CN103510030B - 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
技术领域
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
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≥1100MPa，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。
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160mm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
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。
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：
步骤一、将TC21钛合金铸锭在始锻温度为1000℃～1150℃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℃～50℃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℃～50℃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℃～50℃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～400mm。
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。
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。
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。
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。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
实施例1
本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Ф720mm×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1150℃，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℃，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℃，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；
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℃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；
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℃的条件下保温2h进行均匀化处理，然后水冷至25℃室温；
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℃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镦两拔然后滚圆，锻造比为4.6，机械加工后得到规格为Φ400mm×580mm的TC21钛合金大规格棒材。
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℃/1h,AC+610℃/4h,AC）后的力学性能数据见表1。
实施例2
本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ720mm×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℃，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℃，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℃，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；
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℃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；
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℃的条件下保温3h进行均匀化处理，然后水冷至25℃室温；
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℃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镦一拔然后滚圆，锻造比为4.8，机械加工后得到规格为Φ260mm×1000mm的TC21钛合金大规格棒材。
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℃/1h,AC+610℃/4h,AC）后的力学性能数据见表1。
实施例3
本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ560mm×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℃，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℃，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℃，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；
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℃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；
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℃的条件下保温2.5h进行均匀化处理，然后水冷至25℃室温；
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℃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Φ350mm×830mm的TC21钛合金大规格棒材。
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℃/1h,AC+610℃/4h,AC）后的力学性能数据见表1。
实施例4
本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为φ420mm×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℃，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℃，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℃，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；
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℃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；
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℃的条件下保温2h进行均匀化处理，然后水冷至25℃室温；
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℃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Φ160mm×350mm的TC21钛合金大规格棒材。
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℃/1h,AC+610℃/4h,AC）后的力学性能数据见表1。
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
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·m1/2，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。
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 (4)
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℃～1150℃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；每火次开坯锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低；
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℃～50℃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℃～50℃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℃～50℃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，步骤三中经均匀化处理后的中间锻坯采用水冷方式进行冷却。
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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