本發(fā)明涉及一種TiAl合金板材的軋制裝置及熱軋方法，尤其是指一種軋制大尺寸的TiAl合金板材的熱軋裝置及其熱軋方法。

背景技術(shù)：

TiAl合金是一種新型輕質(zhì)耐熱結(jié)構(gòu)材料，比重不到鎳基合金的50％，使用溫度可達(dá)700℃-900℃，具有輕質(zhì)、高強、耐蝕、耐磨、耐高溫等性能優(yōu)點，逐漸成為航空、航天等領(lǐng)域重要的備選材料。TiAl合金的板材除了有望直接用作結(jié)構(gòu)材料外，還可以用作超塑性成形的預(yù)成形材料，并用于制作近凈成形航空、航天發(fā)動機(jī)的零部件以及超高速飛行器的翼、殼體等。

TiAl合金板材的制備主要有鑄錠冶金法和粉末冶金法。鑄錠冶金法制備是先熔煉制備TiAl合金鑄錠，隨后采用熱等靜壓和均勻化退火處理，然后鍛造細(xì)化鑄造組織，最后進(jìn)行軋制。奧地利Plansee AG公司在鑄錠冶金法基礎(chǔ)上發(fā)明了一種先進(jìn)的TiAl合金板材軋制技術(shù)(ASRP)，成功軋制出TiAl合金板材的最大尺寸可達(dá)1800mm×500mm×1mm。國內(nèi)北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位開展了鑄錠冶金法TiAl合金板材制備研究，分別軋制出尺寸為360mm×100mm×3.5mm的高鈮TiAl合金板材和700mm×200mm×2mm的β-γ-TiAl合金板材。粉末冶金法是將Ti和Al元素混合粉經(jīng)過壓制、擠壓、軋制等加工過程近凈成形為混合粉板材，成形后的板材在隨后的燒結(jié)、熱壓或熱等靜壓過程中通過活化反應(yīng)生成TiAl合金，或者預(yù)合金化粉末熱等靜壓固結(jié)后再進(jìn)行熱軋。國內(nèi)中南大學(xué)等單位開展了末冶金法TiAl合金板材制備研究，其尺寸相對較小。如上所述，國內(nèi)所軋制的TiAl合金板材尺寸較小，與國外還存在較大差距。因此，非常有必要開展大尺寸TiAl合金板材制備技術(shù)的研究。

到目前為止，TiAl合金制備技術(shù)中存在的問題仍然沒有得到很好的解決，特別是采用熱軋工藝制備板材時很容易開裂，使得到大尺寸、高質(zhì)量板材非常困難。原因一方面主要是TiAl合金屬于難變形合金，不適合高溫軋制成形。另一方面是TiAl合金變形溫度窗口非常窄，近等溫包套軋制工藝的控制較難。為了減少軋制過程中板坯的溫降，通常采用包套的方式軋制，道次間回爐保溫。如鑄錠冶金法(中國專利CN201410035393.X公開的“一種高鈮TiAl基合金板材的制備方法”和中國專利申請CN201610265054.X公開的“一種均勻組織的TiAl合金板材的制備方法”)和粉末冶金法(中國專利申請CN201010144977.2公開的“一種TiAl基合金軋制板材的制備方法”和中國專利CN201210131206.9公開的“一種粉末冶金超細(xì)晶TiAl基合金板材的制備方法”)。但是，上述方法均采用包套方式進(jìn)行低速軋制，無法避免TiAl合金板材沿軋制方向所產(chǎn)生的溫度梯度和板材邊緣的溫降，尤其是大尺寸TiAl板材。同時，板材與軋輥接觸使板材表面溫度急劇下降。此外，道次間將大尺寸TiAl合金板坯或板材出爐時存在一定的溫降，從爐中取出或回爐保溫也給操作帶來了困難。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種TiAl合金板材熱軋裝置及熱軋方法，能夠有效解決TiAl合金板材軋制過程中的溫降及操作困難等問題，尤其是大尺寸TiAl合金板材。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種TiAl合金板材熱軋裝置，該熱軋裝置包括以下部件：輥道，還依次包括設(shè)置于輥道旁的第二加熱爐、所述輥道上的第一加熱爐、軋機(jī)前保溫罩、熱軋機(jī)、軋機(jī)后保溫罩和輥底式隧道熱處理爐；

第一加熱爐為輥底式隧道加熱爐；

軋機(jī)前保溫罩和軋機(jī)后保溫罩分別位于熱軋機(jī)的入口側(cè)和出口側(cè)；

輥底式隧道熱處理爐依次包括高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)。

在上述裝置中，優(yōu)選地，各個部件之間設(shè)有一定的間距。

在上述裝置中，優(yōu)選地，第二加熱爐與第一加熱爐的間距為1m-10m；第一加熱爐與軋機(jī)前保溫罩的間距為0.1m-2m；軋機(jī)前保溫罩與熱軋機(jī)的間距為0.5m-5m；熱軋機(jī)與軋機(jī)后保溫罩的間距為0.5m-5m；軋機(jī)后保溫罩與輥底式隧道熱處理爐的間距為0.1m-2m。

在上述裝置中，優(yōu)選地，熱軋機(jī)包括工作輥、第二加熱裝置和兩個導(dǎo)位裝置；

工作輥用于進(jìn)行板材的軋制，其至少包括一個上工作輥和一個下工作輥，上工作輥與下工作輥上下對應(yīng)設(shè)置以配合使用，且下工作輥的上表面與輥道的上表面位于同一水平面上；

第二加熱裝置設(shè)置在所述上工作輥和下工作輥附近，用于對工作輥進(jìn)行連續(xù)在線加熱；第二加熱裝置的加熱方式為連續(xù)在線高頻感應(yīng)加熱，能夠?qū)⑸瞎ぷ鬏伜拖鹿ぷ鬏伇砻鏈囟燃訜岬?00℃-600℃并予以保持；

兩個導(dǎo)位裝置分別位于熱軋機(jī)的入口處和出口處，以便板坯或軋件按既定的方向和狀態(tài)準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地進(jìn)入和導(dǎo)出軋輥。

在上述裝置中，優(yōu)選地，被加熱的上工作輥和下工作輥的輥面長度為其輥身長度的90％-95％。

在上述裝置中，優(yōu)選地，第一加熱爐的頂部及兩側(cè)安裝有若干第一加熱裝置；輥底式隧道熱處理爐的各溫區(qū)的頂部及兩側(cè)安裝有若干第一加熱裝置，其中，第一加熱裝置為任意的可以進(jìn)行加熱的裝置，對第一加熱裝置的數(shù)量也不作限制；

熱軋機(jī)為四輥可逆式軋機(jī)，且每個工作輥均配有正負(fù)彎輥。

在上述裝置中，優(yōu)選地，輥道包括爐內(nèi)輥道和爐外輥道；

爐內(nèi)輥道包括若干個輥道組，其中，各輥道組間能夠單獨轉(zhuǎn)動或至少兩組聯(lián)動，每個輥道組均能夠正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動速度為0.2m/min-2m/min；

爐外輥道包括若干個輥道組，熱軋機(jī)入口側(cè)和出口側(cè)的爐外輥道分別能夠單獨正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動速度為2m/min-20m/min；其中，輥道組包括2-7根輥道。

本發(fā)明還提供一種TiAl合金板材的熱軋方法，該熱軋方法包括如下步驟：

(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溫氧化涂層；

(2)加熱：將TiAl合金板坯放置在第二加熱爐中加熱，出爐后經(jīng)輥道運送入第一加熱爐中，再次加熱并保溫；

(3)預(yù)熱工作輥：在TiAl合金板坯出第一加熱爐前，通過第二加熱裝置對熱軋機(jī)的上工作輥和下工作輥的表面進(jìn)行預(yù)熱；

(4)軋制：經(jīng)步驟(2)后的TiAl合金板坯達(dá)到正向軋制的溫度后，將其運送至熱軋機(jī)上正向軋制，隨后進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐的高溫區(qū)，加熱并保溫，達(dá)到逆向軋制的溫度后，出爐并于熱軋機(jī)中逆向軋制，再次進(jìn)入第一加熱爐中，加熱并保溫，將這個過程稱為一個軋制回程，經(jīng)多個軋制回程將TiAl合金板坯軋制成目標(biāo)厚度的板材；

(5)冷卻：將板材依次經(jīng)過輥底式隧道熱處理爐的高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)，進(jìn)行冷卻，完成熱軋過程。

在上述方法中，優(yōu)選地，步驟(2)中，在第二加熱爐中加熱是加熱至1100℃-1200℃，保溫的時間為20min-60min。

在上述方法中，優(yōu)選地，步驟(3)中，預(yù)熱是加熱至300℃-600℃。對上工作輥和下工作輥進(jìn)行預(yù)熱能夠避免軋制時板坯或軋件表面與低溫的輥面接觸造成板坯或軋件的急劇溫降。

在上述方法中，優(yōu)選地，步驟(4)中，軋制至少為1道次，正向和逆向的軋制溫度為γ+α兩相區(qū)或γ+α+β三相區(qū)，保溫時間為5min-20min，其中，不同成分體系的TiAl合金具有不同的γ+α兩相區(qū)或γ+α+β三相區(qū)，即不同成分體系的TiAl合金，正向軋制的溫度和逆向軋制的溫度是不同的。

在上述方法中，優(yōu)選地，步驟(5)中，高溫區(qū)的爐溫高于1000℃，優(yōu)選為1000℃-1350℃；中溫區(qū)的爐溫為650℃-1000℃；低溫區(qū)的爐溫小于650℃。

在上述方法中，優(yōu)選地，在加熱和保溫過程中，爐內(nèi)輥道保持0.2m/min-2m/min速度進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。爐內(nèi)輥道保持低速正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，能夠消除板坯下表面黑印，保證溫度均勻性。

在上述方法中，優(yōu)選地，如果板坯經(jīng)正向軋制后達(dá)到逆向軋制的溫度，則直接逆向軋制，并進(jìn)入第一加熱爐中加熱和保溫，無需進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐中加熱。

在上述方法中，優(yōu)選地，如果板坯經(jīng)逆向軋制后達(dá)到正向軋制的溫度，則直接正向軋制，并進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐的高溫區(qū)中加熱和保溫，無需進(jìn)入第一加熱爐中加熱。

在上述方法中，優(yōu)選地，保溫的時間為5min-20min。

在上述方法中，優(yōu)選地，軋制第一塊板坯時，下一塊板坯進(jìn)入第一加熱爐中加熱和保溫，當(dāng)?shù)谝粔K板坯軋制后進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐的高溫區(qū)中加熱和保溫時，下一塊板坯進(jìn)入熱軋機(jī)軋制，即可以兩塊或多塊板坯進(jìn)行交替加熱、保溫與軋制。

本發(fā)明提供的TiAl合金板材熱軋裝置采用緊湊式布置，TiAl合金板材熱軋方法采用在線保溫方法，具有如下有益效果：

1.不僅縮短了板坯或軋件在爐外運送時間，而且在板坯或軋件頭部進(jìn)軋機(jī)時，軋件中間和尾部仍在保溫罩中；

2.與板坯或軋件直接接觸的工作輥被加熱，故此發(fā)明生產(chǎn)TiAl合金板材可顯著降低其三維方向(軋向-長度方向，橫向-寬度方向，厚度方向)的溫度梯度，并省略了傳統(tǒng)的包套步驟；

3.可軋制大尺寸TiAl板材；

4.能夠提高TiAl板材的表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1為實施例1中提供的TiAl合金板材熱軋裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例2中提供的TiAl合金板材熱軋方法的流程圖。

主要附圖符號說明：

1第二加熱爐，2爐外輥道，3第一加熱爐，41第一加熱裝置，42第二加熱裝置，51軋機(jī)前保溫罩，52軋機(jī)后保溫罩，6熱軋機(jī)，71上工作輥，72下工作輥，8導(dǎo)位裝置，9輥底式隧道熱處理爐，10爐內(nèi)輥道。

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。

實施例1

本實施例提供了一種TiAl合金板材熱軋裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置包括輥道，以及依次設(shè)置于輥道旁的第二加熱爐1、第一加熱爐3、軋機(jī)前保溫罩51、熱軋機(jī)6、軋機(jī)后保溫罩52和輥底式隧道熱處理爐9；

輥道包括爐內(nèi)輥道10和爐外輥道2，其中，爐內(nèi)輥道10包括若干個輥道組(每個輥道組包含5根輥道)，其中，各輥道組間可以單獨轉(zhuǎn)動或至少兩組聯(lián)動，每個輥道組均可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動速度為0.6m/min；熱軋機(jī)前后的爐外輥道2分別均可單獨轉(zhuǎn)動，可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動速度為12m/min；

第二加熱爐1與第一加熱爐3的間距為2m；

第一加熱爐3為輥底式隧道加熱爐，內(nèi)安裝有若干第一加熱裝置41(安裝于第一加熱爐3內(nèi)的頂部及兩側(cè)，在使用過程中，頂部及兩側(cè)的第一加熱裝置41分別垂直于板坯的上表面和側(cè)表面)，且與軋機(jī)前保溫罩51的間距為0.1m；

熱軋機(jī)6為四輥可逆式軋機(jī)，工作輥輥身長度為1450mm，且每個工作輥均配有正負(fù)彎輥，正負(fù)彎輥力為-200KN至+200KN，該熱軋機(jī)6包括一個上工作輥71、一個下工作輥72、導(dǎo)位裝置8、第二加熱裝置42，其中，上工作輥71與下工作輥72上下對應(yīng)設(shè)置以配合使用，且下工作輥72的上表面與輥道2的上表面位于同一水平面上；

第二加熱裝置42設(shè)置在上工作輥71與下工作輥72的附近，用于對工作輥進(jìn)行連續(xù)在線加熱，被加熱的輥面長度為其輥身長度的90％；第二加熱裝置42的加熱方式為連續(xù)在線高頻感應(yīng)加熱，利用高頻感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)對工作輥進(jìn)行加熱；

兩個導(dǎo)位裝置8分別位于熱軋機(jī)6的入口處和出口處；

軋機(jī)前保溫罩51和軋機(jī)后保溫罩52分別位于熱軋機(jī)6的入口側(cè)和出口側(cè)，且與熱軋機(jī)6的間距均為0.5m；保溫罩主要用于對運送中的板坯或是軋制過程中的板坯的中尾部進(jìn)行保溫；

輥底式隧道熱處理爐9，與軋機(jī)后保溫罩52的間距為0.1m，其依次包括高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)，其中，于輥底式隧道熱處理爐9內(nèi)對應(yīng)各溫區(qū)的位置安裝有若干第一加熱裝置41(分別安裝于輥底式隧道熱處理爐9內(nèi)對應(yīng)各溫區(qū)的頂部及兩側(cè)，在使用過程中，頂部及兩側(cè)的第一加熱裝置41分別垂直于板坯的上表面和側(cè)表面)。

在上述裝置中，第一加熱爐3以及輥底式隧道熱處理爐9的高溫區(qū)的爐溫均控制在1230℃-1270℃。

實施例2

本實施例提供一種TiAl合金板材熱軋方法，該方法采用實施例1的裝置進(jìn)行，具體流程如圖2所示。該方法包括以下步驟：

(1)原料提供：提供Ti-43.5Al-4Nb-1Mo-0.1B(at.％)合金(簡稱：TNM合金)板坯，在該合金板坯的表面涂上抗高溫氧化涂層；

(2)加熱：將TNM合金板坯放置在第二加熱爐1中，加熱至1180℃，出爐后經(jīng)輥道2運送入第一加熱爐3中，加熱到1255℃(正向軋制的溫度)，保溫30min；

(3)預(yù)熱工作輥：在TNM合金板坯出第一加熱爐3前，通過連續(xù)在線高頻感應(yīng)加熱裝置將熱軋機(jī)6的上工作輥71和下工作輥72的表面溫度加熱至500℃-560℃；

(4)軋制：將經(jīng)步驟(2)后的加熱到1255℃的TNM合金板坯運送至熱軋機(jī)6上正向軋制1道次，隨后進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐9的高溫區(qū)，加熱到1255℃(逆向軋制的溫度)，保溫10min后出爐并于熱軋機(jī)6中逆向軋制1道次，再進(jìn)入第一加熱爐中加熱保溫，經(jīng)多個軋制回程將TNM合金板坯軋制成目標(biāo)厚度板材，板材厚度為2mm；加熱和保溫過程中，爐內(nèi)輥道10保持0.6m/min速度進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；

(5)冷卻：將TNM合金板材依次經(jīng)輥底式隧道熱處理爐9的高溫區(qū)、中溫區(qū)和低溫區(qū)(高溫區(qū)的爐溫為1000℃-1350℃；中溫區(qū)的爐溫為650℃-1000℃；低溫區(qū)的爐溫小于650℃)，進(jìn)行冷卻，完成熱軋板材的軋制過程；

軋制第一塊TNM合金板坯時，第二塊TNM合金板坯進(jìn)入第一加熱爐3中加熱和保溫，當(dāng)?shù)谝粔K板坯軋制后進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐9的高溫區(qū)加熱和保溫時，第二塊TNM合金板坯進(jìn)入熱軋機(jī)6進(jìn)行軋制，兩塊TNM合金板坯進(jìn)行交替加熱、保溫與軋制。

在上述熱軋方法中，如果TNM合金板坯經(jīng)正向軋制后達(dá)到逆向軋制的溫度，則直接逆向軋制，并進(jìn)入第一加熱爐3中加熱和保溫10min-20min，無需進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐9中加熱。

在上述熱軋方法中，如果TNM合金板坯通過逆向軋制后達(dá)到正向軋制的溫度，則直接正向軋制，并進(jìn)入輥底式隧道熱處理爐9的高溫區(qū)加熱和保溫10min-20min，無需進(jìn)入第二加熱爐1中加熱。

通過上述熱軋方法，可制備出表面質(zhì)量良好、性能優(yōu)異的大尺寸TNM合金板材。