CN102212765B - 一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法 - Google Patents

Abstract

一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法，经过对坯料进行改锻、预成形、利用分块模具进行局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件，通过控制局部加载成形的参数获得三态组织。本发明先将锻件在近β锻温度下保温并发生变形，将等轴α的含量控制在合适范围内；随后将锻件在常规锻温度下保温并发生变形，生成一定比例的条状α。通过调控加载道次可以使每道次的变形量控制在合适范围内，避免了条状α的大量球化。本发明使锻件不同区域均得到由等轴α、条状α和β转变基体组成的三态组织，且不同变形区域的组织形态及各相含量相近，得到的三态组织综合了双态组织和片层组织的优点，具有良好的综合性能，其塑性、热稳定性、高温性能和断裂韧性均较好。

Description

一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法

技术领域

本发明涉及热加工领域，具体是一种钛合金局部加载成形微观组织控制方法。

背景技术

钛合金是一种高性能结构材料，具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空、航天及兵器工业领域，常用于制造大型壁板、承力框等大型结构件。局部加载成形工艺为此类钛合金大型复杂整体构件的精密成形提供了一条新的有效途径。在钛合金的多种微观组织中，三态组织由约20％等轴α、50％～60％条状α和β转变基体组成，不仅具有好的塑性，同时具有高的高温性能、低周疲劳性能和断裂韧性，综合性能突出。因此，获得具有三态组织的钛合金锻件是生产中追求的目标。近十多年，在钛合金锻件的整体成形中，科研人员通过近β锻造技术获得了三态组织。而局部加载成形过程是一个多火次、多工步、多道次的复杂过程，锻件在每火次的变形又很不均匀，不仅存在直接受力变形的加载区，还存在不发生变形的非加载区，以及在两者之间发生被动变形的过渡区，这使得对组织的控制更加困难。在申请号为200910023239.X的专利中，公开了一种在钛合金局部加载成形中控制构件等轴α含量的方法，该方法主要通过控制局部加载成形的变形温度和变形量分配实现对构件等轴α含量的控制，该工艺的特点是在局部加载成形中最后一个加载步的变形温度均高于之前加载步的变形温度，从组织形态上来说在该工艺条件下得到的构件为双态组织。孙志超等人在Materials Science and Engineering A第523卷，1-2期，184-192页上发表的Microstructure and mechanical properties of TA 15titanium alloy under multi-steplocal loading forming论文中研究了不同局部加载工艺方案下成形件的微观组织及其力学性能，该论文中提出的局部加载工艺在局部加载成形中不同加载步均采用相同的变形温度，最终得到构件均为等轴组织或双态组织。利用已有的局部加载成形工艺成形的钛合金构件多为等轴组织或双态组织，尚未见报道有在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法。

发明内容

为克服现有技术中存在的在钛合金局部加载成形中无法获得三态组织的不足，本发明提出了一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法。

本发明的具体过程包括以下步骤：

第一步，坯料改锻。将所选用的钛合金铸锭在相变点以上开坯，铸锭加热到T_β+(50～100℃)，变形量50％～60％，锻后水冷。将开坯后得到的毛坯加热到T_β-(40～50℃)的两相区改锻，变形量50％～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步，预制坯制备。将具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉，加热到T_β-40℃，采用自由锻进行制坯，获得满足设计要求的预制坯后将预制坯空冷。当需要多火次制坯时，在每一火加工后将毛坯包裹绝热棉后再回炉加热至T_β-40℃。

第三步，局部加载成形。当预制坯变形量小于70％时，采用一道次加载完成变形，当预制坯变形量大于或等于70％时，采用两道次加载完成变形。局部加载成形利用分块上模完成；局部加载成形的具体实施过程是：

当采用一道次加载完成变形时：

第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上。将模具加热至T_β-40℃，预制坯加热至T_β-(20～10℃)。用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量为总变形量的100％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却。

第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上。将模具加热至T_β-75℃，预制坯加热至T_β-(60～40℃)。用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的100％，得到预成形工件。

当采用两道次加载完成变形时：

第一道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上。将模具加热到T_β-40℃，预制坯加热到T_β-(20～10℃)。用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸内模或中模。

第一道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上。将模具加热到T_β-40℃，预制坯加热至T_β-(20～10℃)。用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸外模或两个边模。

第二道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上。将模具加热到T_β-40℃，预制坯加热到T_β-(20～10℃)。用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却。

第二道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上。将模具加热到T_β-75℃，预制坯加热到T_β-(60～40℃)。用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％，得到预成形工件。

第四步，精整。局部加载完成后，直接对预成形工件整体加载保压，进行精整。精整时，将各分块模具同时安装在上模座上构成整体上模，各分块模具同时作用于预成形工件，精整保压时间为10～15min。锻后取出工件空冷。

第五步，热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，将工件加热到再结晶温度，保温2～3h，空冷。

第六步，无损检测。

本发明在对坯料进行改锻和预成形后，经过局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件，通过控制局部加载成形的参数获得三态组织。本发明提出的技术方案中，先将锻件在近β锻温度下保温并发生变形，将等轴α的含量控制在合适范围内；随后将锻件在常规锻温度下保温并发生变形，可以生成一定比例的条状α。此外，通过调控加载道次可以使每道次的变形量控制在合适范围内，避免了条状α的大量球化。采用本发明的局部加载成形工艺，锻件不同变形区域均得到由等轴α、条状α和β转变基体组成的三态组织，且不同变形区域的组织形态及各相含量相近。

本发明优化了钛合金局部加载成形锻件的微观组织，得到的三态组织综合了双态组织和片层组织的优点，具有良好的综合性能，其塑性、热稳定性、高温性能和断裂韧性均较好。与现有局部加载技术成形的等轴组织或双态组织锻件相比，采用本发明技术方案获得的三态组织锻件具有更加优良的综合性能。以实施例一为例，采用本发明技术方案所得锻件先变形区、过渡区及后变形区的三态组织，其对应的平均力学性能如下：室温下抗拉强度为965MPa，屈服强度为886MPa，延伸率为17.4％，断面收缩率为45.4％；500℃下的抗拉强度为644MPa，屈服强度为489MPa，延伸率为28.0％，断面收缩率为67.3％；冲击韧性为50.3J/cm²。而采用现有局部加载技术，在两道次的局部加载变形中四个加载步的变形温度均为950℃，所得相应锻件先变形区、过渡区及后变形区的等轴组织对应的平均力学性能如下：室温下抗拉强度为946MPa，屈服强度为865MPa，延伸率为16.8％，断面收缩率为46.3％；500℃下的抗拉强度为623MPa，屈服强度为466MPa，延伸率为29.5％，断面收缩率为66.2％；冲击韧性为43.4J/cm²。由上述三态组织锻件与等轴组织锻件的力学性能对比可以看出，二者的室温和高温塑性水平相当，而三态组织锻件具有更高的室温和高温强度及冲击韧性。

附图说明

附图1是工艺流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是利用分块上模，通过钛合金局部加载成形微观组织控制的方法成形某钢铁公司生产的TA15钛合金整体筋板构件。所述的上模由内模和外模两块模具组成；内模用于成形工件中间部分，外模用于成形工件两侧；内模和外模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TA15钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是990℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TA15钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+100℃即1090℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，铸锭变形量为50％～60％，锻后水冷。接着将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-40℃即950℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，毛坯的总变形量为50～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即950℃，保温2h，采用自由锻进行制坯，共六火次完成制坯。每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即950℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。六火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对预制坯进行局部加载。采用两道次局部加载，总压下量为40mm，平均变形量为70％。成形后构件上由内模成形的对应区域为先变形区，由外模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。

第一道次第一加载步中，将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即950℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即970℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.4mm/s的速度下压，压下量为20mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却后拆卸内模。

第一道次第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即950℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即970℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.4mm/s的速度下压，压下量20mm。外模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却后拆卸外模。

第二道次第一加载步中，将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即950℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即970℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.2mm/s的速度下压，压下量为20mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二道次第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-75℃即915℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-60℃即930℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.2mm/s的速度下压，压下量20mm。至此，局部加载过程结束，得到预成形工件。

第四步、精整。第二道次局部加载完成后，直接对预成形工件进行精整。内外模同时压下，压力机保压吨位为此液压机可提供的最大压力6000吨，时间为10min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，热处理制度是810℃×3h空冷。

第六步、无损检测。

本实施方式所得锻件先变形区、过渡区及后变形区的三态组织，其对应的平均力学性能如下：室温下抗拉强度为965MPa，屈服强度为886MPa，延伸率为17.4％，断面收缩率为45.4％；500℃下的抗拉强度为644MPa，屈服强度为489MPa，延伸率为28.0％，断面收缩率为67.3％；冲击韧性为50.3J/cm²。而采用现有局部加载技术，在两道次的局部加载变形中四个加载步的变形温度均为950℃，所得相应锻件先变形区、过渡区及后变形区的等轴组织对应的平均力学性能如下：室温下抗拉强度为946MPa，屈服强度为865MPa，延伸率为16.8％，断面收缩率为46.3％；500℃下的抗拉强度为623MPa，屈服强度为466MPa，延伸率为29.5％，断面收缩率为66.2％；冲击韧性为43.4J/cm²。由上述三态组织锻件与等轴组织锻件的力学性能对比可以看出，二者的室温和高温塑性水平相当，而三态组织锻件具有更高的室温和高温强度及冲击韧性。

实施例二

本实施例是利用分块上模，通过钛合金局部加载成形微观组织控制的方法成形某钢铁公司生产的TA15钛合金整体筋板构件。所述的上模由一个中模和两个边模共三块模具组成；中模用于成形工件中间部分，两个边模用于成形工件两侧；中模和两个边模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TA15钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是990℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TA15钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+50℃即1040℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，铸锭变形量为50％～60％，锻后水冷。接着将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-40℃即950℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，毛坯的总变形量为50～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即950℃，保温2h，采用自由锻进行制坯。共四火次完成制坯，每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即950℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。四火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对预制坯进行局部加载。采用一道次局部加载即两个加载步完成变形，总压下量为30mm，平均变形量为50％。成形后构件上由中模成形的对应区域为先变形区，由两个边模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。

第一加载步中，将中模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即950℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即970℃，保温1h。通过中模成形预制坯的中间部分，成形中，中模以0.4mm/s的速度下压，压下量为30mm。中模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二加载步中，将两个边模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-75℃即915℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-40℃即950℃，保温1h。通过两个边模同时成形预制坯的两侧部分，成形中，两个边模以0.4mm/s的速度下压，压下量30mm。至此，局部加载过程结束，得到预成形工件。

第四步、精整。局部加载完成后，直接对预成形工件进行精整。中模和两个边模同时压下，压力机保压吨位为此液压机可提供的最大压力6000吨，时间为15min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，锻件热处理制度是810℃×3h空冷。

第六步、无损检测。

实施例三：

本实施例是利用分块上模，通过钛合金局部加载成形微观组织控制的方法成形某钢铁公司生产的TA15钛合金整体筋板构件。所述的上模由一个中模和两个边模共三块模具组成，中模成形工件中间部分，两个边模共同成形工件两侧，中模和两个边模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TA15钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是990℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TA15钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+60℃即1050℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，铸锭变形量为50％～60％，锻后水冷。接着将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-50℃即940℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，毛坯的总变形量为50～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即950℃，保温2h，采用自由锻进行制坯。共六火次完成制坯，每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即950℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。六火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对预制坯进行局部加载。采用两道次局部加载，总压下量为45mm，平均变形量为75％。成形后构件上由中模成形的对应区域为先变形区，由两个边模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。

第一道次第一加载步中，将中模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即950℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-10℃即980℃，保温1h。通过中模成形预制坯的中间部分，成形中，中模以0.3mm/s的速度下压，压下量为22.5mm。中模加载完成后，将预制坯立即取出空冷，将模具随炉冷却后拆卸中模。

第一道次第二加载步中，将两个边模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即950℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-10℃即980℃，保温1h。通过两个边模同时成形预制坯的两侧部分，成形中，两个边模以0.3mm/s的速度下压，压下量22.5mm。两个边模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却后拆卸两个边模。

第二道次第一加载步中，将中模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即950℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-10℃即980℃，保温1h。通过中模成形预制坯的中间部分，成形中，中模以0.4mm/s的速度下压，压下量为22.5mm。中模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二道次第二加载步中，将两个边模安装作为上模，并将模具加热到T_β-75℃即915℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-50℃即940℃，保温1h。通过两个边模同时成形工件的两侧部分，成形中，两个边模以0.4mm/s的速度下压，压下量22.5mm。至此，局部加载过程结束，得到预成形工件。

第四步、精整。局部加载完成后，直接对预成形工件进行精整。中模和两个边模同时压下，压力机保压吨位为此液压机可提供的最大压力6000吨，时间为12min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，锻件热处理制度是810℃×2h空冷。

第六步、无损检测。

实施例四

本实施例是利用分块上模，通过钛合金局部加载成形微观组织控制的方法成型某钢铁公司生产的TC4钛合金整体筋板构件。所述的上模由内模和外模两块模具组成；内模用于成形工件中间部分，外模用于成形工件两侧；内模和外模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TC4钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是995℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TC4钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+70℃即1065℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，铸锭变形量为50％～60％，锻后水冷。接着将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-45℃即950℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，毛坯的总变形量为50～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即955℃，保温2h，采用自由锻进行制坯。共四火次完成制坯，每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即955℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。四火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对预制坯进行局部加载。采用一道次局部加载即两个加载步完成变形，总压下量为35mm，平均变形量为60％。成形后构件上由内模成形的对应区域为先变形区，由外模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。

第一加载步中，将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即955℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-10℃即985℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.2mm/s的速度下压，压下量为35mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-75℃即920℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-60℃即935℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.2mm/s的速度下压，压下量35mm。至此，局部加载过程结束，得到预成形工件。

第四步、精整。局部加载完成后，直接对预成形工件进行精整。内外模同时压下，压力机保压吨位为此液压机可提供的最大压力6000吨，时间为14min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，锻件热处理制度是810℃×2.5h空冷。

第六步、无损检测。

实施例五

本实施例是利用分块上模，通过钛合金局部加载成形微观组织控制的方法成型某钢铁公司生产的TC4钛合金整体筋板构件。所述的上模由内模和外模两块模具组成；内模用于成形工件中间部分，外模用于成形工件两侧；内模和外模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TC4钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是995℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TC4钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+80℃即1075℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，铸锭变形量为50％～60％，锻后水冷。接着将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-50℃即945℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，毛坯的总变形量为50～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即955℃，保温2h，采用自由锻进行制坯，共五火次完成制坯。每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即955℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。五火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对预制坯进行局部加载。采用两道次局部加载，总压下量为40mm，平均变形量为70％。成形后构件上由内模成形的对应区域为先变形区，由外模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。

第一道次第一加载步中，将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即955℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-15℃即980℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.2mm/s的速度下压，压下量为20mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却后拆卸内模。

第一道次第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即955℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-15℃即980℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.2mm/s的速度下压，压下量20mm。外模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却后拆卸外模。

第二道次第一加载步中，将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即955℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-15℃即980℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.3mm/s的速度下压，压下量为20mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二道次第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-75℃即920℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-40℃即955℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.3mm/s的速度下压，压下量20mm。至此，局部加载过程结束，得到预成形工件。

第四步、精整。第二道次局部加载完成后，直接对预成形工件进行精整。内外模同时压下，压力机保压吨位为此液压机可提供的最大压力6000吨，时间为11min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，热处理制度是810℃×2h空冷。

第六步、无损检测。

实施例六

本实施例是利用分块上模，通过钛合金局部加载成形微观组织控制的方法成型某钢铁公司生产的TC11钛合金整体盘类构件。所述的上模由内模和外模两块模具组成；内模用于成形工件中间部分，外模用于成形工件两侧；内模和外模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TC11钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是1000℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TC11钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+90℃即1090℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，铸锭变形量为50％～60％，锻后水冷。接着将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-45℃即955℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，毛坯的总变形量为50～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即960℃，保温2h，采用自由锻进行制坯。共四火次完成制坯，每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即960℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。四火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对预制坯进行局部加载。采用一道次局部加载即两个加载步完成变形，总压下量为30mm，平均变形量为55％。成形后构件上由内模成形的对应区域为先变形区，由外模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。

第一加载步中，将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-40℃即960℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-15℃即985℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.3mm/s的速度下压，压下量为30mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-75℃即925℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-50℃即950℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.3mm/s的速度下压，压下量30mm。至此，局部加载过程结束，得到预成形工件。

第四步、精整。局部加载完成后，直接对预成形工件进行精整。内外模同时压下，压力机保压吨位为此液压机可提供的最大压力6000吨，时间为13min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，锻件热处理制度是810℃×2.5h空冷。

第六步、无损检测。

Claims (1)

1.一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，坯料改锻；将所选用的钛合金铸锭在相变点以上开坯，铸锭加热到T_β+(50～100℃)，变形量50％～60％，锻后水冷；将开坯后得到的毛坯加热到T_β-(40～50℃)的两相区改锻，变形量50％～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯；

第二步，预制坯制备；将具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉，加热到T_β-40℃，采用自由锻进行制坯，获得满足设计要求的预制坯后将预制坯空冷；当需要多火次制坯时，在每一火次加工后将毛坯包裹绝热棉后再回炉加热至T_β-40℃；

第三步，局部加载成形；当预制坯变形量小于70％时，采用一道次加载完成变形，当预制坯变形量大于或等于70％时，采用两道次加载完成变形；局部加载成形利用分块上模完成；局部加载成形的具体实施过程是：

当采用一道次加载完成变形时：

第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上；将模具加热至T_β-40℃，预制坯加热至T_β-(20～10℃)，用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量为总变形量的100％；完成加载后立即将预制坯出模空冷；将模具随炉冷却；

第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上；将模具加热至T_β-75℃，预制坯加热至T_β-(60～40℃)，用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的100％；得到预成形工件；

当采用两道次加载完成变形时：

第一道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上；将模具加热到T_β-40℃，预制坯加热到T_β-(20～10℃)，用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％；完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸内模或中模；第一道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上；将模具加热到T_β-40℃，预制坯加热至T_β-(20～10℃)，用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％；完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸外模或两个边模；

第二道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上；将模具加热到T_β-40℃，预制坯加热到T_β-(20～10℃)，用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％；完成加载后立即将预制坯出模空冷；将模具随炉冷却；

第二道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上；将模具加热到T_β-75℃，预制坯加热到T_β-(60～40℃)，用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％；得到预成形工件；

第四步，精整；局部加载完成后，直接对预成形工件整体加载保压，进行精整；精整时，将各分块模具同时安装在上模座上构成整体上模，各分块模具同时作用于预成形工件；精整保压吨位为6000吨，保压时间为10～15min；锻后取出工件空冷；

第五步，热处理；采用再结晶退火的热处理工艺，将工件加热到再结晶温度，保温2～3h，空冷；

第六步，无损检测。