CN104073751B - 一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金棒材的锻造加工方法，尤其是一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法。其特点是，包括如下步骤：步骤1：将钛合金大规格棒材在β转变温度以下40～60℃加热保温2～4h，待保温时间到后出炉进行锻造；步骤2：采用宽平砧锻造，每次压下量60～80mm，满砧送进，锻造一个行程后，旋转180°进行扁方锻造，继续满砧送进锻造一个行程，等到该行程锻造结束时旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，等到该行程锻造结束时再旋转180°，继续满砧送进锻造一个行程，从而从扁方锻造过渡到四方锻造。本发明具有如下优点：1）工艺流程短、火次少。只需要1～2火次，工艺流程明显缩短，有利于降低成本。

Description

一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法

技术领域

本发明涉及钛合金棒材的锻造加工方法，尤其是一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法。

背景技术

钛合金是一种综合性能优异的高效益性结构材料，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(Φ100mm以上,《GJB 1538A—2008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直径为Φ220mm)。

但钛合金大规格棒材普遍存在的问题是如何方便、高效、稳定的控制棒材的组织均匀性和一致性，尤其是应用于航空结构件的TC4大规格棒材对组织均匀性要求非常高，这是锻造加工的技术核心和技术难点。如果工艺不合理或过程控制不当，极容易出现或存在组织和性能不均匀的问题，往往存在低倍晶粒粗大且不均匀，高倍组织中分布有大块α、条状α或魏氏组织等缺陷，会影响交付使用。为了解决这个问题，通常采用改锻的方法对成品棒材或半成品棒材进行再次加工处理。对于长径比不超过3的棒材，可以采用反复镦拔直接改锻的方法来改善组织均匀性，但这种规格较少，大部分的规格都是长径比超过3的棒材。对于这种规格的棒材，采用反复镦拔直接改锻的方法无法实现。

因此，目前对于长径比超过3的大规格棒材出现的高低倍组织不合格或组织不均匀现象，采用传统的镦拔改锻方法已经无法实现，可以采用β处理和宽砧锻造四方→六边形→矩形断面拔长的方法，轮番转移金属强烈流动区，达到了改善棒材组织均匀性的目的。但该工艺火次较多，流程较长，一般β处理需要加热一火次，锻造四方→六边形→矩形断面需要1～2火次，对中间坯料进行酸洗、机加工、打磨、修伤，再加热滚圆整形到成品尺寸需要锻造1火次，即完成整个工艺过程需要3～4火次。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法，该方法工艺流程短、便于操作、组织均匀性改善效果更明显。

一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

步骤1：将钛合金大规格棒材在β转变温度以下40～60℃加热保温2～4h，待保温时间到后出炉进行锻造；

步骤2：采用宽平砧锻造，每次压下量60～80mm，满砧送进，锻造一个行程后，旋转180°进行扁方锻造，继续满砧送进锻造一个行程，等到该行程锻造结束时旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，等到该行程锻造结束时再旋转180°，继续满砧送进锻造一个行程，从而从扁方锻造过渡到四方锻造；

步骤3：将锻造后的四方坯料进行沿对角线方向换向锻造，先用宽平砧，满砧送进，锻造成六方截面，锻造一个行程后旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，从而从六方截面又锻造到四方截面；

步骤4：将得到的棒坯按照步骤2重复锻造一遍；

步骤5：将得到的四方坯料在上平下V的宽型砧上进行倒棱、滚圆锻造，满砧送进，从而逐渐滚圆为近似圆形的多边形即获得大规格钛合金棒材。

步骤1中的钛合金大规格棒材是指直径在150-300mm。

步骤2中的锻造一个行程是指从一端锻造到另一端。

步骤5中第一行程压下量较大，具体是控制压下量15～30mm，后续压下量降低，具体是控制为5～10mm，最后2～3次行程精整时，控制送进量为1/2砧宽。

步骤1中的钛合金是指TC4牌号的钛合金。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：1)工艺流程短、火次少。现有技术一般β处理需要加热一火次，锻造四方→六边形→矩形断面需要1～2火次，对中间坯料进行酸洗、机加工、打磨、修伤，再加热滚圆整形到成品尺寸需要锻造1火次，即完成整个工艺过程需要3～4火次。而本发明只需要1～2火次，工艺流程明显缩短，有利于降低成本。2)便于操作，效率高。本发明采用“上平下V”宽型砧锻造滚圆，比平砧滚圆便于操作，而且滚圆效率高。3)组织均匀性改善效果更明显。本发明在锻造四方后进行扁方锻造，在换向锻造时压下量较大，又增加了“上平下V”宽型砧锻造滚圆，使得断面由内向外各处都得到了足够的变形，从而大幅度改善了断面各部位组织的均匀性。4)采用本发明改锻的棒材高低倍组织均匀，横向低倍组织均为模糊晶，无粗晶等异常组织，棒材不同部位的横向显微组织均为等轴α+β组织，组织均匀性好，可以满足航空件对大规格TC4棒材的质量要求。

附图说明

附图1为实施例1中钛合金棒材TC4BΦ210，中心(500×)的横向显微组织图；

附图2为实施例1中钛合金棒材TC4BΦ210，D/4(500×)的横向显微组织图；

附图3为实施例1中钛合金棒材TC4BΦ210,边部(500×)的横向显微组织图；

附图4为实施例2中钛合金棒材TC4BΦ240，中心(500×)的横向显微组织图；

附图5为实施例2中钛合金棒材TC4BΦ240，D/4(500×)的横向显微组织图；

附图6为实施例2中钛合金棒材TC4BΦ240,边部(500×)的横向显微组织图。

具体实施方式

本发明中提及钛合金大规格棒材的β转变温度，具体即TC4合金的相变点温度为980～1000℃，但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。

本发明针对长径比超过3的大规格棒材提供了一种采用宽平砧锻造四方→扁方→四方→沿对角线换向锻打六方→四方→扁方→四方→“上平下V”宽型砧锻造的方法，一方面通过宽砧扁方锻造增加了大棒的锻透性，改善了中心部组织的均匀性，另一方面通过变换方向和上平下V型砧锻造，减少了边部的变形死区(难变形区)，改善了边部组织的均匀性，从而可以达到有效改善大规格棒材整体组织均匀性的目的，操作方便，实施效果良好，而且生产效率高。

本发明是针对上述问题提供一种更加简洁高效的加工方法，即采用平砧锻造四方→扁方→四方→沿对角线换向锻打六方→四方→扁方→四方→“上平下V”宽型砧锻造滚圆，只需要1～2火次，锻造工艺流程短、火次少，便于操作，效率高。

本发明方法的基本原理是：

1、根据最小阻力定律，采用宽平砧和上平下V宽型砧锻造，满砧送进，保证变形接触面纵向宽度大于横向宽度，加大横向变形，减少和阻止金属纵向流动，以确保大规格棒材在改锻后断面面积减少不多的情况下直径尺寸仍能回到原有尺寸的偏差范围内；

2、采用平砧锻造四方→扁方→四方的方法，一方面可以实现大变形，另一方面可以增加锻透性，可以有效改善中心部和1/2半径处的组织均匀性；

3、采用沿对角线换向锻打六方→四方的方法，可以进一步减少边部的变形死区，改善边部的组织均匀性；

4、采用上平下V”宽型砧锻造，当压下量较大时，可以增加锻透性，充分改善内部组织；当压下量较小时，既可以进一步减少边部变形死区，改善边部组织，又可以对锻坯进行滚圆和精整，起到双重的效果，而且滚圆效率和质量比平砧好。

5、通过上述锻造方式的结合，可以很好的达到改善大规格棒材组织均匀性的目的。

钛合金大规格棒材如果工艺不合理或过程控制不当，极容易出现或存在组织和性能不均匀的问题，往往存在低倍晶粒粗大且不均匀，高倍组织中分布有大块α、或条状α或魏氏组织等缺陷，会影响交付使用，尤其是应用于航空结构件的TC4大规格棒材对组织均匀性要求非常高。为了解决这个问题，通常采用改锻的方法。对于长径比不超过3的棒材，可以采用反复镦拔直接改锻的方法来改善组织均匀性，但这种规格较少，大部分的规格都是长径比超过3的棒材。对于这种规格的棒材，采用反复镦拔直接改锻的方法无法实现，只能使得棒材报废或改作他用，造成很大的经济损失。

本发明提供一种采用宽平砧锻造四方→沿对角线换向锻打六方→四方→“上平下V”宽型砧锻造的方法，可以有效的改善大规格棒材的组织均匀性，效果好，操作方便，火次较少，生产效率高。其中，整个锻造过程可以在1～2火次内完成，一般长度超过1200～1500mm的棒材需要两火次。如果是两火完成，第二火次为回火，即在一火锻后直接进行加热，一般在步骤4完成以后进行回火加热，加热温度在β转变温度以下50～60℃，保温时间是一火保温时间的1/2。

实施例1：

本实施例为Φ210×3000mm的TC4钛合金棒材改锻，加工方法具体如下：

步骤1：将TC4钛合金大规格棒材在950℃加热保温，待保温时间4h到后出炉进行锻造；

步骤2：采用宽平砧锻造，每次压下量60mm，满砧送进，锻造一个行程(从一端锻造到另一端)后，旋转180°进行扁方锻造，继续满砧送进锻造一个行程，等到该行程锻造结束时旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，等到该行程锻造结束时再旋转180°，继续满砧送进锻造一个行程，从扁方过渡到了四方；

步骤3：经步骤2锻造后的四方坯料进行沿对角线方向换向锻造，先用宽平砧，满砧送进，锻造成六方截面，锻造一个行程后旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，从六方截面又锻造到四方截面；

步骤4：将步骤3锻造得到的棒坯按照步骤2重复一遍；

步骤5：将经过步骤4锻造的四方坯料进行第二火次加热(即回火)，控制加热温度940℃，保温时间是一火保温时间的1/2。然后在上平下V的宽型砧上进行倒棱、滚圆锻造，满砧送进，第一行程压下量20mm，后续压下量降低到10mm，最后3次行程精整，具体是控制送进量1/2砧宽，从而逐渐滚圆为近似圆形的多边形，即可获得改锻后的Φ210×3000mm大规格TC4钛合金棒材。

实施例2：

本实施例为Φ240×2000mm的TC4钛合金棒材改锻，加工方法具体如下：

步骤1：将C4钛合金大规格棒材在950℃加热保温，待保温时间4.5h后出炉进行锻造；

步骤2：采用宽平砧锻造，每次压下量70mm，，满砧送进，锻造一个行程(从一端锻造到另一端)后,旋转180°进行扁方锻造，继续满砧送进锻造一个行程，等到该行程锻造结束时旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，等到该行程锻造结束时再旋转180°，继续满砧送进锻造一个行程，从扁方过渡到了四方；

步骤3：经步骤2锻造后的四方坯料进行沿对角线方向换向锻造，先用宽平砧，满砧送进，锻造成六方截面，锻造一个行程后旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，从六方截面又锻造到四方截面；

步骤4：将步骤3锻造的棒坯按照步骤2重复一遍；

步骤5：将经过步骤4锻造的四方坯料进行第二火次加热(即回火)，加热温度940℃，保温时间是一火保温时间的1/2。然后在上平下V的宽型砧上进行倒棱、滚圆锻造，满砧送进，第一行程压下量25mm，后续压下量降低到10mm，最后2次行程精整，送进量1/2砧宽，逐渐滚圆为近似圆形的多边形，获得改锻后的Φ240×2000mm大规格TC4钛合金棒材。

再对实施例1、实施例2改锻加工的TC4钛合金棒材进行普通退火热处理780℃×120min)和机加工即普通车床扒皮，对最终得到的棒材的高低倍组织进行检测，结果如下：

1)棒材低倍组织：棒材的横向低倍组织均匀，无粗晶等异常组织，如图1所示，按国家标准GJB1538A-2008中的图2评级，符合图2a)～图2i)的技术要求。

2)棒材高倍组织：棒材不同部位的横向显微组织如附图1、2、3、4、5、6所示，按国家标准GJB1538A-2008的图5评级，符合图5a)～图5s)，满足技术要求。

本发明提供了一种更加简洁高效的加工方法，即采用平砧锻造四方→扁方→四方→沿对角线换向锻打六方→四方→扁方→四方→“上平下V”宽型砧锻造滚圆的加工方法。

大规格棒材改锻加工之步骤：采用宽平砧和上平下V宽型砧锻造，满砧送进，保证变形接触面纵向宽度大于横向宽度，加大横向变形，减少和阻止金属纵向流动，以确保大规格棒材在改锻后断面面积减少不多的情况下直径尺寸仍能回到原有尺寸的偏差范围内；本发明实现过程只需要1～2火次，变形操作过程的细节很重要，一般长度超过1200～1500mm的棒材需要两火次。如果是两火完成，第二火次为回火，即在一火锻后直接进行加热，一般在步骤4完成以后进行回火加热，加热温度在β转变温度以下50～60℃，保温时间是一火保温时间的1/2。

Claims (5)

1.一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将钛合金大规格棒材在β转变温度以下40～60℃加热保温2～4h，待保温时间到后出炉进行锻造；

步骤2：采用宽平砧锻造，每次压下量60～80mm，满砧送进，锻造一个行程后，旋转180°进行扁方锻造，继续满砧送进锻造一个行程，等到该行程锻造结束时旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，等到该行程锻造结束时再旋转180°，继续满砧送进锻造一个行程，从而从扁方锻造过渡到四方锻造；

步骤3：将锻造后的四方坯料进行沿对角线方向换向锻造，先用宽平砧，满砧送进，锻造成六方截面，锻造一个行程后旋转90°，继续满砧送进锻造另一个行程，从而从六方截面又锻造到四方截面；

步骤4：将得到的棒坯按照步骤2重复锻造一遍；

步骤5：将得到的四方坯料在上平下V的宽型砧上进行倒棱、滚圆锻造，满砧送进，从而逐渐滚圆为近似圆形的多边形即获得大规格钛合金棒材；

步骤1中的钛合金是指TC4牌号的钛合金。

2.如权利要求1所述的一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法，其特征在于：步骤1中的钛合金大规格棒材是指直径在150-300mm。

3.如权利要求1所述的一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法，其特征在于：步骤2中的锻造一个行程是指从一端锻造到另一端。

4.如权利要求1所述的一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法，其特征在于：步骤5中第一行程压下量较大，具体是控制压下量15～30mm，后续压下量降低，具体是控制为5～10mm，最后2～3次行程精整时，控制送进量为1/2砧宽。

5.如权利要求1所述的一种改善钛合金大规格棒材组织均匀性的方法，其特征在于：步骤5中首先要将经过步骤4锻造的四方坯料进行第二火次加热即回火，控制加热温度940℃，保温时间是一火保温时间的1/2。