CN101294264A - 一种转子叶片用α+β型钛合金棒材制造工艺 - Google Patents

Abstract

一种转子叶片用α+β型钛合金棒材制造工艺，包括如下步骤：1)铸锭加热，进炉后升温至β相变点以上40～60℃，保温10～20个小时；2)铸锭开坯锻造，每次墩拔变形量控制在30％～40％之间；墩拔后在两相区锻造，总变形量大于等于90％；3)回炉加热到相变点以上20～40℃保温，然后水淬；4)水淬后，坯料回炉加热到两相区保温，坯料到温后在径向锻造机上进行两相区锻造，延伸系数控制在1.2～1.3；5)径锻后坯料继续回炉加热到两相区保温，在轧机上进行轧制，轧制温度910～940℃。本发明消除热强两相钛合金低倍组织由热加工引起的花纹以及高倍组织中的β斑点，获得细小均匀的等轴双态组织的两相钛合金小规格棒材。

Description

一种转子叶片用α+β型钛合金棒材制造工艺

技术领域

本发明属于有色金属材料加工领域，具体涉及到一种转子叶片用钛合金棒材的制造工艺。

背景技术

钛及钛合金，具有比强度高和优异的抗腐蚀性能，且密度仅为钢和镍基超合金的一半左右，这些优良的特性使得钛及钛合金广泛成功地应用于航空工业和化学工业，随着经济的发展，在其他领域，例如建筑、化工、医药、能源、深海和近海应用、运动休闲以及交通运输等，钛的应用正在逐渐增大，目前在我国钛合金目前主要还是用在航空航天领域，主要运用于军工业，但随着航空军工业的发展，科学技术水平的提高，对材料的性能提出越来越高的要求，现在飞机的设计准则逐渐由追求刚度强度准则过渡到疲劳和损伤容限设计准则，传统的钛合金加工工艺已不能完全满足航空业对材料的要求，这就要求材料设计者从材料的组织结构出发，根据材料组织和性能之间的联系设计材料的组织，进而开发新的工艺。

钛及钛合金，除了具有比强度高和耐腐蚀性能好两大显著特点外，还具有韧性好、无磁性、熔点高、热膨胀系数低及耐生物腐蚀等优点，α+β型钛合金除具有以上优良的物理特性外，还具有良好的综合性能，其中典型的也是应用最为广泛的两相钛合金为Ti-6Al-4V，因此该类合金广泛应用航空航天及航海领域。在航空领域主要用于飞机结构件以及其他关键零部件，其中用于飞机发动机用的转子叶片对钛合金的组织均匀性具有较高的要求，由于转子叶片是由钛合金棒材经过模锻或等温锻造而制成的锻件，因此对原始棒材的显微组织均匀性和综合性能也提出了较高要求：显微组织应具有均匀等轴的双态组织，并且初生α相的含量要占50～70％；严禁出现局部过热组织或β斑点，超声波探伤水平为φ0.8-12dB。

β斑点在α+β型钛合金以及β钛合金均容易出现，有文献定义β斑点是在α-β显微组织中转变的贫α相区。这一富β相区具有比周围区域较低的β转变点。β斑具有较少的初生α相含量，它的初生α相形貌也可能与周围组织中的初生α相形貌不同。欧洲生产者技术委员会也对β斑点进行了规定；α相(等轴或条状)含量少于基体的20％，定义为β斑点。β斑点的出现会降低钛合金的疲劳性能和断裂韧性，因此在钛合金产品中不允许存在β斑点。造成β斑点出现的根本原因是合金在冶炼过程中的微区成分不均匀所早晨的，由于注定中存在着这种微区成分偏析，在热加工过程中变形热使材料的局部区域温度升高，而存在元素偏析的区域对于基体提前进入β相区，因此就出现了所谓的β斑点。

传统工艺为了破碎铸态组织并得到宏观与微观组织均匀细小的钛合金棒材，一般采用β区开坯，α+β型区锻造，并且锻造温度始终低于前次的温度，最终的几个工序热加工温度都要控制在两相区，这样才能得到两相钛合金的性能和组织的最佳匹配。同时传统工艺为了控制β斑点的出现，从变形温度和热处理的角度进行控制，针对不同钛合金规定锻造和固溶处理的温度上限，并且严格控制温升，这种传统方法技术难度较大且不稳定。我国和前苏联以及60年代的美国均采用上述工艺，但以前的工艺生产的钛合金的组织粗大，平均晶粒尺寸在20～30μm左右，且对不利于钛合金局部过热组织的控制；后来美国在制造钛合金时采用在锻造过程中使用β水淬处理，但没有介绍具体的工艺参数。我公司以前采用了传统的钛合金锻造工艺，由于采用电液锤在两相区锻造，该技术的主要缺点是由于电液锤的锤击速度和力度难以控制，容易造成心部温升，而钛合金的导热性差且微观组织又对热加工温度比较敏感，这样就会造成组织的不均匀性，这种不均匀性在后续的加工过程中难以消除；并且在成品棒材的低倍组织容易出现热加工引起的花纹。

发明内容

本发明的目的是提供一种转子叶片用α+β型钛合金棒材制造工艺，能消除热强两相钛合金低倍组织由热加工引起的花纹以及高倍组织中的β斑点，并能获得细小均匀的等轴双态组织的两相钛合金小规格棒材。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是，

一种转子叶片用α+β型钛合金棒材制造工艺，其包括如下步骤：

1)铸锭加热，铸锭表面均匀涂上耐高温涂料，铸锭进炉后均匀升温至β相变点以上40～60℃，炉内控制微氧化气氛，保温10～20个小时；

2)铸锭开坯锻造，铸锭到温后在快锻机上墩拔，每次墩拔变形量控制在30％～40％之间；墩拔后在两相区锻造，总变形量达90％；锻至坯料规格为140～180方；

3)回炉加热到相变点以上20～40℃进行保温，然后水淬；

4)径向锻造，水淬后，坯料回炉加热到两相区保温，坯料到温后在径向锻造机上进行两相区锻造，每道次延伸系数控制在1.2～1.3；

5)轧制，径锻后坯料继续回炉加热到两相区保温，坯料到温后在轧机上进行轧制，轧制温度控制在910～940℃。

进一步，所述的步骤1中，铸锭加热时低于800℃进炉。

另外，本发明所述的步骤2中，出炉水淬操作时间不超过30秒。

具体地，在本发明中，

1)铸锭均匀化处理：铸锭表面均匀涂上耐高温涂料，铸锭进炉后均匀升温至β相变点以上40～60℃，炉内控制微氧化气氛(钛合金的加热要求炉内气氛为微氧化，一般气氛中氧含量小于0.01％，其为常规技术)，保温10～20个小时；铸锭表面涂上涂料是防止钛合金在长时间加热保温过程中表面发生氧化，在高温下长时间保温可以使铸锭中合金元素通过扩散进行成分再分配，消除铸锭结晶时造成的枝晶成分偏析。

2)铸锭在β区开坯及变形量控制：到温后在快锻机上墩拔，每次墩拔变形量控制在30％～40％之间，墩拔后在两相区锻造，总变形量达90％；α-Ti属于六方晶体结构，滑移系数只有3个，不易变形。β-Ti属于体心立方晶体结构，滑移系数有12个，塑性较好，容易变形。因此开坯选择在β区加工，但由于钛合金过热倾向大，高温加热将引起晶粒急剧长大，若变形量过大，变形热也会使晶粒长大，起不到充分破碎铸态晶的效果，变形量控制在30％～40％之间可以很好地发生再结晶。而在两相区锻造却要采用大的变形量才能很好的破碎原始β晶界。

3)β水淬处理：锻至坯料规格为140～180方，回炉加热到相变以上20～40℃进行保温后水淬；材料在较高温度保温使变形过的材料内部组织进行充分的恢复和再结晶，水淬可以防止再结晶晶粒的长大，并且可以在材料内部形成较多的缺陷，给后续变形过程再结晶提供更多的形核位置，从而进一步细化晶粒；

4)坯料的径锻以及延伸系数的控制：水淬后坯料回炉加热到两相区保温，坯料到温后在径锻机上进行两相区锻造，每道次延伸系数控制在1.2～1.3；径锻机上四个锤头沿棒材直径方向同时锻造，能够进行均匀变形，延伸系数过小会造成锻造变形不透，延伸系数过大会造成钛合金组织织构，因此每道次延伸系数最好控制在1.2～1.3。

本发明的有益效果

本发明大胆突破传统工艺技术的观念，将钛合金铸锭在高温下进行长时间保温，进行均匀化处理以消除铸锭中枝晶间的微观偏析。传统技术认为钛合金铸锭不易进行长时间高温保温，是因为钛合金表面氧化造成致密氧化层，该氧化层在后续的热加工中渗入材料内部会造成微裂纹源。在本发明中采用耐高温涂料保护不仅可以防止钛合金的表面氧化而且可以消除微观偏析，并且将锻造开坯的前两火变形量控制在30％～40％之间，并在中间坯阶段进行β水淬处理。本发明可以消除以前工艺中容易造成的质量缺陷，并可以细化晶粒提高组织均匀性和成材率。本发明经反复试验和生产条件的生产，证明该方法稳定可靠，简单易行，可用于生产用于制造转子叶片的小规格两相钛合金棒材，提高成材率。

附图说明

图1为采用传统工艺生产的不合格TC6钛合金的棒材组织照片；

图2为采用传统工艺生产的合格TC6钛合金的棒材组织照片；

图3为本发明工艺生产的TC6钛合金的棒材组织照片。

具体实施方式

下面以TC6为例通过实施例进一步详细说明本发明：

实施例1

铸锭表面均匀涂上专用涂料，然后在微氧化气氛炉中进行成分均匀化处理，低于800℃进炉，预热30分钟，然后以100℃/小时均匀升温至相变点以上40℃，保温13个小时；采用快锻机进行β区采用墩拔工艺开坯，之后在910℃锻造至160八角，将160八角棒坯在相变点以上20℃保温4个小时，出炉后马上水淬，操作时间不超过30秒；之后采用径向锻造机在锻造，锻造温度为900℃，变形量控制在30～50％，每道次的延伸系数控制在1.2～1.3，锻造至90方，最后在轧机上轧至φ28mm棒材，轧制温度为910℃，得到的成品棒材的性能列于表1中。

实施例2

铸锭表面均匀涂上专用涂料，然后在微氧化气氛炉中进行成分均匀化处理，低于800℃进炉，预热30分钟，然后以100℃/小时均匀升温至相变点以上50℃，保温15个小时；采用快锻机进行β区采用墩拔工艺开坯，之后在920℃锻造至180八角，将180八角棒坯在相变点以上30℃保温5个小时，出炉后马上水淬，操作时间不超过30秒；之后采用径向锻造机在锻造，锻造温度为910℃，变形量控制在30～50％，每道次延伸系数控制在1.2～1.3，锻造至110方，最后在轧机上轧至φ32mm棒材，轧制温度为920℃，得到的成品棒材的性能列于表1中。

实施例3

铸锭表面均匀涂上专用涂料，然后在微氧化气氛炉中进行成分均匀化处理，低于800℃进炉，预热30分钟，然后以100℃/小时均匀升温至相变点以上60℃，保温17个小时；采用快锻机进行β区采用墩拔工艺开坯，之后在930℃锻造至190八角，将190八角棒坯在相变点以上40℃保温6个小时，出炉后马上水淬，操作时间不超过30秒；之后采用径向锻造机在锻造，锻造温度为920℃，变形量控制在30～50％，每道次延伸系数控制在1.2～1.3，锻造至120方，最后在轧机上轧至φ36mm棒材，轧制温度为930℃，得到的成品棒材的性能列于表1中。

实施例4

铸锭表面均匀涂上专用涂料，然后在微氧化气氛炉中进行成分均匀化处理，低于800℃进炉，预热30分钟，然后以100℃/小时均匀升温至相变点以上60℃，保温19个小时；采用快锻机进行β区采用墩拔工艺开坯，之后在940℃锻造至190八角，将190八角棒坯在相变点以上40℃保温6个小时，出炉后马上水淬，操作时间不超过30秒；之后采用径向锻造机在锻造，锻造温度为930℃。变形量控制在30～50％，每道次延伸系数控制在1.2～1.3，锻造至120方，最后在轧机上轧至φ38mm棒材，轧制温度为940℃，得到的成品棒材的性能列于表1中。

表1TC6棒材力学性能

从上述表1中可以看出，

材料的组织均匀性除了跟冶炼的成分均匀性有关，还与后期的加工处理工艺密切相关，传统的两相钛合金加工工艺，且采用电液锤锻造，该锻造工艺可控性差，造成整个工艺稳定性差，且组织组织粗大，平均晶粒尺寸在20～30μm左右，有时甚至会出现局部过热组织(β斑点)。在本发明中采用的工艺简单可行，稳定性较好，并可以大大提高产品的成材率，采用该工艺后成材率由原来的65％提高到79％，得到的棒材的组织为均匀细小的等轴双态组织，平均晶粒度为1～5μm，该工艺可以运用于所有用于航空零部件的α+β型钛合金棒材的生产。

参见图1、图2，为为采用老工艺和新工艺生产的TC6钛合金的高低倍组织照片对比，图1是传统工艺生产的部分不合格棒材的高低倍组织照片，图2是传统工艺生产合格棒材的高低倍组织照片，以前工艺生产的部分TC6棒材的宏观照片有热加工引起的花纹，严重的高倍会出现过热组织(如图1的高倍照片所示)，正常的棒材组织也比较粗大，且组织均匀性不是很好。

参见图3，本发明工艺生产的TC6钛合金棒材的宏观组织没有出现由于热加工引起的花纹，高倍组织全部为均匀细小的等轴双态组织。

Claims (3)

1.一种转子叶片用α+β型相钛合金棒材制造工艺，其包括如下步骤：

1)铸锭加热，铸锭表面均匀涂上耐高温涂料，铸锭进加热炉后均匀升温至β相变点以上40～60℃，炉内控制微氧化气氛，保温10～20个小时；

2)铸锭开坯锻造，铸锭到温后在快锻机上墩拔，每次墩拔变形量控制在30％～40％之间；墩拔后在两相区锻造，总变形量大于等于90％；锻至坯料规格为140～180方；

3)回炉加热到相变点以上20～40℃进行保温，然后水淬；

4)径向锻造，水淬后，坯料回炉加热到两相区保温，坯料到温后在径锻机上进行两相区锻造，每道次延伸系数控制在1.2～1.3；

5)轧制，径锻后坯料继续回炉加热到两相区保温，坯料到温后在轧机上进行轧制，轧制温度控制在910～940℃。

2.如权利要求1所述的转子叶片用α+β型钛合金棒材制造工艺，其特征是，所述的步骤1中，铸锭加热时低于800℃进炉。

3.如权利要求1所述的转子叶片用α+β型钛合金棒材制造工艺，其特征是，所述的步骤2中，出炉水淬操作时间不超过30秒。

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