CN104001845B - 一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造工艺方法。该种锻造工艺方法根据合金最佳变形和组织控制条件，优化合金热变形的基本工艺参数，通过坯料加热方式、加热温度、锻造变形速率和变形量的合理控制，成型后的热处理制度最终优化，有效解决锻造过程中各部分温升、温降的不同以及变形不均匀而造成易开裂和组织不均匀等问题，能够锻造大尺寸盘件。本发明制定了合金坯料锻造成型工艺规范，能够保证Ti2AlNb合金大尺寸盘件锻造后外型完整，无裂纹等缺陷，尺寸余量能满足加工要求，化学成分和力学性能满足设计要求，对于该材料在大尺寸盘形结构件应用方面极具推广价值。

Description

一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造工艺方法
技术领域
本发明属于新材料领域，尤其涉及一种新型金属间化合物耐高温轻质结构材料Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造成型方法。
背景技术
为实现发动机减重的目的，需要采用一种新型轻质耐高温结构材料替代目前的高温合金。Ti2AlNb合金是20世纪九十年代初开始研发的一类新型Ti‐Al系金属间化合物材料。具有密度低(约5.3g/cm3)、弹性模量高、高温强度高、断裂韧性高、蠕变抗力高、热膨胀系数低、无磁性和阻燃性能好等优点，将其作为轻比重高温结构材料用于制作航空、航天发动机热端部件，将有助于通过结构减重实现技术进步。与现用铁/镍/钴基高温合金以固溶强化、弥散强化等方法使得在高温下具有较好的力学性能不同，Ti2AlNb合金的高温强度源于自身原子长程有序的排列和特殊的结合键。但同时这种长程有序的结构中可开动的滑移系数目有限、超结构位错柏氏矢量大、位错交滑移困难，这些因素使Ti2AlNb合金室温下的拉伸塑性和断裂韧性较低，解决Ti2AlNb合金室温脆性问题是其实用化的前提。目前解决Ti2AlNb合金室温脆性问题的方法是在较低温度的(α2+B2+O)三相区或(O+B2)两相区下锻造成型(1000℃以下)，并通过后续的固溶+时效处理在Ti2AlNb合金制备的锻件中得到少量初生α2/O相颗粒和取向混乱的O相二次细层片分布于B2基体之中的双态组织，这种组织具有良好的室温塑性和高温强度。这一方法的缺点是由于锻造成型过程是在温度较低的(α2+B2+O)三相区或(O+B2)两相区进行，而Ti2AlNb合金变形抗力大，可变形温区窄，热加工塑性低。材料在锻造成型过程每火次变形量小、变形火次多、加工周期长，锻造时材料易开裂、材料利用率、锻件成型困难、加工成本高。在制备Ti2AlNb合金大尺寸部件时，这些问题更加突出。
发明内容
本发明目的是提供一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造工艺方法，它能够克服Ti2AlNb合金大尺寸件锻造开裂和组织不均匀的缺陷，获得大尺寸锻件，提高成材率。
为了克服上述缺点，本发明所提出的新技术是在较高温度的(α2+O)两相区(1000～1050℃)锻造成型直径φ500mm～700mm、高度60mm～120mm的大尺寸Ti2AlNb合金盘件，并通过控制锻造前坯料加热方式、保温时间、锻造时的变形量、变形速率和后续的固溶+时效热处理温度和时间得到一种由细晶的B2转变而成的(O+B2)近全板条网篮组织，该组织的盘件在弦向具有较好的室温塑性和高温强度。
由于采用上述工艺方法，本发明具有如下优点和积极效果：
1、本发明解决了一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件锻造易开裂和组织不均匀的缺陷，实现一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造。同时为相关大尺寸难锻造材料的锻造提供很好的借鉴。
2、本发明锻造的一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件，化学成分和力学性能满足设计要求，尺寸余量能满足产品加工要求。为该材料在发动机上的推广应用奠定基础。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
本发明是一种Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造工艺方法。具体的锻造工艺方法为：
坯料到温装炉，保温时间冷料加热按0.3～0.4min/mm控制，热料回炉按0.1～0.2min/mm控制防止由于加热时间长导致的坯料中的B2晶粒尺寸的长大，盘件在6300吨以上的水压机上采用静压方法成型、每火次压下量40～60％，变形速率应在1×10‐1s‐1～5×10‐1s‐1之间、锻造前锤砧、压头需预热至200℃以上，并需在坯料的上下表面放置石棉保温毡、石棉保温毡厚度要求大于20mm。成型后的锻件经机械加工去除表面的氧化层和锻造缺陷。在电炉中整体进行固溶和时效处理。固溶温度980±10℃，固溶时间3～4小时，冷却方式油淬。时效温度800±10℃，时效时间20～30小时，冷却方式空冷。
本发明实施实例：某发动机整流段用Ti2AlNb合金盘锻件尺寸为φ610±10mm、高度100±5mm。盘锻件采用名义成份为Ti‐22Al‐25Nb(at％)的Ti2AlNb合金制备，坯料为φ380mm的Ti2AlNb合金铸锭经均匀化、开坯、改锻成的φ300mm×400mm的Ti2AlNb合金棒材。锻造前坯料在电炉中加热，到温装炉，保温时间100min,锻造前锤砧、压头预热至250℃，在坯料的上下表面放置30mm厚石棉保温毡，第一火变形后坯料高度实测203mm，趁热回炉，保温30min后，第二火变形，变形后坯料高度实测105mm，直径最大φ625mm、最小φ613mm，坯料表明完整，没有裂纹产生。盘锻件经机械加工去除表面的氧化层后的尺寸为φ610mm×100mm。在电炉中整体进行固溶和时效处理。固溶温度980±10℃，固溶时间3小时后油淬。时效温度800±10℃，时效时间24后空冷。热处理后沿盘件的弦向取样进行室温拉伸、650℃拉伸和650C/360MPa持久寿命试验，取样及性能测试方法按GB/T228(室温拉伸)、GB/T4338(高温拉伸)、GB/T4161(高温持久)的规定执行。力学性能测试的结果为：室温拉伸强度1150MPa，塑性8.0％；650℃拉伸强度896MPa，塑性14％；50℃/360MPa持久寿命241小时。其室温塑性和高温强度水平与双态组织的相当，但因为其锻造时采用的温度更高，大尺寸盘件更容易锻造成型，且锻造时材料不易开裂，材料利用率高，因而具有较大的工程应用意义。
普通光学显微镜和扫描电子显微镜下观察的盘件的微观组织中晶粒平均直径约为150μm。原始B2晶界处有小量细小的α2相颗粒存在，α2相颗粒体积百分含量小于1％。其余为细小的O相板条，与晶内相比，晶界处O相板条略显粗大，是一种典型的细晶网篮组织。

Claims (2)

1.一种用于制备Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造工艺方法，包括盘件锻造前坯料的加热方式、加热温度、锻造时的变形量和应变速率控制、锻件变形后的固溶+时效热处理工艺制度，其特征在于，锻造前坯料在1000～1050℃加热，坯料到温装炉，保温时间冷料加热按0.3～0.4min/mm控制，热料回炉按0.1～0.2min/mm控制，锻件在水压机上采用静压方法成型、每火次压下量40～60％，变形速率应在1×10‐1s‐1～5×10‐1s‐1之间，成型后的锻件在电炉中整体进行固溶和时效处理，固溶温度980±10℃，固溶时间3～4小时，冷却方式油淬，时效温度800±10℃，时效时间20～30小时，冷却方式空冷。
2.如权利要求书1所述的Ti2AlNb合金大尺寸盘件的锻造工艺方法，采用该方法锻造的Ti2AlNb合金大尺寸盘件直径在φ500mm～700mm、高度在60mm～120mm之内。
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