CN103170602A - Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法 - Google Patents

Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法 Download PDF

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Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，它涉及一种半固态坯料的制备方法。本发明解决了现有方法有半固态二次加热过程，增加了成本的技术问题。本方法如下：用钛金属和铜金属制备Ti-Cu型钛合金坯料；利用电炉将Ti-Cu型钛合金坯料在氩气保护下加热，然后进行镦粗热压缩变形，然后在半固态温度下保温，再进行半固态触变锻造或者半固态触变挤压，得到Ti-Cu型钛合金半固态坯料。本发明没有半固态二次加热过程，提高了Ti-Cu型钛合金零件的生产效率，节约成本。本发明用于半固态坯料的制备领域。

Description

Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种半固态坯料的制备方法。
背景技术
钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右，仅为钢的60％，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
目前钛合金的成形方法主要包括锻造和铸造。铸造利用液态钛合金的流动性充填模具型腔而成形产品的工艺过程。锻造是将钛合金进行固态高温热塑性变形，使其充满模具型腔，从而成形所需产品的工艺过程。二者各有利弊，其中铸造以成型复杂形状零件见长，锻造则以提高产品性能为优势。但是二者在成形高性能复杂形状钛合金零件方面都不具备优势。针对高性能复杂形状钛合金零件的成形需求，半固态触变成形技术具有一定的应用前景和价值。半固态触变成形技术是20世纪70年代由美国麻省理工学院M.C.Flemings和D.B.Spencer发明的一项金属精密成形技术。半固态触变成形技术是一种继承了铸、锻工艺的综合优点的精密、近净成形技术。与传统的液态压铸相比，半固态触变成形技术具有成形温度低(液-固相温区)、模具寿命长、制件精度高、组织均匀及其力学性能高等优点；与固态锻造相比，它的显著优点是可用较小的力、较低的成本一次成形形状复杂、力学性能接近于锻件的结构零件。
半固态触变成形技术中主要技术路线为：坯料制备，二次加热(重熔)和触变成形。其中如何制备半固态坯料是半固态触变成形技术最关键的一步。因为其决定和影响着整个成形过程，对成形产品的微观组织形貌和力学性能非常重要。但是现有的方法有半固态二次加热过程，增加了成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有方法有半固态二次加热过程，增加了成本的技术问题，提供了一种Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法。
Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法如下：
一、将钛金属和铜金属混合，得混合物，混合物中钛金属的质量分数为82％-86％，铜金属的质量分数为14％-18％，然后熔炼混合物，再浇注，得到直径为50mm-60mm、长度为350mm-400mm的圆柱体棒料，然后再切削，得到长度为85mm-95mm的Ti-Cu型钛合金坯料；
二、将镦粗模具工装分别安装至液压机的活动横梁和下固定横梁的工作台面上并将其预热至220℃-235℃，并且在温度为125℃-145℃的条件下将体积浓度为8％-25％的石墨水溶液匀地喷涂在镦粗模具凸模和凹模的表面；
三、将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具安装至液压机或者挤压机的活动横梁和固定横梁的工作台上，并将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具预热至280℃-330℃；
四、利用电炉将Ti-Cu型钛合金坯料在氩气保护下加热至820℃-850℃，保温8min-12min；
五、将高温电炉将预热至Ti-Cu型钛合金的半固态温度1160℃-1200℃保温；
六、将经过步骤四处理的Ti-Cu型钛合金坯料运至镦粗模具，在变形量为17％-23％、压缩变形速度为5mm/s-8mm/s的条件下进行镦粗热压缩变形，得到镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料；
七、将镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至高温电阻炉中在氩气保护、1160℃-1200℃进行半固态温度下保温16min-21min；
八、将经过步骤七处理的镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至步骤三所述半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具中，在280℃-330℃的条件下进行半固态触变锻造或者半固态触变挤压，得到Ti-Cu型钛合金半固态坯料，其中半固态触变锻造变形速度为28mm/s-36mm/s，半固态触变挤压变形速度为32mm/s-40mm/s。
步骤一中所述的钛金属的纯度为99.95％以上，铜金属的纯度为99.97％以上。
步骤一中在熔炼温度为1570℃-1600℃、真空度为1.9×10-1Pa-7.9×10-2Pa的条件下，熔炼混合物30min-35min。
步骤二中镦粗模具工装预热采用内置电阻丝预热，采用高频瓷管进行支撑和绝缘处理，电阻丝材料为Cr20Ni80型镍铬电阻丝，采用三相三角形连接方式，模具内的加热装置功率为18kw。
步骤三中半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具凸模内的加热装置功率为21kw，凹模的加热装置功率为25kw。
步骤三中半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具在加热过程中在温度为125℃-145℃的条件下将体积浓度为8％-25％的石墨水溶液匀地喷涂在半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具型腔表面。
步骤六中采用公称压力为10000kN的三梁四柱式液压机进行镦粗热压缩变形。
本发明具有以下有益效果：
(一)、采用材料冶金方法制备的Ti-Cu型钛合金坯料具有较宽的半固态温度区间，所以该坯料非常适合半固态触变成形。
(二)、采用镦粗工艺对Ti-Cu型钛合金坯料实现热压缩变形能够使材料微观组织细化，储存弹性和塑性变性能，有效实现应变诱导。
(三)、采用镦粗热变形后直接运抵高温电阻炉中进行保护气氛下升温并半固态温度保温能够缩短工艺流程，节约能源消耗，提高制坯生产效率。
(四)、采用半固态温度保温处理后直接运抵半固态触变模具型腔进行半固态触变成形能够实现与成形过程的有效匹配，本发明没有半固态二次加热过程，提高了Ti-Cu型钛合金零件的生产效率，节约成本。
附图说明
图1是本发明镦粗模具的结构示意图，图中1表示凸模，2表示凹模，3表示加热孔；
图2是本发明半固态触变模锻模具的结构示意图，图中4表示半固态触变模锻模具的凸模，5表示半固态触变模锻模具的凹模，6表示模锻制件；
图3是本发明半固态挤压模具的结构示意图，图中7表示半固态挤压模具的凸模，8表示半固态挤压模具的凹模，9表示挤压制件。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法如下：
一、将钛金属和铜金属混合，得混合物，混合物中钛金属的质量分数为82％-86％，铜金属的质量分数为14％-18％，然后熔炼混合物，再浇注，得到直径为50mm-60mm、长度为350mm-400mm的圆柱体棒料，然后再切削，得到长度为85mm-95mm的Ti-Cu型钛合金坯料；
二、将镦粗模具工装分别安装至液压机的活动横梁和下固定横梁的工作台面上并将其预热至220℃-235℃，并且在温度为125℃-145℃的条件下将体积浓度为8％-25％的石墨水溶液匀地喷涂在镦粗模具凸模和凹模的表面；
三、将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具安装至液压机或者挤压机的活动横梁和固定横梁的工作台上，并将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具预热至280℃-330℃；
四、利用电炉将Ti-Cu型钛合金坯料在氩气保护下加热至820℃-850℃，保温8min-12min；
五、将高温电炉将预热至Ti-Cu型钛合金的半固态温度1160℃-1200℃保温；
六、将经过步骤四处理的Ti-Cu型钛合金坯料运至镦粗模具，在变形量为17％-23％、压缩变形速度为5mm/s-8mm/s的条件下进行镦粗热压缩变形，得到镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料；
七、将镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至高温电阻炉中在氩气保护、1160℃-1200℃进行半固态温度下保温16min-21min；
八、将经过步骤七处理的镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至步骤三所述半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具中，在280℃-330℃的条件下进行半固态触变锻造或者半固态触变挤压，得到Ti-Cu型钛合金半固态坯料，其中半固态触变锻造变形速度为28mm/s-36mm/s，半固态触变挤压变形速度为32mm/s-40mm/s。
本实施方式步骤一中将钛金属和铜金属混合前在55℃-60℃的条件下采用HNO3与HF的水溶液进行酸洗12min-15min，HNO3与HF的水溶液中HNO3体积浓度为21％-23％、HF体积浓度为2％-19％。
本实施方式中步骤七中采用WRP型铂铑10-铂热电偶进行镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料温度测量，将铂铑10-铂热电偶直接与镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料表面接触进行测温。
本实施方式中所用的半固态触变模锻设备采用公称压力为5000kN的三梁四柱式液压机，本实施方式中所用的半固态触变挤压设备采用公称压力为6500kN的立式挤压机。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的钛金属的纯度为99.95％以上，铜金属的纯度为99.97％以上。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是步骤一中在熔炼温度为1570℃-1600℃、真空度为1.9×10-1Pa-7.9×10-2Pa的条件下，熔炼混合物30min-35min。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤二中镦粗模具工装预热采用内置电阻丝预热，采用高频瓷管进行支撑和绝缘处理，电阻丝材料为Cr20Ni80型镍铬电阻丝，采用三相三角形连接方式，模具内的加热装置功率为18kw。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具凸模内的加热装置功率为21kw，凹模的加热装置功率为25kw。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三中半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具在加热过程中在温度为125℃-145℃的条件下将体积浓度为8％-25％的石墨水溶液匀地喷涂在半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具型腔表面。。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤六中采用公称压力为10000kN的三梁四柱式液压机进行镦粗热压缩变形。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤一中混合物中钛金属的质量分数为85％，铜金属的质量分数为15％。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤六中在变形量为20％、压缩变形速度为6mm/s的条件下进行镦粗热压缩变形。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤七中在氩气保护、1180℃进行半固态温度下保温15min。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法如下：
一、将钛金属和铜金属混合，得混合物，混合物中钛金属的质量分数为84％，铜金属的质量分数为16％，然后熔炼混合物，再浇注，得到直径为55mm、长度为360mm的圆柱体棒料，然后再切削，得到长度为90mm的Ti-Cu型钛合金坯料；
二、将镦粗模具工装分别安装至液压机的活动横梁和下固定横梁的工作台面上并将其预热至230℃，并且在温度为135℃的条件下将体积浓度为20％的石墨水溶液匀地喷涂在镦粗模具凸模和凹模的表面；
三、将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具安装至液压机或者挤压机的活动横梁和固定横梁的工作台上，并将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具预热至330℃；
四、利用电炉将Ti-Cu型钛合金坯料在氩气保护下加热至830℃，保温10min；
五、将高温电炉将预热至Ti-Cu型钛合金的半固态温度1170℃，保温15min；
六、将经过步骤四处理的Ti-Cu型钛合金坯料运至镦粗模具，在变形量为20％、压缩变形速度为7mm/s的条件下进行镦粗热压缩变形，得到镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料；
七、将镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至高温电阻炉中在氩气保护、1190℃进行半固态温度下保温20min；
八、将经过步骤七处理的镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至步骤三所述半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具中，在300℃的条件下进行半固态触变锻造或者半固态触变挤压，得到Ti-Cu型钛合金半固态坯料，其中半固态触变锻造变形速度为28mm/s-36mm/s，半固态触变挤压变形速度为32mm/s-40mm/s。
本实验步骤一中将钛金属和铜金属混合前在60℃的条件下采用HNO3与HF的水溶液进行酸洗15min，HNO3与HF的水溶液中HNO3体积浓度为22％、HF体积浓度为2％。
本实验中步骤七中采用WRP型铂铑10-铂热电偶进行镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料温度测量，将铂铑10-铂热电偶直接与镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料表面接触进行测温。
本实验中所用的半固态触变模锻设备采用公称压力为5000kN的三梁四柱式液压机，本实验中所用的半固态触变挤压设备采用公称压力为6500kN的立式挤压机。

Claims (10)

1.Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法如下：
一、将钛金属和铜金属混合，得混合物，混合物中钛金属的质量分数为82％-86％，铜金属的质量分数为14％-18％，然后熔炼混合物，再浇注，得到直径为50mm-60mm、长度为350mm-400mm的圆柱体棒料，然后再切削，得到长度为85mm-95mm的Ti-Cu型钛合金坯料；
二、将镦粗模具工装分别安装至液压机的活动横梁和下固定横梁的工作台面上并将其预热至220℃-235℃，并且在温度为125℃-145℃的条件下将体积浓度为8％-25％的石墨水溶液匀地喷涂在镦粗模具凸模和凹模的表面；
三、将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具安装至液压机或者挤压机的活动横梁和固定横梁的工作台上，并将半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具预热至280℃-330℃；
四、利用电炉将Ti-Cu型钛合金坯料在氩气保护下加热至820℃-850℃，保温8min-12min；
五、将高温电炉将预热至Ti-Cu型钛合金的半固态温度1160℃-1200℃保温；
六、将经过步骤四处理的Ti-Cu型钛合金坯料运至镦粗模具，在变形量为17％-23％、压缩变形速度为5mm/s-8mm/s的条件下进行镦粗热压缩变形，得到镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料；
七、将镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至高温电阻炉中在氩气保护、1160℃-1200℃进行半固态温度下保温16min-21min；
八、将经过步骤七处理的镦粗变形的Ti-Cu型钛合金坯料运至步骤三所述半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具中，在280℃-330℃的条件下进行半固态触变锻造或者半固态触变挤压，得到Ti-Cu型钛合金半固态坯料，其中半固态触变锻造变形速度为28mm/s-36mm/s，半固态触变挤压变形速度为32mm/s-40mm/s。
2.根据权利要求1所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤一中所述的钛金属的纯度为99.95％以上，铜金属的纯度为99.97％以上。
3.根据权利要求1所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤一中在熔炼温度为1570℃-1600℃、真空度为1.9×10-1Pa-7.9×10-2Pa的条件下，熔炼混合物30min-35min。
4.根据权利要求1所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤二中镦粗模具工装预热采用内置电阻丝预热，采用高频瓷管进行支撑和绝缘处理，电阻丝材料为Cr20Ni80型镍铬电阻丝，采用三相三角形连接方式，模具内的加热装置功率为18kw。
5.根据权利要求1所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤三中半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具凸模内的加热装置功率为21kw，凹模的加热装置功率为25kw。
6.根据权利要求1所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤三中半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具在加热过程中在温度为125℃-145℃的条件下将体积浓度为8％-25％的石墨水溶液匀地喷涂在半固态触变模锻模具或者半固态挤压模具型腔表面。
7.根据权利要求1所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤六中采用公称压力为10000kN的三梁四柱式液压机进行镦粗热压缩变形。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤一中混合物中钛金属的质量分数为85％，铜金属的质量分数为15％。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤六中在变形量为20％、压缩变形速度为6mm/s的条件下进行镦粗热压缩变形。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述Ti-Cu型钛合金半固态坯料的制备方法，其特征在于步骤七中在氩气保护、1180℃进行半固态温度下保温15min。
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