CN101580923B - 改善tc4钛合金铸锭性能的锻造方法 - Google Patents

Abstract

一种金属锻造技术领域的改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，包括将煤气发生炉的炉温升后将铸锭装炉并保温始锻，制成待锻坯；对待锻坯进行宽砧拔长变形；将锻件进行退火处理，最后置于空气中冷却至室温制成轧坯。本发明将带有清晰粗晶的大规格钛合金锭，锻成低倍组织明显改善的自由锻轧制坯，明显改善了长径比大的自由锻件的高倍组织。可在坯料断面减少不多的情况下，使得断面由内向外各处都得到了足够的变形，对于高径比大的铸坯可以节约昂贵的钛合金原材料。

Description

改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属锻造技术领域的方法，具体是一种改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法。

背景技术

钛合金大规格锭低倍晶粒粗大且不均匀，高倍组织中分布有大块α或条状的α和/或魏氏组织等缺陷。α+β型钛合金锻件一般不在β单相区锻造。只有铸锭和大尺寸坯料的开坯，对锻件的最终组织和性能不起决定性作用的，为提高塑性并减小变形抗力，使铸造组织得到充分破碎，应该进行高温锻造。但是，如果没有合适的工艺或充分的大变形量，这些缺陷就有可能遗传到随后轧制的板材中，造成杯突试验不合格，不能交付，或虽已交付，在冲压过程中造成冲件破裂，遭到退货，给企业带来巨大损失。为了控制由钛合金大规格铸锭锻成的锻件组织、性能，许多研究者开展了众多的研究。有的提出大变形后水冷细化TC4组织的方法，但只适合规格较小的棒材。很多文献中提到改锻工艺，多限于长径比小于3、能进行镦粗的锻件。而对于那些长径比大于3大断面自由锻件，无法实施能有效破碎块状α及条状α相的镦——拔交替变形，只能进行拔长变形。长期以来一直未能找到有效改善这种长轴类锻件组织均匀性的工艺，通常降级使用。

经过对现有技术的检索发现，专利申请号01131237.8，公开号CN1403622A，记载了一种钛合金准β锻造工艺。β锻造是α型和α+β型钛合金在其相变温度以上的β区进行锻造的工艺方法。坯料在β相变点(T_β)以下20～40℃，即T_β-(20～40)℃预热，然后迅速随炉升温至T_β-10℃～T_β+20℃短时加热后锻造、模锻或轧制，锻后迅速水冷或空冷。需要进行二火以上锻造时，加热温度为T_β-(20～40)℃，锻后迅速水冷或空冷。β锻可显著降低变形能、提高生产率；β锻还可以提高锻件的断裂韧性。但该技术不易控制锻件的α相和β相的比例，导致锻件室温拉伸延伸率较低，且分散度增大。

又经检索发现，专利申请号200810097521.8，公开号CN101270461A，记载了一种钛合金β锻造工艺参数优化方法，通过提出经验公式根据设计要求的锻件不同力学性能指标，获得最佳的模锻工艺窗口，确定分段加热的β锻温度和加热系数。但该技术操作复杂，难以实际实施，其锻后的结果并非理想，金相组织中，难以见到α等轴晶粒，而α+β锻造的α等轴晶粒达到50％；塑性指标中，β锻造的断面缩减率仅有10～20％，而α+β锻造的断面缩减率可达30～40％。详见下表。

工艺名称	金相组织中α等轴晶粒占比重/％	断面收缩率/％	缺口试样与光滑试样强度比
				α+β锻造	50	30～40	1∶1.08
β锻造	0	10～20	1∶1.15

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，通过改善长径比大的自由锻件的高倍组织，可在坯料断面减少不多的情况下，使得断面由内向外各处都得到了足够的变形，从而为获得良好的金相组织和力学性能创造了条件。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体包括以下步骤：

第一步：将煤气发生炉的炉温升至750℃～800℃时将圆柱形铸锭装炉并保温90分钟均温，然后升温加热到1150±10℃，最后保温60分钟始锻，制成待锻坯。

在煤气发生炉中总的加热时间如下：

$\frac{D}{2}+20\≤\mathrm{\τ}\≤\frac{D}{2}+40$

其中：τ为总的加热时间，单位为分钟；D为铸锭直径，单位为mm。

所述的煤气发生炉中为微氧化气氛。即空气消耗系数n＝1时的理论空气需要量，在炉内导入少量的过剩空气n＝1.03～1.05，就能保证炉内燃料达到完全燃烧，保证炉内保持微氧化气氛。

第二步：对待锻坯进行宽砧拔长变形，将锻件的横断面由圆形→方断面→六边形断面→矩形断面的顺序进行拔长，具体步骤如下：

a)锻砧的砧宽W与铸锭的原始高度h₀之比 $\frac{W}{h_0}=0.7,$ 对铸坯进行四方断面拔

长，使心部较大的原始β晶粒破碎，制成四方形断面的锻坯；

所述的四方断面拔长是指：对铸锭进行沿着长度方向、每次压下量15～25mm的拔长处理；

b)将四方形断面的锻坯沿四方断面的一根对角线方向锻造而形成六边形断面，将六边形断面的锻坯翻转90°后再沿四方断面的另一根对角线锻造后制成八边形锻坯；

c)将八边形锻坯沿着与锻造砧上下平面垂直的方向翻转锻造，形成六方形断面的锻坯并进行六方断面拔长，最后再以矩形断面拔长促使大小变形区轮番在坯料的中心和边缘转移制成锻件；

所述的六方断面拔长是指：每次拔长后的断面为正六边形。

所述的矩形断面拔长是指：每次拔长后的断面为矩形。

第三步：然后将锻件置于750℃～800℃的炉温下保温60分钟退火处理，最后置于空气中冷却至室温制成轧坯。

现有技术中直接采用六方断面拔长，则由于变形剧烈区只能落在圆形铸锭的

以外，很难达到中心区域，致使中心区域锻不透。这是因为直接采用六边形断面拔长时，锻造时压下量不可能象四方断面那样大，致使锻后中心区域的低倍组织仍保留着清晰晶。本发明将带有清晰粗晶的大规格钛合金锭，锻成低倍组织明显改善的自由锻轧制坯，明显改善了长径比大的自由锻件的高倍组织。可在坯料断面减少不多的情况下，使得断面由内向外各处都得到了足够的变形，对于高径比大的铸坯可以节约昂贵的钛合金原材料。

附图说明

图1为铸锭加热曲线示意图；

图2为拔长过程示意图；

图3为实施例中自由锻件的低倍组织示意图；

图4为实施例中自由锻件的高倍组织示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例采用φ420mm，长度为2m的铸锭，铸锭其组分为：5.8～6.5％Al、3.9～4.2％V、0.12％Fe、＜0.15％Si、0.08％C、＜0.02％N、＜0.01％H、＜0.15％O以及余量为Ti，α+β/β的转变温度为990℃。

第一步：将圆柱形铸锭在煤气发生炉中升温加热至1150℃±10℃，升温加热时间如下：

$\frac{D}{2}+20\≤\mathrm{\τ}\≤\frac{D}{2}+40$

其中：τ为总的加热时间，单位为分钟；D为铸锭直径，单位为mm。

如图1所示，为铸锭加热曲线示意图，其中：区域A表示当煤气发生炉的炉温达到750℃～800℃时装炉，区域B表示在800℃环境下保温90分钟均温，区域C表示用90分钟升温加热时间到1150℃，最后保温60分钟始锻，制成待锻坯。

所述的煤气发生炉中为微氧化气氛。煤气炉的加热气氛是通过调节空气与燃料的配给量来实现的：当空气过量时为氧化性气氛，当空气量不足时为还原性气氛，当空气微过量时为微氧化性气氛。

第二步：在4吨电液自由锻锤上对待锻坯进行宽砧拔长变形，将待锻坯的横断面由圆形断面→方断面→六边形断面→矩形断面的顺序进行拔长，具体步骤如下：

a)锻砧的砧宽W与铸锭的原始高度h₀之比 $\frac{W}{h_0}=0.7,$ 对铸坯进行四方断面拔长，使心部较大的原始β晶粒破碎，制成四方形断面的锻坯；

如图2a和图2b所示，为砧宽比对中心压实区的影响。在宽砧上拔长，轴向伸长较小，横向展宽相对较大，先进行四方断面拔长，可有效地锻透心部。图中，h₁为由原始坯料高度h₀经一次压缩后的坯料的高度。

图2a使用窄砧压缩后锻坯示意图，由图可见，中心部位没有锻透；

图2b使用宽砧压缩，中心就没有未锻透的盲区。

b)将四方形断面的锻坯沿四方断面的一根对角线方向锻造而形成六边形断面，将六边形断面的锻坯翻转90°后再沿四方断面的另一根对角线锻造后制成八边形锻坯；

如图2c所示，为形成六方断面时各变形区改变情况，其中：a、b、c、d分别表示形成六边形断面之前四方形断面的锻坯的4个顶点，ac则表示锻成六边形断面后，由正方形的边的直线段变成折线段六边形顶点，以此类推制成八边形锻坯。

c)将八边形锻坯沿着与锻造砧上下平面垂直的方向翻转锻造，形成六方形断面的锻坯并进行六方断面拔长，由于六边形断面不可能有四方断面那样大的压下量，因此，其大变形区必然向靠近坯料边缘的部位转移，而这恰恰是原来四方断面拔长时的难变形区或小变形区，最后再以矩形断面拔长促使大小变形区轮番在坯料的中心和边缘转移制成锻件；

所述的六方断面拔长是指：每次拔长后的断面为正六边形。

所述的矩形断面拔长是指：每次拔长后的断面为矩形。

如图2d所示，为六方断面锻成八边形断面拔长时各变形区改变情况：图中所示的P1和P2方向是指与锻造砧上下平面垂直的方向；图中所示交叉线表示本次和前一次变形时的难变形区如②；图中所示空白处表示本次和上一次变形时的易变形区如I II IIIIV；图中所示s、s₁表示由六边形变成八边形时形成的摩擦锥轮廓线。

第三步：然后将锻件置于750℃～800℃的炉内保温60分钟退火处理(板坯厚度为80mm)，然后置于空气中冷却至室温，制成轧坯。

如图3所示，为本实施例中自由锻件的低倍组织；

如图4所示，为本实施例中自由锻件的高倍组织，本方法实施后该TC4钛合金自由锻件的纵向横向室温拉伸性能如下：

表1TC4钛合金自由锻件的拉伸性能

	σ<sub>b</sub>(MPa)	σ<sub>0.2</sub>(MPa)	δ(％)	ψ(％)
					纵向	925～915	885～895	14～16	46～50
横向	915～950	865～900	13～14	40～47
					标准	≥895	≥825	≥10	≥25

从图3可以看到所锻锻件的低倍组织在整个视场上均为模糊晶，而铸造钛锭为大晶粒的清晰晶。本实施例将带有清晰粗晶的大规格钛合金锭，锻成低倍组织明显改善的自由锻轧制坯，明显改善了长径比大的自由锻件的高倍组织。采用四方断面拔长后再行六边形断面的拔长方法，可在坯料断面减少不多的情况下，使得断面由内向外各处都得到了足够的变形，从而为获得良好的金相组织和力学性能创造了条件。对于高径比大的铸坯可以节约昂贵的钛合金原材料，尤其对长轴类大零件，不允许锯断镦粗，其意义更是非同小可。

Claims (7)

1.一种改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将煤气发生炉的炉温升至750℃～800℃时将圆柱形铸锭装炉并保温90分钟均温，然后升温加热到1150±10℃，最后保温60分钟始锻，制成待锻坯；

第二步：对待锻坯进行宽砧拔长变形，将锻件的横断面按照由圆形→方断面→六边形断面→矩形断面的顺序进行拔长；

第三步：然后将锻件置于750℃～800℃的炉温下保温60分钟退火处理，最后置于空气中冷却至室温制成轧坯。

2.根据权利要求1所述的改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，其特征是，第一步中所述的煤气发生炉中总的加热时间如下：

$\frac{D}{2}+20\≤\mathrm{\τ}\≤\frac{D}{2}+40$

其中：τ为总的加热时间，单位为分钟；D为铸锭直径，单位为mm。

3.根据权利要求1或2所述的改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，其特征是，第一步中所述的煤气发生炉中的气氛为微氧化气氛，即空气消耗系数n＝1时的理论空气需要量，在炉内导入少量的过剩空气n＝1.03～1.05以能保证炉内燃料达到完全燃烧并保持微氧化气氛。

4.根据权利要求1所述的改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，其特征是，第二步中所述的宽砧拔长变形，包括以下步骤：

a)锻砧的砧宽W与铸锭的原始高度h₀之比

对铸坯进行四方断面拔长，使心部较大的原始β晶粒破碎，制成四方形断面的锻坯；

b)将四方形断面的锻坯沿四方断面的一根对角线方向锻造而形成六边形断面，将六边形断面的锻坯翻转90°后再沿四方断面的另一根对角线锻造后制成八边形锻坯；

c)将八边形锻坯沿着与锻造砧上下平面垂直的方向翻转锻造，形成六方形断面的锻坯并进行六方断面拔长，最后再以矩形断面拔长促使大小变形区轮番在坯料的中心和边缘转移制成锻件。

5.根据权利要求4所述的改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，其特征是，所述的四方断面拔长是指：对铸锭进行沿着长度方向、每次压下量15～25mm的拔长处理。

6.根据权利要求4所述的改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，其特征是，所述的六方断面拔长是指：每次拔长后的断面为正六边形。

7.根据权利要求4所述的改善TC4钛合金铸锭性能的锻造方法，其特征是，所述的矩形断面拔长是指：每次拔长后的断面为矩形。

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