CN103510030A - 一种tc21钛合金大规格棒材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,包括以下步骤:一、将TC21钛合金铸锭进行开坯锻造,得到初级锻坯;二、将初级锻坯进行镦拔锻造,得到中间锻坯;三、进行均匀化处理;四、将中间锻坯进行成形锻造,得到截面直径为160mm~400mm的圆柱形TC21钛合金大规格棒材。本发明通过进行均匀化处理,并对锻造工艺进行优化,能够实现合金等轴组织至三态组织的控制,从而实现强度、塑性、韧性及疲劳性能的综合调控。本发明工艺简单可行,制备的TC21合金大规格棒材组织均匀细小,力学性能高,适于大规模工业化生产,满足航空、航天工业对高品质大规格TC21钛合金棒材的发展要求。

Description

一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于钛合金材料加工技术领域,具体涉及一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法。
背景技术
[0002] TC21合金是我国具有自主知识产权的一种新型钛合金,其强度、塑性、韧性可以达到:Rm≤IlOOMPa, Z ^ 10%, Kic≤70MPa *m1/2,同时具有低的裂纹扩展速率等,具有国际先进性能水平,是一种具有良好应用前景的高强、高韧及高损伤容限型钛合金。由于其出色的综合力学性能匹配,是我国重要的航空、航天用主承力结构件材料。随着我国航空、航天工业的发展,对TC21合金棒材提出了更高的规格及品质要求。
[0003] 由于含有较高β稳定元素,TC21合金的热加工塑性较好,但是变形抗力较大,受锻机压力的限制,目前对该合金小规格棒材研究很多,但是对该合金大规格棒材的加工方法报道较少。由于锻透性的问题,对于直径为160_以上的大规格棒材,尤其是直径超过300mm的超大规格棒材,采用常规的锻造方法极易在径向产生高、低倍组织的不均匀,为了改善TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性,满足航空、航天工业的发展要求,亟需研制出一种新的TC21钛合金大规格棒材的制备方法。
发明内容
[0004] 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TC21钛合金大规格棒材的制备方法。该方法制备工艺简单可行,产品质量优良,合格率高,适于大规模工业化生产;采用该方法制 备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好,力学性能高,满足航空、航天工业的发展要求。
[0005]为解决上述技术问题,本 发明采用的技术方案是:一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
[0006] 步骤一、将TC21钛合金铸锭在始锻温度为1000°C~1150°C的条件下进行3火次的开坯锻造,每火次开坯锻造的锻造比均为5.6~8.4,得到初级锻坯;
[0007] 步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的镦拔锻造,每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6~7.5,得到中间锻坯;
[0008] 步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上5°C~50°C的条件下保温2h~3h进行均匀化处理;
[0009] 步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的成形锻造,每火次成形锻造的锻造比均为4.5~8.4,得到TC21钛合金大规格棒材;所述TC21钛 合金大规格棒材为圆柱形棒材,其截面直径为160mm ~400mmo
[0010] 上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤一中所述TC21钛合金铸锭为圆柱形铸锭,其截面直径为420mm~720mm。[0011] 上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤一中每火次开坯锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
[0012] 上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤三中均匀化处理后的中间锻坯采用水冷方式进行冷却。
[0013] 上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤一中每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理,步骤二中每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理。
[0014] 本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0015] 1、可实现TC21钛合金大规格棒材的组织调控。本发明通过控制锻造温度及锻造比,并进行均匀化处理,可以实现等轴组织到三态组织的调控,达到对TC21合金大规格棒材综合力学性能的调控。等轴组织大规格棒材的延伸率可以达到20%,但断裂韧性相对降低。与等轴及双态组织相比,三态组织塑性有一定的下降,但是断裂韧性可以达到70MPa.m1/2 以上。
[0016] 2、棒材组织均匀性好。与常规的锻造工艺相比,本发明在两相区镦拔锻造后增加了 β相区均匀化处理,可以改善因相变点以下多火次变形,变形不均匀累积导致的严重组织不均匀,经过均匀化热处理后的锻坯通过相变点之下的有限变形,能够制备出高、低倍组织均匀的截面直径为160mm~400mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0017] 3、本发明制备工艺简单可行,产品质量优良,合格率高,适于大规模工业化生产。
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
[0019]图1为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0020]图2为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0021]图3为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0022]图4为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0023]图5为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0024] 图6为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
[0025]图7为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
[0026] 图8为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0027] 图9为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
[0028] 图10为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
[0029] 图11为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0030] 图12为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
[0031] 图13为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
[0032] 图14为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0033] 图15为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
`[0034] 图16为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
具体实施方式[0035] 本发明TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括将TC21合金铸锭在β相变点之上开坯锻造,再在β相变点之下镦拔变形,然后在β相变点之上进行均匀热处理,最后在β相变点之下锻造成形。所涉及的开坯锻造、镦拔锻造和成形锻造均采用的是本技术领域的常规锻造方式。
[0036] 实施例1
[0037] 本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0038] 步骤一、将规格为Φ720πιπιΧ 1030mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造,其中第一火次开坯锻造为两镦两拔,始锻温度为11501:,锻造比为5.6,第二火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1100°C,锻造比为8.4,第三火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1050°C,锻造比为8.4,开坯锻造后分切下料,得到初级锻坯;每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理;
[0039] 步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下20°C的条件下进行2火次的镦拔锻造,每火次镦拔锻造均为两镦两拔,每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6,得到中间锻坯;每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理;
[0040] 步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上20°C的条件下保温2h进行均匀化处理,然后水冷至25°C室温;
[0041] 步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下25°C的条件下进行2火次的成形锻造,其中第一火次成形锻造为两镦两拔,锻造比为6,第二火次成形锻造为一缴两拔然后滚圆,锻造比为4.6,机械加工后得到规格为Φ400ηιηιΧ 580mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0042] 本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图1,棒材芯部的高倍组织图见图5,棒材1/2R处的高倍组织图见图6,棒材边部的高倍组织图见图7。由图1、图5、图6和图7可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0043] 实施例2
[0044] 本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0045] 步骤一、将规格为Φ 720mm X 930mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造,其中第一火次开坯锻造为两镦两拔,始锻温度为1150°C,锻造比为5.6,第二火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1100°C,锻造比为8.4,第三火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1050°C,锻造比为8.4,开坯锻造后分切下料,得到初级锻坯;每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理;
[0046] 步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C的条件下进行2火次的镦拔锻造,第一火次镦拔锻造为二镦三拔,第二火次镦拔锻造为三镦二拔,每火次镦拔锻造的锻造比均为7.5,得到中间锻坯;
[0047] 步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上5°C的条件下保温3h进行均匀化处理,然后水冷至25°C室温;
[0048] 步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下40°C的条件下进行2火次的成形锻造,其中第一火次成形锻造为两镦三拔,锻造比为7,第二火次成形锻造为一缴一拔然后滚圆,锻造比为4.8,机械加工后得到规格为Φ260πιπιΧ 1000mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0049] 本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图2,棒材芯部的高倍组织图见图8,棒材1/2R处的高倍组织图见图9,棒材边部的高倍组织图见图10。由图2、图8、图9和图10可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0050] 实施例3
[0051] 本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0052] 步骤一、将规格为Φ 560mm X 700mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造,其中第一火次开坯锻造为两镦两拔,始锻温度为1150°C,锻造比为5.6,第二火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1100°C,锻造比为8.4,第三火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1050°C,锻造比为8.4,开坯锻造后分切下料,得到初级锻坯;每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理;
[0053] 步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下50°C的条件下进行2火次的镦拔锻造,每火次镦拔锻造均为两镦两拔,每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6,得到中间锻坯;
[0054] 步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上10°C的条件下保温
2.5h进行均匀化处理,然后水冷至25°C室温;
[0055] 步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C的条件下进行2火次的成形锻造,其中第一火次成形锻造为三镦三拔,锻造比为8.4,第二火次成形锻造为一镦一拔然后滚圆,锻造比为4.4,机械加工后得到规格为Φ 350mm X 830mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0056] 本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图3,棒材芯部的高倍组织图见图11,棒材1/2R处的高倍组织图见图12,棒材边部的高倍组织图见图13。由图3、图11、图12和图13可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0057] 实施例4
[0058] 本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0059] 步骤一、将规格为Φ 420mm X 600mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造,其中第一火次开坯锻造为两镦两拔,始锻温度为1150°C,锻造比为6.0,第二火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1080°C,锻造比为8.0,第三火次开坯锻造为三镦三拔,始锻温度为1000°C,锻造比为8.0,开坯锻造后分切下料,得到初级锻坯;每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理;
[0060] 步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下40°C的条件下进行2火次的镦拔锻造,每火次镦拔锻造均为两镦两拔,每火次镦拔锻造的锻造比均为6.0,得到中间锻坯;
[0061] 步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上50°C的条件下保温2h进行均匀化处理,然后水冷至25°C室温;
[0062] 步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下50°C的条件下进行2火次的成形锻造,其中第一火次成形锻造为两镦两拔,锻造比为5.6,第二火次成形锻造为一镦一拔然后滚圆,锻造比为3.8,机械加工后得到规格为Φ 160mmX 350mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0063] 本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图4,棒材芯部的高倍组织图见图14,棒材1/2R处的高倍组织图见图15,棒材边部的高倍组织图见图16。由图4、图14、图15和图16可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0064] 表1本发明实施例1至4制备的TC21钛合金大规格棒材的力学性能数据
[0065]
Figure CN103510030AD00071
[0066] 由表1可知,本发明实施例1至4制备的TC21钛合金大规格棒材的Rm≥1078MPa,Rp0.2 ≥ 1024MPa,A ≥ 8.5%, Z ≥ 16%, Kic ≥ 65.17MPa.ι?1/2,说明本发明制备的 TC21 钛合金大规格棒材具有优良的力学性能,满足相关技术要求。
[0067] 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TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤: 步骤一、将TC21钛合金铸锭在始锻温度为1000°C~1150°C的条件下进行3火次的开坯锻造,每火次开坯锻造的锻造比均为5.6~8.4,得到初级锻坯; 步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的镦拔锻造,每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6~7.5,得到中间锻坯; 步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上5°C~50°C的条件下保温2h~3h进行均匀化处理; 步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的成形锻造,每火次成形锻造的锻造比均为3.8~8.4,得到TC21钛合金大规格棒材;所述TC21钛合金大规格棒材为圆柱形棒材,其截面直径为160mm~400mm。
2.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤一中所述TC21钛合金铸锭为圆柱形铸锭,其截面直径为420mm~720mm。
3.根据权利要 求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤一中每火次开坯锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
4.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤三中经均匀化处理后的中间锻坯采用水冷方式进行冷却。
5.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于,步骤一中每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理,步骤二中每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理。
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