CN102085555B - Tc25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TC25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法，为轧制成形尺寸精度高及组织和性能优良的薄壁环件，其技术方案为：先把经加热到变形温度的钛合金预轧坯和预热的随动模套套装进轧环机，随动模套被套在预轧坯内，由轧环机的主辊、芯辊、抱辊和上、下锥辊对随动模套和预轧坯进行定位；再启动轧环机，由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起以200KN～4000KN的轧制力在随动模套的支撑下辗轧预轧坯，使其以5mm/s～10mm/s的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25％～45％后被辗轧成薄壁环件。采用该方法轧制成形的钛合金薄壁环件的壁厚最小值是25mm，高厚比的最大值是25，该环件主要用于航空航天等领域使用的筒形壳体等回转体零部件。

Description

TC25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法

技术领域

本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了TC25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法。 

背景技术

TC25钛合金属于马氏体型两相热强钛合金，合金元素选用了锡和钨，从而使该合金具有较好的热强性和耐热性，采用该合金环轧成形的航空航天等领域使用的筒形壳体等回转体零部件，例如航空发动机隔环等薄壁环件，要求在500℃以下工作时间达6000h以上，在550℃以下工作时间达3000h以上。轧制时，由于合金变形量较小，锻件壁厚较薄，尺寸精度、性能及组织要求较高，并且该合金还要满足高可靠性及低制造成本的要求，增加了轧制成形的难度。 

2008年10月8日公开的中国发明专利说明书CN 101279345A公开了一种钛合金异形环件的辗轧成形方法，该方法把按规格下料的合金棒料经镦粗、冲孔、两次轧环制坯(不使用辗轧模具)，再把坯料装进轧环机辗轧模具内辗轧成形，通过在连续两次轧环制坯过程中采取小变形量成形的方式和在各工艺步骤中控制准确的变形量，轧制出了组织和性能良好的异形环件。采用该方法轧制壁厚较薄的TC25钛合金薄壁环件时，由于辗轧模具被固定在轧辊上(即主辊和芯辊上)，轧制时辗轧模具的孔型与预轧坯之间产生激烈的摩擦不仅使轧制过程非常不稳定对生产造成影响，而且还容易导致预轧坯温度升高对合金的组织和性能产生影响，如出现组织变异、晶粒粗大等缺陷。 

在采用上述方法及直接使用轧环机的主辊和芯辊轧制(如上述方法中的轧环制坯)薄壁的TC25钛合金薄壁环件时，由于受轧环机的芯辊等部件刚度的影响，加上薄壁环件的结构刚度较差和加工余量较小，轧制过程中易导致预轧坯出现塑性失稳而产生轧扁、喇叭口等现象，造成环件形状和尺寸达不到设计使用或机加工要求而报废，这对价格昂贵的钛合金材料来说损失较大。 

辗轧过程中，预轧坯刚开始轧制时由于先向其转动方向一侧的抱辊偏移， 再向另一侧的抱辊偏移，使预轧坯在轧制过程中有朝其两侧的抱辊左右摆动的现象，受抱辊扶持产生的反作用力影响，环件容易被轧扁而报废。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用随动模套来实现TC25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法，采用该方法能够轧制出尺寸精度高并具有优良组织和性能的薄壁环件。 

为解决上述技术问题，本发明所述TC25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法，其技术方案包括以下步骤： 

加热TC25钛合金预轧坯到相变点以上25℃～45℃的变形温度，并预热随动模套到250℃～300℃的温度； 

把所述预轧坯和随动模套装进轧环机，使预轧坯套住随动模套、随动模套套住芯辊并且沿主辊和芯辊的中心距方向预轧坯与主辊的外周面之间、预轧坯的内环面与随动模套的外周面之间、以及随动模套的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，预轧坯被两个抱辊在其外周面扶持，上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持随动模套和预轧坯； 

启动轧环机使其主辊旋转并驱动预轧坯、随动模套、芯辊和两个抱辊转动，同时由轧环机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动，芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起以200KN～4000KN的轧制力在随动模套的支撑下辗轧预轧坯，预轧坯以5mm/s～10mm/s的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25％～45％后被辗轧成薄壁环件。 

并且，所述随动模套在设计时，其最小壁厚按下式计算： 

D₀＝L-D₁-R₁-R₂

式中：D₀为随动模套的最小壁厚； 

L为主辊与芯辊的最小中心距； 

D₁为薄壁环件的径向最小壁厚； 

R₁为主辊的半径； 

R₂为芯辊的半径。 

采用上述辗轧成形方法轧制成形的薄壁环件，其壁厚最小值是25mm，高厚比的最大值是25。 

与现有技术相比，本发明的有益效果如下： 

本发明把加热到变形温度的TC25钛合金预轧坯和经预热的随动模套套装进轧环机定位后，由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起在随动模套的支撑下辗轧预轧坯使其变形成形，获得了薄壁及组织和性能优良的薄壁环件。 

辗轧过程中，由于随动模套只进行了预热处理，其在轧制过程中几乎是不会变形的。轧制时由于在预轧坯和芯辊之间隔了一层随动模套，并且随动模套在预轧坯内与其一起同向转动，克服了预轧坯与随动模套之间由于产生激烈的摩擦使轧制过程不稳定和易导致预轧坯温度升高的现象，从而有利于组织生产和获得优质锻件。 

辗轧过程中，由于预轧坯的内环面紧贴在随动模套的外周面上并与其一起同向、同步转动，避免了预轧坯受芯辊刚性部件的影响，从而避免其出现塑性失稳而产生轧扁、喇叭口等现象，而且与预轧坯一起同向、同步转动的随动模套还可对预轧坯的内环面进行整圆防止其轧扁和出现喇叭口等现象，可实现精密轧制成形尺寸精度高的环件，节省贵重的钛合金材料。 

辗轧过程中，由于预轧坯内套装有随动模套，对预轧坯起到了较好的支撑和稳固作用，从而可以有效减轻预轧坯在轧制过程中朝其两侧的抱辊左右摆动的现象，防止环件被轧扁而报废。 

经检测该合金薄壁环件的尺寸精度，达到了相应尺寸的3‰(千分之三)。 

经检测该合金薄壁环件的室温拉伸性能，其抗拉强度为1050MPa(大于设计使用要求的980MPa)，断后伸长率为11.5％～15.5％(大于设计使用要求的7％)，断面收缩率为48.5％(大于设计使用要求的15％)，冲击功为62.3～63.4J(大于设计使用要求的29.4J)。 

经检测该合金薄壁环件在500℃的高温拉伸性能，其抗拉强度为740MPa(大于设计使用要求的735MPa)，断后伸长率为16％～21％(实测)，断面收缩率为59％～69％(实测)。 

经检测该合金薄壁环件在550℃的高温拉伸性能，其抗拉强度为695～705MPa(大于设计使用要求的686MPa)，断后伸长率为23.5％～29％(实测)，断面收缩率为73％～75％(实测)。 

经检测该合金薄壁环件的持久性能：该合金锻件在试验温度为500℃、试验应力为637MPa、持续时间达51小时内未断；并且该合金锻件在试验温度为550℃、试验应力为441MPa、持续时间达51小时内未断。 

经检测该合金薄壁环件的金相组织，其低倍组织达到了该合金标准图中的第3级；其高倍组织达到了标准图的第2级，即达到钛合金金相组织的较好级别。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 

图1是TC25钛合金预轧坯的立体结构示意图。 

图2是随动模套和预轧坯的装机定位及辗轧状态示意图。 

图3是预轧坯辗轧成薄壁环件的立体结构示意图。 

具体实施方式

实施本发明所述的TC25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手等设备。 

该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为：含Al量6.20％～7.20％、含Mo量1.50％～2.50％、含Zr量0.80％～2.50％、含Sn量0.80％～2.50％、含W量0.50％～1.50％、含Si量0.10％～0.25％、含Fe量≤0.15％、含C量≤0.10％、含O量≤0.15％、含N量≤0.04％、含H量≤0.012％、含Cu量≤0.10％、含Cr量≤0.10％、余量为Ti。 

该合金从棒料到生产出合格的薄壁环件的工艺步骤如下： 

步骤1：制坯。 

把按规格下料的TC25钛合金棒料经加热、镦粗、冲孔、拔长、预轧后制取预轧坯10°，其形状如图1所示。 

步骤2：装机。 

如图2所示，把预轧坯10°在锻造加热炉内加热到相变点以上25℃～45℃的变形温度后装进轧环机并平放在该机的底盘上(图中未示出)，预轧坯10°套进轧环机的芯辊2，其外周面与轧环机的主辊1及两个抱辊3的外周面相切接触，两个抱辊3对预轧坯10°起扶持作用；同时把随动模套4在锻造加热炉内预热到250℃～300℃后装进轧环机套进轧环机的芯辊2并套在预轧坯10°内后平放在该机的底盘上(图中未示出)，预轧坯10°的外周面与主辊1的外周面之间、预轧坯10°的内环面与随动模套4的外周面之间、及随动模套4的内环面与芯辊2的外周面之间均沿芯辊2和主辊4的中心距方向相切接触；启动轧环机使其上锥辊5和下锥辊6沿随动模套4和预轧坯10°的上下端面夹持随动模套4和预轧坯10°，完成随动模套4和预轧坯10°的装机定位。装机时工件的装运主要通过机械手操作完成。 

步骤3：辗轧。 

启动轧环机使其主辊1按图2所示方向旋转，主辊1驱动预轧坯10°、随动模套4、芯辊2和两个抱辊3按图2所示的方向转动，同时由轧环机驱动上锥辊5和下锥辊6按图2所示方向转动并在预轧坯10°和随动模套4轧制过程中夹持该两个工件的上、下端面，使轧环机的两个抱辊3扶持住预轧坯10°的外周面；芯辊2沿径向朝主辊1方向作进给运动并与主辊1一起以200KN～4000KN的轧制力在随动模套4的支撑下辗轧预轧坯10°，预轧坯10°以5mm/s～10mm/s的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小。 

预轧坯10°在随动模套4的支撑下被辗轧产生连续局部塑性变形，当其变形量达25％～45％后被轧制成形为薄壁环件10(如图3所示)，关闭轧环机，所有转动部件停止后移开主辊1、上锥辊5和下锥辊6、两个抱辊3以及压在芯辊2顶部的轧环机悬臂，从芯辊2顶部取出薄壁环件10。 

终轧后薄壁环件10进行双重退火处理，即把薄壁环件10加热至980℃，按 壁厚保温1～2h；随炉空冷至530℃，保温6h，空冷。 

在上述步骤1和步骤3中，该合金的终锻或终轧温度不小于750℃；在本实施例中，经检测该合金的相变点为1015℃。 

所述变形量的计算方法为：变形量＝[(预轧坯10°沿中心线的纵截面面积-薄壁环件10沿中心线的纵截面面积)/预轧坯10°沿中心线的纵截面面积]×100％。 

在上述轧制过程中，为保证随动模套4在轧制过程中不变形和预轧坯10°能够在该模套内充分变形成形，该模套的最小壁厚按下式进行设计计算： 

D₀＝L-D₁-R₁-R₂

式中：D₀为随动模套4的最小壁厚； 

L为主辊1与芯辊2的最小中心距； 

D₁为薄壁环件10的径向最小壁厚； 

R₁为主辊1的半径； 

R₂为芯辊2的半径。 

采用上述辗轧方法轧制的该合金薄壁环件10，其最小壁厚可达25mm，高厚(指壁厚)比最大可达25。 

经检测，采用上述方法辗轧成形的TC25钛合金薄壁环件10具有较高的尺寸精度和优良的内部组织及性能，完全满足了该合金环件的设计使用要求。 

Claims (3)

1.一种TC25钛合金薄壁环件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

加热TC25钛合金预轧坯到相变点以上25℃～45℃的变形温度，并预热随动模套到250℃～300℃的温度；

把所述预轧坯和随动模套装进轧环机，使预轧坯套住随动模套、随动模套套住芯辊并且沿主辊和芯辊的中心距方向预轧坯与主辊的外周面之间、预轧坯的内环面与随动模套的外周面之间、以及随动模套的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，预轧坯被两个抱辊在其外周面扶持，上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持随动模套和预轧坯；

启动轧环机使其主辊旋转并驱动预轧坯、随动模套、芯辊和两个抱辊转动，同时由轧环机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动，芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起以200KN～4000KN的轧制力在随动模套的支撑下辗轧预轧坯，预轧坯以5mm/s～10mm/s的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25％～45％后被辗轧成薄壁环件。

2.根据权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述随动模套的最小壁厚按下式进行设计计算：

D₀＝L-D₁-R₁-R₂

式中：D₀为随动模套的最小壁厚；

L为主辊与芯辊的最小中心距；

D₁为薄壁环件的径向最小壁厚；

R₁为主辊的半径；

R₂为芯辊的半径。

3.根据权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于：所述薄壁环件的壁厚最小值是25mm，高厚比的最大值是25。

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