以采用比較高的形變速率并且減少坯料轉(zhuǎn)移過程中溫度的散失，避免坯料大量散熱使其溫度過度降低而難于變形保證等溫鍛造的溫度條件，因此，包套等溫鍛造Ti-Al系金屬間化合物的組織更細(xì)、更均勻，包套等溫鍛造鍛造設(shè)備要求簡(jiǎn)單，而且外加的鋼包套可以抵消鍛造過程產(chǎn)生的二次拉應(yīng)力，從而避免鍛坯開裂。

本發(fā)明包套的材質(zhì)的選擇根據(jù)等溫鍛造的溫度范圍選擇，不大于1000℃的溫度范圍內(nèi)包套材料選用低碳鋼，而大于1000℃的溫度范圍內(nèi)包套材質(zhì)選用不銹鋼、純鈦或鈦合金(例如Ti-6Al-4V合金)。選用低碳鋼和不銹鋼作為包套材料的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)低碳鋼和不銹鋼在鍛造過程的溫度和壓力下不會(huì)與坯料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或共晶反應(yīng)，可以防止包套失效而且避免了對(duì)坯料造成的污染；(2)鍛造過程中，在高溫和壓力的作用下，低碳鋼和不銹鋼具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和良好的塑性，避免在鍛造過程中發(fā)生破裂，包套材料良好的塑性可以保證包套與坯料變形的協(xié)調(diào)性；(3)低碳鋼和不銹鋼具備良好的焊接性能和切削加工性能，封焊后能保證包套具有良好的氣密性且鍛造后通過常規(guī)的機(jī)械切削方法即可使包套和坯料分離，另外價(jià)格低廉，減少了制備包套的成本；(4)當(dāng)?shù)葴劐懺鞙囟却笥?000℃時(shí)，也可以選用純鈦或鈦合金(例如Ti-6Al-4V合金)。

本發(fā)明包套的結(jié)構(gòu)由筒體和端蓋兩部分組成，包套的筒體與端蓋大小根據(jù)坯料的具體尺寸而定；其中，筒體直徑尺寸與坯料尺寸之間要匹配，留有一定的間隙，方便坯料的裝入，考慮到坯料在裝入之前還需刷涂料，所以間隙不易過大，考慮到保溫及坯料和包套的變形協(xié)調(diào)性，筒體的厚度為坯料直徑的1/20～1/5，刷涂料的坯料滑動(dòng)進(jìn)入包套筒體內(nèi)；另外，筒體與端蓋相接觸部位的邊緣均開有倒角為焊接做準(zhǔn)備，優(yōu)選45°的倒角，與在端面焊接的包套相比，這種結(jié)構(gòu)降低了在鍛造過程中的破套的可能性；筒體和端蓋均由車削方式加工而成，在保證包套與坯料有良好的尺寸匹配的基礎(chǔ)上盡量提高表面光潔度。

包套的預(yù)處理，由于包套機(jī)加工后的表面并不是絕對(duì)光滑的，在表面的凹陷處會(huì)殘留大量的油污，而普通清洗方法根本不能將所有油污去掉，因此，需要借助超聲波在堿性清洗液中清洗包套表面油污，清洗后的包套立即放入清水中沖洗，洗去表面沾著的堿性清洗液。并用電熱吹風(fēng)機(jī)吹干表面的水分，防止包套在空氣中氧化。

包套的焊接：本發(fā)明中包套的密封方法采用氬弧焊接，氬弧焊過程中氬氣保護(hù)可隔絕空氣中氧氣、氮?dú)狻錃獾葘?duì)鋼包套的不良影響，以得到致密、質(zhì)量高的焊接接頭，保證包套具有良好的密封性；另外，采用氬弧焊方法熱影響區(qū)窄，應(yīng)力、變形、裂紋傾向小。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明的包套材料采用可焊接及延展性好的低碳鋼或不銹鋼制作，鍛造時(shí)包套與坯料變形協(xié)調(diào)性好不易破套，焊接后包套密封效果好；

(2)由于使用了高溫防氧化涂料+低碳鋼/不銹鋼/純鈦/鈦合金兩道保護(hù)措施，有效防止了坯料在高溫變形過程中的氧化，且減少整個(gè)包套在轉(zhuǎn)移過程中溫度散失，保溫效果好；

(3)包套內(nèi)部放置紙屑及石墨粉末，在高溫下紙屑與包套內(nèi)剩余的氣體反應(yīng)消耗內(nèi)部氣體且石墨在高溫下良好的潤(rùn)滑性使變形過程中包套內(nèi)部的變形程度更趨于均勻合理，本發(fā)明通過紙屑及石墨粉末在高溫下的作用，從潤(rùn)滑和除氣兩方面考慮均對(duì)坯料變形有益，同時(shí)與一般包套方法相比減少了真空除氣工序，降低了包套制作的成本、提高生產(chǎn)效率，且鍛造后包套與合金易于分離，效果顯著。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的包套的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明焊接密封后的包套結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例3包套等溫鍛造去除包套后的TiAl基合金樣品照片；

圖4為實(shí)施例3包套等溫鍛造去除包套后的TiAl基合金樣品側(cè)面的照片；

圖5為對(duì)比例1裸鍛后的TiAl基合金樣品的表面大裂紋照片；

圖6為對(duì)比例1裸鍛后的TiAl基合金樣品的表面微觀裂紋照片。

圖中，1為筒體，11為筒體倒角，2為端蓋，21為端蓋倒角，3為坯料，4為高溫防氧化涂料，5為過渡層，6為焊縫。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

一種適用于Ti-Al系金屬間化合物等溫鍛造的包套方法。本實(shí)施方式中的Ti-Al系金屬間化合物為Ti₂AlNb基合金，包套大小根據(jù)坯料3的尺寸而定。本發(fā)明的包套具有保溫效果、變形協(xié)調(diào)性好、易于焊接、操作簡(jiǎn)單易行，并減少了抽真空過程，提高生產(chǎn)效率。包套的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低廉、易于操作、可用于Ti₂AlNb基合金等溫鍛造生產(chǎn)，同時(shí)也適用于其他難變形合金及高溫合金等。具體操作步驟如下：

一、包套制備：坯料3尺寸為Φ60×100mm，考慮到坯料3尺寸、保溫及變形協(xié)調(diào)性包套壁厚選擇為10mm。包套材料選用低碳鋼，依據(jù)設(shè)計(jì)的尺寸，采用車削加工的方式制作出筒體1及端蓋2，在車削時(shí)筒體1的內(nèi)徑尺寸與坯料3直徑尺寸之間相匹配，保證二者要有一定的間隙，方便坯料3的放入，但間隙不宜過大。筒體1和端蓋2的接觸面的邊緣分別設(shè)有用于焊接的筒體倒角11和端蓋倒角21。加工完的筒體1及端蓋2，如圖1所示。

二、包套清洗：筒體1及端蓋2制作完成后借助超聲波在堿性清洗液中清洗包套表面油污。清洗后的包套立即放入清水中沖洗，洗去表面沾著的堿性清洗液。并用電熱吹風(fēng)機(jī)吹干表面的水分，防止包套在空氣中氧化。

三、裝入坯料：在筒體1底部放入紙屑及少許石墨粉，在放入坯料3前在坯料3表面刷高溫防氧化涂料4，在高溫防氧化涂料4保持濕潤(rùn)的狀態(tài)下將坯料3裝入筒體1，坯料3完全裝入筒體1后在坯料3上表面放置紙屑及石墨粉，然后放置好端蓋，包套頂部與坯料3之間及包套底部與坯料3之間的紙屑和石墨粉形成過渡層5。

四、包套焊接：采用氬弧焊接的方法在筒體1與端蓋2接觸處密封，焊縫6借助與筒體倒角11和斷面倒角21，焊接后的包套如圖2所示。

五、包套等溫鍛造實(shí)驗(yàn)：包套后進(jìn)行等溫鍛造實(shí)驗(yàn)，鍛造溫度范圍在900℃～1000℃。

本實(shí)施方式步驟一中車削時(shí)在保證尺寸準(zhǔn)確的同時(shí)應(yīng)盡量降低套筒內(nèi)部的表面粗糙度。

本實(shí)施方式步驟三中通過套筒中的紙屑及石墨粉在高溫下反應(yīng)，可以消除整個(gè)包套中的氣體，替代了普通包套制備過程中的抽真空工序，另外石墨在高溫下又可起到潤(rùn)滑作用。

本實(shí)施方式制備的Ti₂AlNb基合金等溫鍛造用包套，有效防止了Ti₂AlNb基合金在等溫鍛造過程中發(fā)生開裂、雙鼓等缺陷，而且通過高溫防氧化涂料和低碳鋼兩道保護(hù)措施避免了高溫變形過程中的坯料的氧化，且包套保溫效果好；另外放入紙屑及石墨粉通過反應(yīng)消耗包套中的氣體，石墨粉在高溫下也起到了潤(rùn)滑作用，相比普通包套過程減少了真空除氣工序，降低了包套制作的成本、提高生產(chǎn)效率，效果顯著，可直接應(yīng)用于Ti₂AlNb基合金等溫鍛造生產(chǎn)。

實(shí)施例2

一種適用于Ti-Al系金屬間化合物等溫鍛造的包套方法。本實(shí)施方式中的Ti-Al系金屬間化合物為Ti₂AlNb基合金，包套大小根據(jù)坯料3的尺寸而定。本發(fā)明的包套具有保溫效果、變形協(xié)調(diào)性好、易于焊接、操作簡(jiǎn)單易行，并減少了抽真空過程，提高生產(chǎn)效率。包套的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低廉、易于操作、可用于Ti₂AlNb基合金等溫鍛造生產(chǎn)，同時(shí)也適用于其他難變形合金及高溫合金等。具體操作步驟如下：

一、包套制備：包套可以采用不銹鋼、純鈦或鈦合金材質(zhì)，本實(shí)施例的坯料3尺寸為Φ60×109mm，考慮到坯料3尺寸、保溫及變形協(xié)調(diào)性包套壁厚選擇為10mm。包套材料優(yōu)選不銹鋼，內(nèi)表面光滑，依據(jù)設(shè)計(jì)的尺寸，采用車削加工的方式制作出筒體1及端蓋2，在車削時(shí)筒體1的內(nèi)徑尺寸與坯料3直徑尺寸之間相匹配，保證二者要有一定的間隙，方便坯料3的放入，但間隙不宜過大。筒體1和端蓋2的接觸面的邊緣分別設(shè)有用于焊接的筒體倒角11和端蓋倒角21。

二、包套清洗：筒體1及端蓋2制作完成后借助超聲波在堿性清洗液中清洗包套表面油污。清洗后的包套立即放入清水中沖洗，洗去表面沾著的堿性清洗液。并用電熱吹風(fēng)機(jī)吹干表面的水分，防止包套在空氣中氧化。

三、裝入坯料：在筒體1底部放入紙屑及少許石墨粉，在放入坯料3前在坯料3表面刷高溫防氧化涂料4，在高溫防氧化涂料4保持濕潤(rùn)的狀態(tài)下將坯料3裝入筒體1，坯料3完全裝入筒體1后在坯料3上表面放置紙屑及石墨粉，然后放置好端蓋，包套頂部與坯料3之間及包套底部與坯料3之間的紙屑和石墨粉形成過渡層5。

四、包套焊接：采用氬弧焊接的方法在筒體1與端蓋2接觸處密封，焊縫6借助與筒體倒角11和斷面倒角21。

五、包套等溫鍛造實(shí)驗(yàn)：包套后進(jìn)行等溫鍛造實(shí)驗(yàn)，鍛造溫度范圍在1000℃以上。

本實(shí)施方式步驟一中車削時(shí)在保證尺寸準(zhǔn)確的同時(shí)應(yīng)盡量降低套筒內(nèi)部的表面粗糙度。

本實(shí)施方式步驟三中通過套筒中的紙屑及石墨粉在高溫下反應(yīng)，可以消除整個(gè)包套中的氣體，替代了普通包套制備過程中的抽真空工序，另外石墨在高溫下又可起到潤(rùn)滑作用。

本實(shí)施方式制備的Ti₂AlNb基合金等溫鍛造用包套，有效防止了Ti₂AlNb基合金在等溫鍛造過程中發(fā)生開裂、雙鼓等缺陷，而且通過高溫防氧化涂料和不銹鋼兩道保護(hù)措施避免了高溫變形過程中的坯料的氧化，且包套保溫效果好；另外放入紙屑及石墨粉通過反應(yīng)消耗包套中的氣體，石墨粉在高溫下也起到了潤(rùn)滑作用，相比普通包套過程減少了真空除氣工序，降低了包套制作的成本、提高生產(chǎn)效率，效果顯著，可直接應(yīng)用于Ti₂AlNb基合金等溫鍛造生產(chǎn)。

實(shí)施例3

一種適用于Ti-Al系金屬間化合物等溫鍛造的包套方法。本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施方式中的Ti-Al系金屬間化合物為TiAl基合金，本實(shí)施例的等溫鍛造工藝參數(shù)為：坯料溫度1200℃/2.5h，模具溫度950℃，等溫鍛造應(yīng)變速率為1×10^-2s^-1，變形量60％，等溫鍛造后，帶包套的坯料經(jīng)過1100℃/10h退火。等溫鍛造去除包套后的樣品的照片如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以，一步包套等溫鍛造后，TiAl基合金樣品表面質(zhì)量較好，沒有微裂紋產(chǎn)生。

對(duì)比例1

本實(shí)施方式中的Ti-Al系金屬間化合物為TiAl基合金，采用的等溫鍛造方法為裸鍛，裸鍛后的TiAl基合金的樣品照片如圖5和圖6所示。由圖5可見，未加包套等溫鍛造后，坯料出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象。由圖6可見，未加包套等溫鍛造后，坯料沒有包套的約束，表面出現(xiàn)明顯的微裂紋現(xiàn)象。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的筒體1的厚度為坯料直徑的1/5。

實(shí)施例5

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的筒體1的厚度為坯料直徑的1/20。

實(shí)施例6

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的高溫抗氧化涂料選用市售的K-01型高溫抗氧化涂料。

實(shí)施例7

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的筒體倒角11和端蓋倒角21均為45°倒角。

實(shí)施例8

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的過渡層5為石棉層。

實(shí)施例9

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的過渡層5為石棉層，該石棉層中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1wt.％的石墨粉，石墨粉的粒度為100～200目。

實(shí)施例10

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的過渡層5為紙屑層，該紙屑層中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50wt.％的石墨粉，石墨粉的粒度為200～300目。

實(shí)施例11

本實(shí)施例與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，本實(shí)施例中的過渡層5為紙屑層，該紙屑層中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10wt.％的石墨粉，石墨粉的粒度為200～300目。