CN104070125A - 一种tc4钛合金大规格棒材的锻造加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金的棒材锻造加工方法，尤其是一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法。其特点是，包括如下步骤：步骤1，开坯锻造；步骤2，相变点以上中间锻造；步骤3，相变点以下中间锻造；步骤4；步骤5，成品锻造，最终获得Φ200～Φ300mm、长度2000～3000mm的TC4钛合金大规格棒材。与现有技术相比：1、本发明不需要更大规格的铸锭和大吨位的锻造设备，可以采用普通工业3吨锭和小吨位锻造压机实现工业化生产；2、设备投资小。Φ600mm的3吨锭型仅需要投资3吨的电弧炉，与之配套的3000吨成型油压机，锻造工序需要投资小吨位的锻造压机，比如1600吨的锻造压机等，设备投资明显减小。

Description

一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法

技术领域

本发明涉及钛合金的棒材锻造加工方法，尤其是一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法。 

背景技术

钛合金具有轻质、比强度高、高温性能优良、抗腐蚀能力强等优点，是航空、航天、兵器、舰船等领域应用的重要材料。航空工业是钛合金高端应用的主要领域，而其中钛合金用量最大的合金牌号是TC4（Ti-6Al-4V）中强两相钛合金，占钛合金产量的70%左右，主要用于飞机结构件等部件。随着航空工业的发展，为了提高飞机的安全可靠性、延长寿命、提高结构效益，飞机的设计发展趋势是减少焊接，承力件逐渐采用大型锻件和大型整体锻件所代替。为了满足大型锻件和大型整体锻件的研制、生产，需要使用高质量大规格钛合金棒材。 

在国内，以前生产TC4钛合金Φ100mm以上棒材时，为了保证组织、性能均匀一致并符合相关技术要求需要采用反复镦拔，而镦拔锻造的实现是依靠人工加持完成操作，受这种操作方法的限制，使得国内TC4钛合金Φ100mm以上棒材生产的周期长，棒材单重较小，产品质量一致性差，超声波探伤级别低。在2008年左右，工业化生产和应用的棒材直径最大为Φ220mm，单支长度仅有1.5m左右，长度较短，难以满足国内航空、航天、舰船等领域的需求。同期国内许多单位虽开展了Φ220mm以上规格棒材的 研制，但棒材长度难以提高，组织、力学性能、超声波探伤及质量一致性等要求仍存在较大的差距。 

目前，国内采用Φ700～Φ950mm的4吨～8吨锭型，使用3150吨锻造机和2500吨锻造机实现了Φ200～Φ400mm长度≥2500mm的TC4大棒生产，但火次大约在8～13次，甚至更多。还有部分单位为了生产Φ400mm的大棒，新增加了4500吨快锻机，但火次也在11～13之间，生产成本仍然很高。 

总体而言，钛合金是一种难变形和难加工材料，尤其是应用于航空结构件的TC4大规格棒材，存在组织和性能不均匀的问题。为了解决这个问题，通常采用更大规格的铸锭（比如Φ700～Φ950mm的4吨～8吨锭型）、大的锻造压机（2500吨～3150吨快锻机）和增加锻造火次（8～13火次）等措施来实现，但投资成本高、工艺流程长、技术复杂。 

发明内容

本发明的目的是提供一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法，能够采用小吨位锻造压机和中等工业型铸锭以及较少的锻造火次锻造加工规格为Φ200～Φ300mm长度2000～3000mm的TC4钛合金大棒。 

一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法，其特别之处在于，包括如下步骤： 

步骤1，开坯锻造： 

将直径600～700mm的TC4钛合金铸锭先在800～850℃预热1～2h，然后在β转变温度以上150～200℃加热保温，等到保温时间4～6h到后采用快锻机进行开坯锻造，控制镦拔次数2～3次，每次镦拔锻比不小于1.5，总锻比不小于2，终锻温度≥900℃，锻后采用水冷； 

步骤2，相变点以上中间锻造： 

将上一步骤得到的坯料先在在800～850℃预热1～2h，然后在β转变温度以上50～100℃加热保温，等到保温时间3～4h到后采用快锻机进行相变点以上中间锻造，控制镦拔次数2～4次，每次镦拔锻比不小于1.5，总锻比不小于3，拔长时采用满砧送进从而增加横向变形量并改善锻透性，终锻温度≥850℃，锻后采用水冷； 

步骤3，相变点以下中间锻造： 

将上一步骤得到的坯料在β转变温度以下30～40℃加热保温3～4h，仍然采用快锻机进行2火次锻造，控制镦拔次数3～4次，每次镦拔锻比不小于1.5，每火次总锻比不小于4，拔长时采用满砧送进从而增加横向变形量改善锻透性，终锻温度≥800℃，锻后采用水冷； 

步骤4： 

将上一步骤得到的坯料在β转变温度以下50～60℃加热保温2～4h，仍然采用快锻机进行2～3火次锻造，控制镦拔次数2～4次，每次镦拔锻比不小于1.5，每火次总锻比不小于2.5，并且控制拔长时沿断面对角线方向压下拔长，采用满砧送进，终锻温度≥800℃，锻后采用水冷； 

步骤5，成品锻造： 

将上一步骤得到的坯料在β转变温度以下50～60℃加热保温2～3h，在快锻机上同时采用平砧和V型砧进行摔圆锻造从而减少平砧锻造时产生的难变形区以进一步改善组织均匀性，控制变形量25～35%，终锻温度≥800℃，锻后采用水冷，最终获得Φ200～Φ300mm、长度2000～3000mm的TC4钛合金大规格棒材。 

其中步骤3中采用快锻机在相变点以下两相区进行2火次锻造，步骤4中采用快锻机在相变点以下两相区进行2～3火次锻造。 

其中快锻机采用1600～2000吨的快锻机。 

本发明提供一种采用小吨位锻造压机（1600～2000吨快锻机）和中等工业型铸锭（Φ600～700mm左右的3吨锭型）以及较少的锻造火次（7～8火次）制备TC4钛合金大棒（Φ200～Φ300mm，长度2000～3000mm）的加工方法，达到了减少投资、节约能源、缩短工艺流程和降低生产成本、挖潜增效的良好效果，而且批次质量一致性高，生产周期大幅度缩短。 

本发明方法与现有技术相比，还具有如下优点：1、本发明不需要更大规格的铸锭和大吨位的锻造设备，可以采用普通工业3吨锭和小吨位锻造压机实现工业化生产；2、设备投资小。Φ600mm的3吨锭型仅需要投资3吨的电弧炉，与之配套的3000吨成型油压机，锻造工序需要投资小吨位的锻造压机，比如1600吨的锻造压机等，设备投资明显减小，固定资产折旧也明显降低；3、本发明可以实现每火次镦拔次数2～4次，不仅没有降低变形量，而且可以实现单火次大变形，达到了改善组织性能均匀性的目的，同时减少了锻造火次，缩短了生产周期，流程短，耗能比较低，生产成本也相应降低；4、本发明在拔长锻造时送进量大，为满砧送进，增加了横向变形，提高了锻透性，并在有些拔长工序采用了沿对角线方向换向锻造，既提高了大棒锻造的均匀性和锻透性，又提高了锻造效率；5、本发明在成品锻造时，采用平砧和V型砧进行摔圆锻造，既减少了平砧锻造时产生的难变形区，进一步改善了组织均匀性，又同时提高了成品锻坯的锻造效率和表面质量；6、采用本发明锻造的棒材综合性能高，棒材室温拉伸强度为950～1025MPa，屈服强度为900～1000MPa，纵向延伸率不小于11%，纵向断面收缩率不小于30%，横向延伸率不小于9%，纵向断面收缩率不小于22%，高低倍组织和探伤级别满足技术要求。 

附图说明

附图1为实施例1得到的TC4BΦ215，D/4(200×)棒材横向显微组织； 

附图2为实施例1得到的TC4BΦ215，边部(200×）棒材横向显微组织； 

附图3为实施例2得到的TC4BΦ240，D/4(200×)棒材横向显微组织； 

附图4为实施例2得到的TC4BΦ240，边部(200×）棒材横向显微组织； 

附图5为实施例3得到的TC4BΦ300，D/4(500×)棒材横向显微组织； 

附图6为实施例3得到的TC4BΦ300，边部(500×）棒材横向显微组织。 

具体实施方式

目前，《GJB1538A航空结构件用钛合金棒材规范》中规定的TC4合金棒材的最大规格为Φ220mm。但国内采用更大规格的铸锭（Φ700～Φ950mm的4吨～8吨锭型）、大的锻造压机（2500吨～3150吨快锻机）和较多的锻造火次（8～13火次）实现了TC4钛合金Φ220～Φ400mm大规格棒材的生产，规格从以前的Φ100～Φ220mm已经扩展到了Φ220～Φ400mm。 

从技术层面来说确实取得了很大的突破，但仍然也存在以下的缺点： 

1）设备投资大。Φ700～Φ950mm的4吨～8吨锭型需要投资5吨～8吨的电弧炉，与之配套的大的电极成型油压机，锻造工序需要投资大吨位的锻造压机，比如2500吨～3150吨的锻造压机，大规格铸锭的加热炉等配套设备； 

2）耗能比较高。铸锭规格更大需要大型加热炉加热，而且保温时间会更长，锻造需要大吨位的锻造压机，而且火次多，自然耗能增加更多； 

3）流程较长。增加了加热火次，无形之中也增加了打磨和检验工序，生产周期较长； 

4）生产成本高。由于设备投资大、耗能高和流程长，所以生产成本也比较高。 

本发明提供一种采用小吨位锻造压机（1600～2000吨快锻机）和中等工业型铸锭（Φ600～700mm左右的锭型）以及较少的锻造火次（7～8火次） 制备TC4钛合金大棒（Φ200～Φ300mm）的加工方法，该方法不需要大吨位的锻造设备，可以在较小吨位的锻造压机上实现工业化生产的TC4钛合金大规格棒材，组织和性能均符合航空结构件用钛合金棒材的规范要求，棒材室温拉伸强度为950～1025MPa，屈服强度为900～1000MPa，纵向延伸率不小于11%，纵向断面收缩率不小于30%，横向延伸率不小于9%，纵向断面收缩率不小于22%，探伤杂波反射信号较小，探伤级别高。 

本发明方法的基本思路是：在锻造开坯前先准确下料，开坯锻造时大加工率镦拔，充分破碎铸态晶粒，改善组织均匀性和变形能力，在中间锻造每火次也是快速大变形，每次拔长时采用满砧送进，增加横向变形，在有些拔长工序中采用换向拔长减少变形死区，在每次锻造后采用水冷，并在每火次后采用倒棱、归圆操作，在成品锻造时采用平砧和V型砧结合的方式，进一步改善组织和性能的均匀性，从而获得了组织和性能均匀、超声波探伤满足要求的Φ200～Φ300mm×2000～3000mm的TC4钛合金大规格棒材。 

TC4钛合金的相变点温度为980～1000℃，不同批次因化学成分波动而波动，一般常采用连续升温金相法测定。 

实施例1： 

本实施例采用1600吨快锻机，以直径为600mm的TC4钛合金铸锭（铸锭为圆柱体，长度1200mm）为原料加工Φ215mm×3000mm的TC4钛合金棒材，加工方法具体如下： 

步骤1：将直径600mm的TC4钛合金铸锭先在820℃预热1h，然后在1150℃加热保温4h，采用1600吨快锻机进行开坯锻造，镦拔次数2次，每次镦拔锻比1.7，总锻比2.8，终锻温度900℃，锻后剁切三等分，然后采用水冷； 

步骤2：将步骤1锻造的坯料在820℃预热1h，然后在1050℃加热保温3h，采用1600吨快锻机进行相变点以上开始锻造，镦拔次数2次，每次镦拔锻比1.7，总锻比2.8，拔长时采用满砧送进，终锻温度850℃，锻后采用水冷； 

步骤3：经过相变点以上锻造的坯料在960℃加热保温3h，采用1600吨快锻机在相变点以下两相区进行2火次锻造，每火次镦拔次数3次，每次镦拔锻比1.7，每火次总锻比4.6，拔长时采用满砧送进，终锻温度800℃，锻后采用水冷； 

步骤4：将步骤3经过锻造的坯料在950℃加热保温2h，采用1600吨快锻机在相变点以下两相区进行2火次锻造，每火次镦拔次数2次，每次镦拔锻比1.7，每火次总锻比2.8，拔长时沿对角线方向压下拔长，采用满砧送进，终锻温度800℃，锻后采用水冷； 

步骤5：将经过步骤4锻造的坯料在940℃加热保温2h，在1600吨快锻机上同时采用平砧和V型砧进行摔圆锻造，变形量控制在25%，终锻温度800℃，锻后采用水冷，获得Φ215mm×3000mm的TC4钛合金大规格棒材。 

实施例2： 

本实施例采用1600吨快锻机，以直径为600mm×780mm的TC4钛合金铸锭为原料加工Φ240mm×2200mm的TC4钛合金棒材，加工方法具体如下： 

步骤1：将直径约为600mm的TC4钛合金铸锭先在820℃预热2h，然后在1170℃加热保温6h，采用1600吨快锻机进行开坯锻造，镦拔次数3次，每次镦拔锻比约1.7，总锻比约4.6，终锻温度900℃，锻后采用水冷； 

步骤2：将步骤1锻造的坯料在820℃预热2h，然后在1050℃加热保温4h，采用1600吨快锻机进行锻造，镦拔次数3次，前两次次镦拔锻比约1.7，第三次拔长锻比约2.8，总锻比约5.6，拔长时采用满砧送进，终锻温度850℃，锻后采用水冷，并采用带锯中分锯切； 

步骤3：经过相变点以上锻造的坯料在960℃加热保温4h，采用1600吨快锻机进行2火次锻造，每火次镦拔次数4次，每次镦拔锻比约1.7，每火次总锻比约7.8，拔长时采用满砧送进，终锻温度800℃，锻后采用水冷； 

步骤4：将步骤3经过锻造的坯料在950℃加热保温3h，进行2火次锻造，每火次镦拔次数2次，每次镦拔锻约1.7，每火次总锻比约2.8，拔长时沿对角线方向压下拔长，采用满砧送进，终锻温度800℃，锻后采用水冷； 

步骤5：将经过步骤4锻造的坯料在940℃加热保温3h，在1600吨快锻机上采用平砧和V型砧进行摔圆锻造，变形量控制在32%，终锻温度800℃，锻后采用水冷，最终获得Φ240mm×2200mm的TC4钛合金大规格棒材。 

实施例3： 

本实施例采用直径为600mm的TC4钛合金铸锭为原料加工Φ300mm×2000mm的TC4钛合金棒材，加工方法具体如下： 

步骤1：将直径约为600mm×1100mm的TC4钛合金铸锭先在820℃预热1h，然后在1170℃加热保温5h，采用1600吨快锻机进行开坯锻造，镦拔次数3次，每次镦拔锻比约1.7，总锻比约4.6，终锻温度900℃，锻后采用水冷； 

步骤2：将步骤1锻造的坯料在820℃预热1h，然后在1100℃加热保温4h，采用1600吨快锻机进行相变点以上中间锻造，镦拔次数4次，每次镦拔锻比不约1.7，总锻比约7.8，拔长时采用满砧送进，终锻温度850℃，锻后采用水冷，并采用带锯中分锯切； 

步骤3：经过相变点以上锻造的坯料在960℃加热保温3h，采用1600吨快锻机进行2火次锻造，每火次镦拔次数4次，每次镦拔锻比约1.7，每火次总锻比约7.8，拔长时采用满砧送进，终锻温度800℃，锻后采用水冷； 

步骤4：将步骤3经过锻造的坯料在950℃加热保温4h，在两相区进行3火次锻造，每火次镦拔次数3次，每次镦拔锻比约1.7，每火次总锻比约4.6， 拔长时沿对角线方向压下拔长，采用满砧送进，终锻温度800℃，锻后采用水冷； 

步骤5：将经过步骤4锻造的坯料在940℃加热保温2h，在1600吨快锻机上采用平砧和V型砧进行摔圆锻造，变形量控制在30%，终锻温度800℃，锻后采用水冷，最终获得Φ300mm×2000mm的TC4钛合金大规格棒材。 

本发明对实施例1至实施例3加工的TC4钛合金棒材进行普通退火热处理及加工，对棒材进行性能检测，结果如下： 

1）棒材室温力学性能： 

从表中可以看出，采用本发明方法加工的TC4钛合金大规格棒材室温拉伸强度为950～1025MPa，屈服强度为900～1000MPa，纵向延伸率不小 于11%，纵向断面收缩率不小于30%，横向延伸率不小于9%，纵向断面收缩率不小于22%。 

2）棒材高低倍组织： 

棒材的横向低倍组织均匀，无粗晶等异常组织，按GJB1538A-2008的图2评级，满足技术要求。 

棒材横向显微组织如图1所示，按GJB1538A-2008的图5评级，满足技术要求。 

3）棒材超声波探伤 

用5兆的探头、全声程进行超声波探伤，均通过Φ2.0平底孔，探伤杂波反射信号较小，探伤级别较高，符合技术要求。 

以上所述，仅是本发明的典型实施例，并非对本发明构成任何限制，凡是根据本发明的技术实质对以上实施例进行任何简单的修改、变更以及等效调整，均属于本发明技术方案的保护范围。 

Claims (3)

1.一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，开坯锻造：

将直径600～700mm的TC4钛合金铸锭先在800～850℃预热1～2h，然后在β转变温度以上150～200℃加热保温，等到保温时间4～6h到后采用快锻机进行开坯锻造，控制镦拔次数2～3次，每次镦拔锻比不小于1.5，总锻比不小于2，终锻温度≥900℃，锻后采用水冷；

步骤2，相变点以上中间锻造：

将上一步骤得到的坯料先在在800～850℃预热1～2h，然后在β转变温度以上50～100℃加热保温，等到保温时间3～4h到后采用快锻机进行相变点以上中间锻造，控制镦拔次数2～4次，每次镦拔锻比不小于1.5，总锻比不小于3，拔长时采用满砧送进从而增加横向变形量并改善锻透性，终锻温度≥850℃，锻后采用水冷；

步骤3，相变点以下中间锻造：

将上一步骤得到的坯料在β转变温度以下30～40℃加热保温3～4h，仍然采用快锻机进行2火次锻造，控制镦拔次数3～4次，每次镦拔锻比不小于1.5，每火次总锻比不小于4，拔长时采用满砧送进从而增加横向变形量改善锻透性，终锻温度≥800℃，锻后采用水冷；

步骤4：

将上一步骤得到的坯料在β转变温度以下50～60℃加热保温2～4h，仍然采用快锻机进行2～3火次锻造，控制镦拔次数2～4次，每次镦拔锻比不小于1.5，每火次总锻比不小于2.5，并且控制拔长时沿断面对角线方向压下拔长，采用满砧送进，终锻温度≥800℃，锻后采用水冷；

步骤5，成品锻造：

将上一步骤得到的坯料在β转变温度以下50～60℃加热保温2～3h，在快锻机上同时采用平砧和V型砧进行摔圆锻造从而减少平砧锻造时产生的难变形区以进一步改善组织均匀性，控制变形量25～35%，终锻温度≥800℃，锻后采用水冷，最终获得Φ200～Φ300mm、长度2000～3000mm的TC4钛合金大规格棒材。

2.如权利要求1所述的一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法，其特征在于：其中步骤3中采用快锻机在相变点以下两相区进行2火次锻造，步骤4中采用快锻机在相变点以下两相区进行2～3火次锻造。

3.如权利要求1或2所述的一种TC4钛合金大规格棒材的锻造加工方法，其特征在于：其中快锻机采用1600～2000吨的快锻机。