CN101927312B - Tc4钛合金锻环加工工艺 - Google Patents

Abstract

一种TC4钛合金锻环加工工艺，按照如下步骤实施：(1)、将钛铸锭放入天然气加热炉内，升温至1150℃～1200℃加热，保温180分钟以上，确保整个钛铸锭内外温度一致、均匀；(2)、利用油压机将钛铸锭经过70～80％的变形率，直接开成方坯；(3)、将方坯用带锯锯成小块坯料；(4)、将小块坯料经电阻加热炉三次加热改锻后锻成圆饼；(5)、用冲子在圆饼中心冲孔；(6)、将空心坯料加热至950℃保温120分钟以上后用马杠扩孔；(7)、采用α+β/β相变点温度985℃以下120～200℃的温度下做完全退火，在电阻加热炉内，低于500℃装炉，785℃保温90分钟，空冷。本发明通过合理的锻造工艺将钛铸锭改锻成合格的锻环。

Description

TC4钛合金锻环加工工艺

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，特别是稀贵金属制品的加工工艺。

背景技术

随着钛合金使用的越来越多，许多产品上的很多重要部件逐渐被钛合金替代，最常用的是TC4(Ti-6Al-4V)，这是产品提高性能，升级换代，赶超世界先进的需要。目前的钛环锻造工艺，基本都保证不了使用的需要：一方面是加热设备及温度无法保证，另一方面是工艺流程制订的不是很合理，虽然锻造的环坯尺寸和表面可以达到要求，但力学性能和组织与标准要求相差悬殊。特别是组织，基本上连原始β晶界都没有完全破碎，好一点的也是魏氏组织或网栏组织，离要求的α+β两项等轴组织相差甚远，根本不能使用。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种TC4钛合金锻环加工工艺，通过合理的锻造工艺将钛铸锭改锻成合格的锻环。

本发明采用的技术方案：TC4钛合金锻环加工工艺，按照如下步骤实施：

(1)、将钛铸锭放入天然气加热炉内，升温至1150℃～1200℃加热，保温180分钟以上，确保整个钛铸锭内外温度一致、均匀；

(2)、利用油压机将钛铸锭经过70～80％的变形率，直接开成方坯；

(3)、将方坯用带锯锯成小块坯料；

(4)、将小块坯料经电阻加热炉三次加热改锻后锻成圆饼；

(5)、用冲子在圆饼中心冲孔，再将内孔上的裂纹及缺陷修磨干净；

(6)、将空心坯料加热至950℃保温120分钟以上后用马杠扩孔，扩孔时，如一次锻不到要求的尺寸时，必须及时回火，回火的次数要求尽量少且每次回火后锻造的变形量必须大于10％以上；

(7)、采用α+β/β相变点温度985℃以下120～200℃的温度下做完全退火工艺，在电阻加热炉内，低于500℃装炉，785℃保温90分钟，空冷。

上述步骤(4)是这样完成的：

①在α+β/β相变点温度985℃以上50～100℃，用自由空气锤将坯料进行一次改锻；将坯料放入电阻加热炉内加热至1050℃并将坯料拔长，变形量达到75％，并将拨长后的坯料用带锯中分；

②将坯料转入α+β/β相变点温度985℃以下锻造：

a、采用电阻加热炉，电阻加热炉在温度控制方面的精度在±5℃，加热温度970℃保温120分钟以上，做三礅三拔，每一次的礅粗比在1.5～2之间，总的变形比达到6～7；

b、再次将坯料加热至960℃保温120分钟以上，再做三礅三拔；

c、将坯料局部打磨抛光，用氰氟酸腐蚀后再用清水冲净，观察低倍组织，应满足A3以内；如果达不到此要求就需要在同样工艺下再改锻一次或几次，直到将低倍组织满足要求为止；

③、再一次将坯料加热至950℃保温120分钟以上，做一礅一拔后再礅粗锻成圆饼。

上述TC4钛合金锻环加工工艺，所述油压机为1500吨油压机，自由空气锤为1吨自由空气锤，电阻加热炉为110KW电阻加热炉。

本发明与现有技术相比的优点：

1、完全能够按照标准要求生产出满足使用条件需要的钛合金环坯，为产品的深加工及使用要求提供了保证；

2、工艺简单易行，易操作；

3、组织基本保证在A4级以内；

4、力学性能实测数据优良。

具体实施方式

根据实际情况的需要，我们需要将TC4材料的性能在基本要求的基础上，力求通过合金中其它成分的调整，能够最大的提升材料的力学性能，使材料在使用中能够最大程度的达到或超过使用要求，既使抗拉强度提高的同时，塑性还不降低。这就需要从材料的化学成分配比方面找到一个最佳范围。我们通过以下几种成分配比对材料性能影响的比较，找到最合适的氧和铁元素含量的范围。取用相同加工工艺条件下的不同成分的Φ50TC4棒材纵向试样做检测。

从以上数据的对比中可以看出，铁和氧元素的增加均提高了合金的抗拉强度，同时代表塑性的延伸率和断面收缩率不断降低。而铁和氧元素都比较高时，合金的抗拉强度虽然有所增加，但塑性却明显降低。因此我们根据使用需要，采用在一级海绵钛中提高氧的含量而不增加铁的含量(既第三种配比)。这样既可满足强度的提高，同时又能保证材料塑性的需要。

下面描述本发明的一种实施实例。

锻造成品规格为Φ252×Φ185×80，单重为8.2Kg，金相组织达到A6级以内；使用的设备有：1500吨油压机，1吨自由空气锤，天然气加热炉，110KW电阻加热炉；使用的钛铸锭单重1500Kg，直径Φ540mm。为保证合金元素分布更加均匀，减少偏析的出现，该钛铸锭经过天然气加热炉三次熔炼，该批TC4钛铸锭的α+β/β相变点温度经测量为985℃。

TC4钛合金锻环加工工艺，按照如下步骤实施：

(1)、将钛铸锭放入天然气加热炉内，升温至1150℃～1200℃加热，保温180分钟以上，确保整个钛铸锭内外温度一致、均匀。这一温度下钛铸锭变形抗力低，塑性高，适合钛铸锭采用大的变形量的开坯要求，提高锻透性，充分的破碎铸态组织；

(2)、利用1500吨油压机将Φ540mm钛铸锭经过70～80％的变形率，直接开成240mm方坯。1500吨油压机具有良好的锻透性，生产效率高，是锻造钛铸锭的优异的开坯设备，这时的粗大钛铸锭组织已经被初步破碎，且外侧和中心部位的组织基本一致。

(3)、将方坯用带锯锯成30Kg单重的小块坯料，以便在1吨自由空气锤上进行改锻时能充分的做到良好变形和锻透度。

(4)、将小块坯料经电阻加热炉三次加热改锻后锻成圆饼。

①在α+β/β相变点温度985℃以上50～100℃，用1吨自由空气锤将坯料进行一次改锻；将改锻后的坯料放入电阻加热炉内加热至1050℃并将坯料拔长到120mm，变形量达到75％，并将拨长后的坯料用带锯中分。目的是使β相晶粒再次得到充分的破碎，同时使α相在β相晶界间生成晶核。

②将坯料转入α+β/β相变点温度985℃以下锻造：

a、采用电阻加热炉，电阻加热炉在温度控制方面的精度在±5℃，加热温度970℃保温120分钟以上，做三礅三拔，每一次的礅粗比在1.5～2之间，总的变形比达到6～7，以保证材料的晶粒进一步细小均匀。目的是为了使原始β晶界能够得到充分的转变，同时能够使α相在β晶界上继续成核，得到性能优异的α+β两项区加工的双态组织，此时对加工过程中的变形温度、变形程度和变形速度的要求非常高，这三种因素是互相影响互相制约的，在实际的生产加工过程中要求掌握合适。

b、再次将坯料加热至960℃保温120分钟以上，再做三礅三拔。目的是进一步细化均匀晶粒组织。

c、将坯料局部打磨抛光，用氰氟酸腐蚀后再用清水冲净，观察低倍组织，应满足A3以内；如果达不到此要求就需要在同样工艺下再改锻一次或几次，直到将低倍组织满足要求为止；

③、再一次将坯料加热至950℃保温120分钟以上，做一礅一拔后再礅粗锻成厚度为100mm的圆饼。

(5)、用冲子在圆饼中心冲一个直径为Φ100mm的孔，再将内孔上的裂纹及缺陷修磨干净。

(6)、将空心坯料加热至950℃保温120分钟以上后用马杠扩孔，扩孔时，如一次锻不到要求的尺寸时，必须及时回火，回火的次数要求尽量少且每次回火后锻造的变形量必须大于10％以上；扩孔时要求速度要快，因为空心坯料在出炉后的散热非常快，低于终锻温度后，材料的抗力巨增，很难锻造变形，如果继续强制锻造将使材料的内部出现裂纹或其它缺陷，致使材料在超声波探伤时超标报废。同时扩孔时，如一次锻不到要求的尺寸时，必须及时回火，回火的次数要求尽量小，TC4坯料回火加热的温度远高于其再结晶温度，这一过程中会发生α相晶核的长大同时伴随着α相向β相的转变，因此每次回火后锻造的变形量必须大于10％以上，否则金相组织要求的晶粒细小、均匀将很难保证，导致出现在原始片状β相上出现粗大或条状的α相，俗称网篮组织，致使材料的抗拉强度和塑性均降低，同时环坯的外形尺寸要求必须保证内外径同心，使坯料在车床上加工时能够将氧化黑皮及表面缺陷全部车掉，并且不允许在缺陷的地方有补焊，此时我们锻成的环材坯料尺寸为：Φ267mm×Φ170mm×95mm。

(7)、采用α+β/β相变点温度985℃以下120～200℃的温度下做完全退火工艺，在电阻加热炉内，低于500℃装炉，785℃保温90分钟，空冷。TC4钛合金的退火对锻环最终的力学性能及金相组织起着至关重要的作用，合金材料退火的目的不但能通过晶粒的再结晶改善组织性能，并且伴随有化合物的溶解和α→β相的多型性转变，同时可将冷、热加工中金属内部产生的组织应力得以释放，后期的机加工容易实现。对于TC4这样的α+β合金在相变点以下的退火只发生α相的再结晶，因此热处理后的材料仍能保持α+β两项区加工的双态组织结构。我们采用α+β/β相变点温度985℃以下120～200℃的温度下做完全退火工艺。目的是为了获得稳定的、塑性好的或对应一定综合性能的显微组织。这一过程主要发生α相的再结晶。如温度过高会引起不必要的氧化和晶粒长大。对于TC4材料退火的研究过去已经进行了很多的试验和论证，我们在这里就不做多余的尝试，只是把研究的成果在此次生产中直接应用就可以。我们采用的热处理工艺是：在电阻加热炉内，低于500℃装炉，785℃保温90分钟，空冷。

锻环的检测结果：

探伤检测：我们使用超声波探伤仪对机加工后的锻环进行检测，参照GB5193标准，单个反射信号≤1.2mm，多个反射信号＜0.8mm，杂波反射信号＜1.2mm，符合标准中的A级要求。

我们沿锻环的弦向和高度方向用线切割方法各取一组15×15×Lmm试样送理化中心检测。检测内容有室温及高温力学性能，高倍组织。检测结果如下：TC4锻环室温力学性能

TC4锻环在400℃、100小时持久高温力学性能：

结论：参照GJB1538标准，力学性能都已经达到要求，金相组织是细小均匀的α+β两项区加工的双态组织结构，级别判定在A4级以内，超声波探伤检测在A级以内。

Claims (2)

1.TC4钛合金锻环加工工艺，其特征是按照如下步骤实施：

(1)、将钛铸锭放入天然气加热炉内，升温至1150℃～1200℃加热，保温180分钟以上，确保整个钛铸锭内外温度一致、均匀；

(2)、利用油压机将钛铸锭经过70～80％的变形率，直接开成方坯；

(3)、将方坯用带锯锯成小块坯料；

(4)、将小块坯料经电阻加热炉三次加热改锻后锻成圆饼；步骤(4)是这样完成的：

①在α+β/β相变点温度985℃以上50～100℃，用自由空气锤将坯料进行一次改锻；将改锻后的坯料放入电阻加热炉内加热至1050℃并将坯料拔长，变形量达到75％，并将拨长后的坯料用带锯中分；

②将坯料转入α+β/β相变点温度985℃以下锻造：

a、采用电阻加热炉，电阻加热炉在温度控制方面的精度在±5℃，加热温度970℃保温120分钟以上，做三礅三拔，每一次的礅粗比在1.5～2之间，总的变形比达到6～7；

b、再次将坯料加热至960℃保温120分钟以上，再做三礅三拔；

c、将坯料局部打磨抛光，用氰氟酸腐蚀后再用清水冲净，观察低倍组织，应满足A3以内；如果达不到此要求就需要在同样工艺下再改锻一次或几次，直到将低倍组织满足要求为止；

③、再一次将坯料加热至950℃保温120分钟以上，做一礅一拔后再礅粗锻成圆饼;

(5)、用冲子在圆饼中心冲孔，再将内孔上的裂纹及缺陷修磨干净；

(6)、将空心坯料加热至950℃保温120分钟以上后用马杠扩孔，扩孔时， 如一次锻不到要求的尺寸时，必须及时回火，回火的次数要求尽量少且每次回火后锻造的变形量必须大于10％以上；

(7)、采用α+β/β相变点温度985℃以下120～200℃的温度下做完全退火工艺，在电阻加热炉内，低于500℃装炉，785℃保温90分钟，空冷。

2.根据权利要求1所述的TC4钛合金锻环加工工艺，其特征在于：所述油压机为1500吨油压机，自由空气锤为1吨自由空气锤，电阻加热炉为110KW电阻加热炉。