CN103071744A - 一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，在准β锻造时采用的是胎膜锻造方式，步骤如下：(1)进行荒坯制备；(2)胎膜准备及设备安装；(3)胎膜准β锻造。该锻造方法相比采用自由锻造的方式生产细长杆类TC18钛合金锻件时，在准β锻造上具有明显的优势，大大缩短了锻造时间，顺利完成材料工艺特性需求的变形量；另外，锻件成型尺寸精度高，较大幅度的缩小设计加工余量，提升产品效益。

Description

一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法

技术领域

本发明涉及一种锻造方法，尤其是一种适用于改进细长杆状TC18钛合金准β锻造组织、性能均匀性的成型方法。 

背景技术

TC18钛合金是我国近年来开始研制、使用的新型钛合金，属于近β型钛合金材料，合金化程度高，具有较高的强度和良好的综合性能指标。锻件生产方法是准β锻造加双重退火，锻件的组织形态和组织均匀性主要取决于准β锻造环节，虽然它的性能指标通过热处理方式可调范围较大，但准β锻造是决定锻件性能、组织均匀性的关键环节。 

准β锻造是近年来发展起来的一种新型锻造方法，锻造用坯料的加热方法是在相变点下40～20℃之间保温热透后(保温系数0.6～0.8min/mm)随炉升温至相变点上5～25℃保温(0.2～0.5min/mm)，随后出炉锻造。从组织转变机理上来说，准β加热后，原始双态组织中的α相会逐渐转变β相，α相全部溶解后晶粒开始合并长大，内部组织转变成单一的β相，出炉后随着坯料温度的降低，β晶粒内重新析出针状α相，并伴随锻造变形，原始β晶界被打碎，晶粒尺寸得到细化，经过双重退火后得到具有网篮组织的中等尺寸的晶粒，具有较高的强度和良好的疲劳韧性。但是准β锻造环节，不同的变形方式、变形温度和变形量对组织形态还有较大的影响，直接影响着最终锻件的性能水平。 

在某型机锻件研制任务中，存在大量的等厚度、等截面的长杆类TC18钛合金锻件，部分锻件长度达到1800mm，最终锻件截面宽度180～210mm不等，厚度尺寸约95mm厚，图纸设计为自由锻件。但采取自由锻造进行准β锻造时，材料出炉温度为880℃左右，锻造方式为自由锻单向拔长，该材料的工艺特定要求准β锻造时需完成至少25％的拔长变形量，但在实际生产过程中，因坯料截面小、长度大，受空气冷却的速度较快，采用自由锻造拔长时，在拔长一端头的过程中，另一半坯料实际温度已冷却至800℃左右，变形抗力大大增加，拔长难度加大，坯料很快便冷却至终锻温度附近，实际拔长变形量难以完成，最终锻件组织晶粒粗大、延伸率低、各部分性能均匀性很差，造成了产品的报废，损失惨重。锻件各部分变形温度和变形的不均匀性、整体变形量小是 导致产品报废的主要原因，只有通过优化锻造方案，提升变形效率，实现变形的均匀性才能保证TC18钛合金细长杆类锻件准β锻造后组织、性能的均匀性。 

发明内容

本发明的目的是：提供一种改进细长杆状TC18钛合金准β锻造均匀变形的锻造方法，以实现TC18钛合金在较短的时间、较高的温度下完成均匀变形要求，进而提升产品组织、性能的均匀性和稳定性。 

本发明的技术方案是：一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，在准β锻造时采用的是胎膜锻造方式，步骤如下： 

(1)进行荒坯制备； 

(2)胎膜准备及设备安装：胎膜锻用设备采用大型模锻压力机或大型模锻锤；胎膜型腔尺寸等于锻件图纸尺寸加放热膨胀率的尺寸；荒坯坯料的长度略小于型腔的长度，坯料的宽度方向尺寸比型腔宽度尺寸小25％～45％，厚度方向尺寸大于型腔厚度方向闭合尺寸；锻造时靠整体打击高度方向，使宽度方向处于自由状态的坯料沿宽度方向展宽以充满型腔； 

(3)胎膜准β锻造：坯料在电炉中加热，在相变点下20～40℃保温0.6～0.8min/mm，之后随炉升温至相变点上5～25℃，保温系数取0.2～0.5min/mm；保温时间结束后立即出炉模锻，坯料上锤后，先轻击1～2锤，使坯料在胎膜型腔中实现完好定位并得到平整；随后重击8～12锤，每锤之间时间间隔约1.5s，以避免变形过快造成温升严重，完成该火次变形总量的90％左右；迅速观察坯料成型效果差、缺肉较大的部位，采用加垫5mm左右的钢板进行局部打击的方式，促进毛坯充满型腔；最后去除垫板，重击2～3锤，对锻件进行平整，锻后出炉散开空冷。 

本发明具有的优点和有益效果是：该锻造方法相比采用自由锻造的方式生产细长杆类TC18钛合金锻件时，在准β锻造上具有明显的优势，整个锻造过程从出炉到锻造结束，能在较短时间内(不大于2.5分钟)完成，大大缩短了锻造时间，避免坯料温降过低，使坯料在相对较高的温度下实现了均匀的变形，顺利完成材料工艺特性需求的变形量；另外，采用胎膜锻造生产细长杆状TC18钛合金锻件时，锻件成型过程中金属流动完全受模具型腔的限制，尺寸精度高，可以较大幅度的缩小设计加工余量，降低材料消耗，可节约材料约计5～15％，从而提升了产品效益。 

附图说明

图1为胎膜锻造示意图； 

图2为自由锻造示意图。 

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述： 

本发明使用630KJ大型模锻对击锤和5CrNiMo等常规材料模具。 

实施例 

材料：TC18，锻件最终尺寸：90mm×200mm×1820mm，1820方向为流线方向。现对本发明应用前后的生产方案进行如下对比： 

1、原方案： 

(1)自由锻制坯：在相变点下20～40℃将原始φ210×1180mm棒材拔长变形至150mm×200mm×～1360mm，该工序可多火次完成，生产难度小。 

(2)自由锻进行准β锻造：该工序为关键工序，锻造的目标是将坯料拔长产生25％的变形量，该火次目标尺寸为110mm×210mm×～1760mm，坯料加热温度885℃，出炉后使用锻造机械手加持锻件一端头，将另一端送至自由锻锤上进行锻打，锻打方式分如下几个阶段： 

第一阶段：对锻件长度50％的一端厚度尺寸150mm进行锻打，第一遍每次压下量25mm，将垂直尺寸锻至125mm，并以100mm/(4～5)s的速度进给，完成后操作机后退，重新从端头送进锻打至110mm，将该50％长度的一端完成锻造变形需要120～140s的时间，此时锻造端的坯料温度已降至750℃以下，未锻造端虽然未产生物理传导散热，但一直处于空冷状态，坯料表面温度已降至800℃左右。 

第二阶段：操纵锻造机械手调整坯料位置并对坯料进行调头，操作时间约计15～20s，待锻造锻坯料温度一直在下降。 

第三阶段，按如上的变形方式对第一阶段未锻造变形的一端进行拔长锻造，因坯料较薄，温度不断下降，已接近终锻温度，锻造变形抗力急剧上升，拔长变形异常困难，基本情况是：还未将厚度尺寸150mm锻至125mm，坯料已冷却至终锻温度以下，不能再锻打变形，单个锻件从出炉到降至终端温度时间约为260～290S。 

原方案锻件理化检测结果：组织晶粒粗大，低倍组织上下表面处的晶粒明显比心部晶粒粗大；性能结果显示，锻件表层区域取样的塑性很差，达不到标准要求，锻件沿长度方向上的组织、性能均匀性也比较差。 

本发明实施后的生产方案： 

(1)自由锻制坯：在相变点下20～40℃将原始φ210×1025mm棒材拔长变形至145mm×145mm×～1770mm，因可多火次生产，所以工序完成较容易。 

(2)胎膜准β锻造，坯料加热温度仍为885℃，坯料出炉后转移时间约为25s，模锻方式为单向镦粗变形，过程分解如下： 

第一阶段，轻击1～2锤，将坯料平稳的打进型腔，垂直尺寸145mm已锻打至140mm，截面尺寸145mm×145mm改变为140mm×～150mm； 

第二阶段：重击10锤，每锤时间间隔约1.5s，锻件截面尺寸140mm×～150mm被镦粗至108×～195mm，锻打过程中，金属也沿锻件长度方向流动，长度方向已经充满； 

第三阶段：在锻件缺肉较多部位的上表面加垫5mm厚的钢板，打击2锤；之后去除钢板，平击1～2锤，垂直尺寸锻至105mm，锻造结束。 

发明实施效果： 

1、关键工序准β锻造对比：原方案锻造时间为260～290s，因时间长、坯料冷却，锻造未完成工艺变形要求，坯料已冷至750℃以下；发明实施后，锻造时间缩短至55s，坯料厚度由145mm均匀打至105mm，锻造实现了27.5％的均匀变形量，锻造结束时，坯料温度还在800℃以上。 

2、自由锻造操作困难，只能靠增加余量的方式抵消翘曲、弯曲、形状偏差带来的影响，以保证零件的加工余量，因此，投料尺寸较大；而采取太模锻生产时，截面余量靠模具型腔保证，锻件也不产生大的翘曲，投料尺寸小，约节约材料13％ 

3、发明实施后，锻件研制两批均一次性成功，因变形均匀，过程控制难度低，提升了工艺稳定化程度，最终锻件的组织、性能均匀性很好。 

Claims (2)

1.一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，在准β锻造时采用的是胎膜锻造方式。

2.如权利要求1所述的改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，具体步骤如下：

(1)进行荒坯制备；

(2)胎膜准备及设备安装：胎膜锻用设备采用大型模锻压力机或大型模锻锤；胎膜型腔尺寸等于锻件图纸尺寸加放热膨胀率的尺寸；荒坯坯料的长度略小于型腔的长度，坯料的宽度方向尺寸比型腔宽度尺寸小25％～45％，厚度方向尺寸大于型腔厚度方向闭合尺寸；锻造时靠整体打击高度方向，使宽度方向处于自由状态的坯料沿宽度方向展宽以充满型腔；

(3)胎膜准β锻造：坯料在电炉中加热，在相变点下20～40℃保温0.6～0.8min/mm，之后随炉升温至相变点上5～25℃，保温系数取0.2～0.5min/mm；保温时间结束后立即出炉模锻，坯料上锤后，先轻击1～2锤，使坯料在胎膜型腔中实现完好定位并得到平整；随后重击8～12锤，每锤之间时间间隔约1.5s，以避免变形过快造成温升严重，完成该火次变形总量的90％左右；迅速观察坯料成型效果差、缺肉较大的部位，采用加垫5mm左右的钢板进行局部打击的方式，促进毛坯充满型腔；最后去除垫板，重击2～3锤，对锻件进行平整，锻后出炉散开空冷。

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