CN102994922B - 一种ta7钛合金饼材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TA7钛合金饼材的制备方法，包括以下步骤：一、切除TA7钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TA7钛合金铸锭的表面缺陷；二、将TA7钛合金铸锭进行开坯锻造，得到初级锻坯；三、将初级锻坯进行中间锻造，得到半成品锻坯；四、将半成品锻坯锯切下料，然后进行成形锻造，得到TA7钛合金饼材。本发明针对TA7钛合金材料的物性特征，通过对化学成分进行配比设计，以及对始锻温度、终锻温度、总锻造比等工艺参数的综合控制，使得初级锻坯、半成品锻坯和TA7钛合金饼材的显微组织尺寸均得到均匀控制；采用本发明制备的TA7钛合金饼材显微组织均匀，低温机械性能和室温机械性能均优异，适于大规模工业化生产。

Description

一种TA7钛合金饼材的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金材料制备技术领域，具体涉及一种TA7钛合金饼材的制备方法。

背景技术

TA7钛合金（名义成分为Ti-5Al-2.5Sn）是单相α钛合金，因具有良好的焊接性、较高的热强性和优异的超低温性能等优点，被广泛应用于航空发动机部件、空间推进器部件和超低温储藏器等关键件。由于TA7钛合金在两相区温度区间内的加工塑性差，易在锻件内部和外部形成裂纹，锻造允许变形量较小，加之锻件变形死区的客观存在，使TA7钛合金的显微组织不易实现均匀化，在显微组织参数的定量控制方面存在一定困难。此外，铝、氧等强化元素的添加比例也很重要，强化元素含量过高，会导致TA7钛合金产生低温脆性；强化元素含量过低，则会导致TA7钛合金的强度值不能满足技术要求。因此，对TA7钛合金根据使用要求进行成份设计和显微组织参数的定量控制是生产优质TA7钛合金锻件的技术关键。

目前常规的TA7钛合金锻件的锻造工艺为：在TA7钛合金的β相变点以上的温度范围内进行开坯锻造后，在β相变点以下30~80℃的温度范围内锻制半成品和成品，采用常规锻造工艺制备的TA7钛合金锻件存在锻件易开裂、变形组织不均匀等诸多问题，导致TA7钛合金锻件的质量较差，不适于TA7钛合金锻件的批量生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种TA7钛合金饼材的制备方法。该方法针对TA7钛合金材料的物性特征，通过对TA7钛合金化学成分进行配比设计，以及对始锻温度、终锻温度、道次锻造比、总锻造比等锻造工艺参数的综合控制，使得初级锻坯的晶粒尺寸在7mm~15mm的范围内，半成品锻坯的晶粒尺寸在1mm~6mm的范围内，TA7钛合金饼材的显微组织中条状α长度在0.10mm~0.25mm的范围内，最终获得具有合理晶粒尺寸和组织参数的TA7钛合金饼材。采用该方法制备的TA7钛合金饼材，在室温（20℃）条件下的拉伸强度≥830MPa，屈服强度≥760MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥41%；在超低温（-253℃）条件下的拉伸强度≥1490MPa，延伸率≥12%；超声波探伤满足国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求，说明采用该方法制备的TA7钛合金饼材显微组织均匀，低温机械性能和室温机械性能均优异，适于大规模工业化生产。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、切除TA7钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TA7钛合金铸锭的表面缺陷；所述TA7钛合金铸锭的截面为直径为700mm~900mm的圆形；

步骤二、采用快锻机或电液锤将步骤一中去除表面缺陷后的TA7钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，共分2~4火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均在β相变点以上100℃~200℃，每火次开坯锻造的锻造比均为1.56~4.00；所述开坯锻造的总锻造比为12.96~20.26；

步骤三、采用快锻机或电液锤将步骤二中所述初级锻坯进行中间锻造，空冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3~5火次完成，每火次中间锻造的始锻温度均在β相变点以下10℃~20℃，每火次中间锻造的锻造比均为2.04~3.32；所述中间锻造的总锻造比为11.66~109.96；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用快锻机或电液锤将锯切下料后的半成品锻坯进行一火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为200mm~300mm，厚度为80mm~150mm的TA7钛合金饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗的锻造方式，所述成形锻造的始锻温度在β相变点以下10~40℃，所述成形锻造的总锻造比为2.40~3.32。

上述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TA7钛合金铸锭由TA7钛合金自耗电极经2~3次真空自耗电弧熔炼得到，所述TA7钛合金铸锭中锡的质量百分含量为2.0%~3.0%，铝的质量百分含量为5.0%~5.75%，氧的质量百分含量为0.07%~0.12%，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，所述锡以Ti-Sn中间合金的形式配入，所述铝以纯铝的形式配入，所述氧以二氧化钛的形式配入。

上述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，步骤二中每火次开坯锻造均分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.25~2.00，每火次开坯锻造的终锻温度均≥950℃。

上述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，步骤三中每火次中间锻造均分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.43~1.82，每火次中间锻造的终锻温度均≥950℃。

上述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述成形锻造共分两道次完成，每道次成形锻造的锻造比均为1.55~1.82，所述成形锻造的终锻温度≥850℃。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明针对TA7钛合金材料的物性特征，通过对TA7钛合金化学成分进行配比设计，以及对始锻温度、终锻温度、道次锻造比、总锻造比等锻造工艺参数的综合控制，最终获得具有合理晶粒尺寸和组织参数的TA7钛合金饼材；本发明首先采用轴向拔长的锻造方式进行开坯锻造，使开坯锻造后的TA7钛合金的晶粒尺寸控制在7mm~15mm的范围内，然后采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式进行中间锻造，使中间锻造后的TA7钛合金的晶粒尺寸控制在1mm~6mm的范围内，最后采用轴向镦粗的锻造方式进行成形锻造，使得TA7钛合金饼材的显微组织中条状α长度控制在0.10mm~0.25mm的范围内；本发明通过对TA7钛合金晶粒尺寸和组织参数的量化控制，使制备的TA7钛合金饼材满足室温强度和低温韧性的要求。

2、本发明通过对TA7钛合金进行配比设计，尤其对TA7钛合金中铝、氧、锡等元素的添加形态以及质量含量的控制，使制备的TA7钛合金饼材具备良好的低温韧性和室温性能。

3、本发明方法工艺简单，通过量化地控制锻造各阶段的组织参数，使TA7钛合金饼材产品的批次稳定性得到了真正的保障，制备的TA7钛合金饼材的显微组织均匀，超低温性能优异，可应用于超低温储藏器等关键件。

4、采取本发明方法制备的TA7钛合金饼材的超低温机械性能和室温机械性能均优异，其在室温（20℃）条件下的拉伸强度≥830MPa，屈服强度≥760MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥41%；在超低温（-253℃）条件下的拉伸强度≥1490MPa，延伸率≥12%；超声波探伤满足国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求。

5、本发明TA7钛合金饼材的制备方法，与传统的在温度为β相变点以下30~80℃的条件下锻制半成品和成品的制备方法相比，本发明方法的锻造温度提高了20℃~40℃，使TA7钛合金的加工塑性得到明显改善，每火次锻造的无形损耗量即由锻造裂纹带来的修磨量可减低2%~3%，大大减少了生产成本。

6、本发明TA7钛合金饼材的制备方法，对设备性能的依赖性小，无需特制设备或复杂设备，采用常规的快锻机或电液锤即能够实现大规模工业化生产。

7、本发明TA7钛合金饼材的制备方法，还适用于超低温条件下使用的近α型钛合金或α+β两相钛合金的饼形或盘形锻件的工业化生产，具有广泛的指导意义。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例TA7钛合金饼材的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TA7钛合金自耗电极经过2次真空自耗电弧熔炼，得到截面直径为700mm的TA7钛合金铸锭，然后切除TA7钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TA7钛合金铸锭的表面缺陷；所述TA7钛合金铸锭中锡的质量百分含量为2.00%，铝的质量百分含量为5.00%，氧的质量百分含量为0.07%，余量为钛和不可避免的杂质；其中锡以Ti-Sn中间合金的形式配入，铝以纯铝的形式配入，氧以二氧化钛的形式配入；

步骤二、采用快锻机将步骤一中所述TA7钛合金铸锭在始锻温度为β相变点以上100℃的条件下进行2火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，其中第一火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.80，第一火次开坯锻造的锻造比为3.24，第一火次开坯锻造的终锻温度为980℃；第二火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为2.00，第一火次开坯锻造的锻造比为4.00，终锻温度为980℃；所述开坯锻造的总锻造比为12.96;

步骤三、采用快锻机将步骤二中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下10℃的条件下进行3火次的中间锻造，空冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，第一火次中间锻造共分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.43，第一火次中间锻造的锻造比为2.045，第一火次中间锻造的终锻温度为950℃；第二火次中间锻造共分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.43，第二火次中间锻造的锻造比为2.045，第二火次中间锻造的终锻温度为950℃；第三火次中间锻造共分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.67，第三火次中间锻造的锻造比为2.789，第三火次中间锻造的终锻温度为950℃；所述中间锻造的总锻造比为11.663;

步骤四、将步骤三中所半成品锻坯进行锯切下料，然后采用快锻机将锯切下料后的半成品锻坯在始锻温度为β相变点以下10℃的条件下进行1火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为200mm，厚度为80mm的TA7钛合金饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗的锻造方式，共分两道次完成，每道次成形锻造的锻造比均为1.55，总锻造比为2.402，终锻温度为900℃。

本实施例针对TA7钛合金材料的物性特征，通过对TA7钛合金化学成分进行配比设计，以及对始锻温度、终锻温度、道次锻造比、总锻造比等锻造工艺参数的综合控制，最终获得具有合理晶粒尺寸和组织参数的TA7钛合金饼材；本实施例的初级锻坯的晶粒尺寸在13mm~15mm的范围内，半成品锻坯的晶粒尺寸在5mm~6mm的范围内，TA7钛合金饼材的显微组织中条状α长度为0.21mm~0.25mm。采用本实施例制备的TA7钛合金饼材，在室温（20℃）条件下的拉伸强度≥830MPa，屈服强度≥760MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥41%；在超低温（-253℃）条件下的拉伸强度≥1490MPa，延伸率≥12%；超声波探伤满足国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求，说明采用本实施例制备的TA7钛合金饼材显微组织均匀，低温机械性能和室温机械性能均优异。

实施例2

本实施例TA7钛合金饼材的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TA7钛合金自耗电极经过3次真空自耗电弧熔炼，得到截面直径为800mm的TA7钛合金铸锭，然后切除TA7钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TA7钛合金铸锭的表面缺陷；所述TA7钛合金铸锭中锡的质量百分含量为2.50%，铝的质量百分含量为5.37%，氧的质量百分含量为0.10%，余量为钛和不可避免的杂质；其中锡以Ti-Sn中间合金的形式配入，铝以纯铝的形式配入，氧以二氧化钛的形式配入；

步骤二、采用快锻机将步骤一中所述TA7钛合金铸锭在始锻温度为β相变点以上150℃的条件下进行3火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，第一火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.50，第一火次开坯锻造的锻造比为2.25，第一火次开坯锻造的终锻温度为970℃；第二火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.65，第二火次开坯锻造的锻造比为2.723，第二火次开坯锻造的终锻温度为970℃；第三火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.70，第三火次开坯锻造的锻造比为2.89，第三火次开坯锻造的终锻温度为970℃；所述开坯锻造的总锻造比为17.706;

步骤三、采用快锻机将步骤二中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下15℃的条件下进行4火次的中间锻造，空冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，第一火次中间锻造共分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.43，第一火次中间锻造的锻造比为2.045，第一火次中间锻造的终锻温度为960℃；第二火次中间锻造共分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.82，第二火次中间锻造的锻造比为3.312，第二火次中间锻造的终锻温度为960℃；第三火次中间锻造共分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.82，第三火次中间锻造的锻造比为3.312，第三火次中间锻造的终锻温度为960℃；第四火次中间锻造共分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.67，第四火次中间锻造的锻造比为2.789，第四火次中间锻造的终锻温度为960℃；所述中间锻造的总锻造比为62.564；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用快锻机将锯切下料后的半成品锻坯在始锻温度为β相变点以下25℃的条件下进行1火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为250mm，厚度为120mm的TA7钛合金饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗的锻造方式，分两道次完成，每道次成形锻造的锻造比均为1.69，总锻造比为2.856，终锻温度为900℃；

本实施例针对TA7钛合金材料的物性特征，通过对TA7钛合金化学成分进行配比设计，以及对始锻温度、终锻温度、道次锻造比、总锻造比等锻造工艺参数的综合控制，最终获得具有合理晶粒尺寸和组织参数的TA7钛合金饼材；本实施例的初级锻坯的晶粒尺寸在10mm~12mm的范围内，半成品锻坯的晶粒尺寸在3mm~4mm的范围内，TA7钛合金饼材的显微组织中条状α长度在0.16mm~0.20mm的范围内。采用本实施例制备的TA7钛合金饼材，在室温（20℃）条件下的拉伸强度≥830MPa，屈服强度≥760MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥41%；在超低温（-253℃）条件下的拉伸强度≥1490MPa，延伸率≥12%；超声波探伤满足国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求，说明采用本实施例制备的TA7钛合金饼材显微组织均匀，低温机械性能和室温机械性能均优异。

实施例3

本实施例TA7钛合金饼材的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TA7钛合金自耗电极经过3次真空自耗电弧熔炼，得到截面直径为900mm的TA7钛合金铸锭，然后切除TA7钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TA7钛合金铸锭的表面缺陷；所述TA7钛合金铸锭中锡的质量百分含量为3.0%，铝的质量百分含量为5.75%，氧的质量百分含量为0.12%，余量为钛和不可避免的杂质；其中锡以Ti-Sn中间合金的形式配入，铝以纯铝的形式配入，氧以二氧化钛的形式配入；

步骤二、采用电液锤将步骤一中所述TA7钛合金铸锭在始锻温度为β相变点以上200℃的条件下进行4火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，第一火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.25，第一火次开坯锻造的锻造比为1.563，第一火次开坯锻造的终锻温度为950℃；第二火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.50，第二火次开坯锻造的锻造比为2.25，第二火次开坯锻造的终锻温度为950℃；第三火次开坯锻造共分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.50，第三火次开坯锻造的锻造比为2.25，第三火次开坯锻造的终锻温度为950℃；第四火次开坯锻造共两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.60，第四火次开坯锻造的锻造比为2.56，第四火次开坯锻造的终锻温度为950℃；述开坯阶段的总锻造比为20.256;

步骤三、采用电液锤将步骤二中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下20℃的条件下进行5火次的中间锻造，空冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，每火次中间锻造均分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.60，每火次中间锻造的锻造比均为2.56，每火次中间锻造的终锻温度均为970℃；所述中间锻造的总锻造比为109.951；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用电液锤将锯切下料后的半成品锻坯在始锻温度为β相变点以下40℃的条件下进行1火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为300mm，厚度为150mm的TA7钛合金饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗的锻造方式，分两道次完成，每道次成形锻造的锻造比均为1.82，所述成形锻造的总锻造比为3.312，所述成形锻造的终锻温度为850℃。

本实施例针对TA7钛合金材料的物性特征，通过对TA7钛合金化学成分进行配比设计，以及对始锻温度、终锻温度、道次锻造比、总锻造比等锻造工艺参数的综合控制，最终获得具有合理晶粒尺寸和组织参数的TA7钛合金饼材；本实施例的初级锻坯的晶粒尺寸在7mm~9mm的范围内，半成品锻坯的晶粒尺寸在1mm~2mm的范围内，TA7钛合金饼材的显微组织中条状α长度为0.10mm~0.15mm。采用本实施例制备的TA7钛合金饼材，在室温（20℃）条件下的拉伸强度≥830MPa，屈服强度≥760MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥41%；在超低温（-253℃）条件下的拉伸强度≥1490MPa，延伸率≥12%；超声波探伤满足国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求，说明采用本实施例制备的TA7钛合金饼材显微组织均匀，低温机械性能和室温机械性能均优异。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、切除TA7钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TA7钛合金铸锭的表面缺陷；所述TA7钛合金铸锭的截面为直径为700mm～900mm的圆形；所述TA7钛合金铸锭由TA7钛合金自耗电极经2～3次真空自耗电弧熔炼得到，所述TA7钛合金铸锭中锡的质量百分含量为2.0％～3.0％，铝的质量百分含量为5.0％～5.75％，氧的质量百分含量为0.07％～0.12％，余量为钛和不可避免的杂质；

步骤二、采用快锻机或电液锤将步骤一中去除表面缺陷后的TA7钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向拔长的锻造方式，共分2～4火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均在β相变点以上100℃～200℃，每火次开坯锻造的锻造比均为1.56～4.00；所述开坯锻造的总锻造比为12.96～20.26；

步骤三、采用快锻机或电液锤将步骤二中所述初级锻坯进行中间锻造，空冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3～5火次完成，每火次中间锻造的始锻温度均在β相变点以下10℃～20℃，每火次中间锻造的锻造比均为2.04～3.32；所述中间锻造的总锻造比为11.66～109.96；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用快锻机或电液锤将锯切下料后的半成品锻坯进行一火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为200mm～300mm，厚度为80mm～150mm的TA7钛合金饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗的锻造方式，所述成形锻造的始锻温度在β相变点以下10～40℃，所述成形锻造的总锻造比为2.40～3.32。

2.根据权利要求1所述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，所述锡以Ti-Sn中间合金的形式配入，所述铝以纯铝的形式配入，所述氧以二氧化钛的形式配入。

3.根据权利要求1所述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，步骤二中每火次开坯锻造均分两道次完成，每道次开坯锻造的锻造比均为1.25～2.00，每火次开坯锻造的终锻温度均≥950℃。

4.根据权利要求1所述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，步骤三中每火次中间锻造均分两道次完成，每道次中间锻造的锻造比均为1.43～1.82，每火次中间锻造的终锻温度均≥950℃。

5.根据权利要求1所述的一种TA7钛合金饼材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述成形锻造共分两道次完成，每道次成形锻造的锻造比均为1.55～1.82，所述成形锻造的终锻温度≥850℃。