CN105382155A - α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，其步骤为：先将中间坯设计成靠近内壁处具有凸台的异形环坯；再根据等体积原则计算出异形环坯的各个尺寸；根据异形环坯的形状及尺寸设计专用模具；再将α-β两相钛合金棒材加热到变形温度后，经镦粗、冲孔、预轧，并在专用模具的作用下制备成异形环坯；将该异形环坯重新加热至变形温度，并配合合适的轧制参数，将异形环坯轧制成厚壁环锻件。该方法，能够有效地解决厚壁环锻件轧制过程中出现的凹槽、折叠等缺陷，提高厚壁环锻件的轧制质量。该方法用于厚壁环锻件的轧制成形。

Description

α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法

技术领域

本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法。

背景技术

环件的轧制成形是指在主辊和芯辊轧制力的作用下，壁厚减小，内外径增大的塑性成形方式。这种成形方式在生产厚壁环锻件时，靠近环件内壁和外壁的金属材料的流动速度要高于中间部位金属材料的流动速度，而且壁厚越大，两者之间的差异也越大，如果采用矩形环坯轧制成形时，会导致成形后的厚壁环锻件的上端面出现凹槽，即靠近外壁部分和靠近内壁部分的高度要大于中间部分的高度。

目前，这类环件缺陷的解决方法通常有两种：一是放大锻件高度方向尺寸，然后机加车除端面凹槽或者折叠的方法；二是加大锥辊的下压速度，防止靠近内壁和外壁两侧的高度增长过快。第一种方法会破坏锻件端面的金属流线，降低环件的强度，而且浪费材料。第二种方法虽然内壁和外壁两侧的高度增长得到了抑制，却也容易使过量的金属材料流向内壁和外壁两侧上端，并在此处积压形成折叠；而且如果锥辊的下压速度过快，还会使锻件端面出现严重的温升现象，严重影响锻件质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用靠近内壁处具有凸台的异形环坯成形为厚壁环锻件的方法，该方法能够避免锻件端面出现凹槽或折叠等缺陷，并且提高环件的性能和材料利用率。

为解决上述技术问题，本发明所述α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，其技术方案包括以下步骤：

把按规格下料的α-β两相钛合金棒材在锻造加热炉内加热到变形温度，镦粗、冲孔、预轧成矩形环坯；

把矩形环坯放在压力机的砧板上，再将专用模具均匀放在矩形环坯上，以F＝600KN～5500KN的下压力驱动压锤向下移动，并将矩形环坯压成所需异形环坯，其中，异形环坯的外壁高度h₁小于厚壁环锻件的高度h，异形环坯的内壁高度h₂要大于厚壁环锻件的高度h；异形环坯的凸台上端面厚度d₂是异形环坯总厚度d₁的0.25～0.35倍，下端面厚度d₃要大于或等于0.4倍异形环坯的总厚度d₁；

将异形环坯重新加热到变形温度后装入环轧机，设定主辊转速为1.0rad/s、锥辊转速为0.9rad/s，当异形环坯被咬入进行轧制后，控制径向轧制力为400KN～3600KN、轴向轧制力为300KN～3400KN，分别驱动主辊以v₁＝2.00mm/s～4.00mm/s径向进给速度、锥辊以v₂＝1.10mm/s～2.20mm/s的轴向进给速度进行轧制成形；

当异形部分的空腔被全部充满时，刚好达到了厚壁环锻件所需尺寸；控制锥辊不再向下作进给运动，调整径向进给速度为0.40mm/s并逐步减小，对其进行校圆、整形，最终成形为矩形的厚壁环锻件。

所述主辊的径向进给速度v₁和锥辊的轴向进给速度v₂满足关系如下：

$v_1=\frac{d_1-d}{h_2-h}{v}_2$

式中：d₁异形环坯的总厚度、h₂为异形环坯内壁的高度、d为厚壁环锻件的厚度、h厚壁环锻件的高度。

所述专用模具的上、下两端分别设计了形状相同、尺寸不同的两个模具型腔。

所述α-β两相钛合金为Ti6242合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明所述α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，通过采用靠近内壁处具有凸台的异形环坯成形为厚壁环锻件，该异形环坯的优点在于，终轧成形的时候，异形环坯外壁的上端是一个放空状态，不受外力作用，在轧制力的作用下，金属材料除了部分金属材料会沿切线方向流动，使环件的内径、外径增大，壁厚减小外，还有一部分金属材料会沿轴向和径向流动，填充异形部分的空腔，而不会在内壁和外壁两侧上端处积压形成折叠。而且经计算，该异形环坯轧制成厚壁环锻件，其变形量为30％～50％，能够满足变形量要求。

本方法采用主辊以v₁＝2.00mm/s～4.00mm/s径向进给速度、锥辊以v₂＝1.10mm/s～2.20mm/s的轴向进给速度的进给方式，使他们满足公式保证当外径尺寸达到要求尺寸时，异形部分刚好被填充完整，避免了径向进给速度和轴向进给速度不匹配而形成的缺陷，如径向进给速度过快导致异形部分填充不满等缺陷，或者轴向进给速度过快而导致出现折叠或凹槽等缺陷。而且主辊的径向进给速度为v₁＝2.00mm/s～4.00mm/s、锥辊轴向进给速度为v₂＝1.10mm/s～2.20mm/s不会造成温升现象。

以牌号为Ti6242的α-β两相钛合金厚壁环锻件为例：

经检测该合金厚壁环锻件无凹槽、折叠等表面缺陷。

经检测该合金厚壁环锻件的室温拉伸性能，其抗拉强度为845MPa(大于设计使用要求的806.4MPa)，断后伸长率为6％(大于设计使用要求的5％)。

经检测该合金厚壁环锻件的高温拉伸持久试验的检测结果也均符合技术条件要求。

上述理化检测结果表明，采用改进后的中间坯轧制成形的Ti6242厚壁环锻件各项性能指标均符合要求，解决了端面凹坑、折叠等缺陷，并且其力学性能和组织性能达到了厚壁环件的使用要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是中间坯压型过程示意图。

图2是中间坯的结构示意图。

图3是专用模具的结构示意图。

图4是轧制过程中中间坯的截面变化示意图。

图5是厚壁环锻件结构示意图。

具体实施方式

实施本发明所述的α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法需要提供锻造加热炉、压力机、轧环机、机械手等设备。下面以美国材料牌号为Ti6242的α-β两相钛合金为例来详细说明该方法的具体实施方式：

该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为：含Al量6.10％、含Zr量3.92％、含Mo量1.97％、含Sn量1.95％、含Si量0.07％、含Fe量0.04％、含C量0.01％、含N量0.01％、含H量0.004％、含O量0.11％、余量为Ti。

本方法的步骤如下：

把按规格下料的Ti6242合金棒材在锻造加热炉内加热到变形温度，镦粗、冲孔、预轧成矩形环坯。

把矩形环坯放在压力机的砧板300上，再将专用模具200均匀放在矩形环坯上，如图1所示，以F＝600KN～5500KN的下压力驱动压锤400向下移动，并将矩形环坯压成所需异形环坯100。

由于厚壁环锻件500的尺寸是已知的，根据等体积原则，可以将异形环坯100设计成如图2所示结构，其中，异形环坯100的外壁高度h₁小于厚壁环锻件500的高度h，异形环坯100的内壁高度h₂要大于厚壁环锻件500的高度h；异形环坯100的凸台上端面厚度d₂是异形环坯100总厚度d₁的0.25～0.35倍，下端面厚度d₃要大于或等于0.4倍异形环坯100的总厚度d₁。

图3为制备中间坯100的专用模具200结构示意图。专用模具200的上、下两端分别设计了形状相同、尺寸不同的模具型腔201和202，用于轧制不同规格的厚壁环锻件。

步骤2：终轧成形

将异形环坯100重新加热到变形温度后装入环轧机，设定主辊转速为1.0rad/s、锥辊转速为0.9rad/s，当异形环坯100被咬入进行轧制后，控制径向轧制力为400KN～3600KN、轴向轧制力为300KN～3400KN，分别驱动主辊以v₁＝2.00mm/s～4.00mm/s径向进给速度、锥辊以v₂＝1.10mm/s～2.20mm/s的轴向进给速度进行轧制成形，其中，主辊的径向进给速度v₁和锥辊的轴向进给速度v₂满足关系如下：

$v_1=\frac{d_1-d}{h_2-h}{v}_2$

式中：d₁异形环坯的总厚度、h₂为异形环坯内壁的高度、d为厚壁环锻件的厚度、h厚壁环锻件的高度。

在主辊和芯辊的配合下，异形环坯100如同处于一个半封闭式的型腔中，异形环坯100靠近外壁处的上端面是一个放空状态，不受外力作用，在轧制过程中，异形环坯100在径向轧制力以及施加在内壁处凸台上端的轴向轧制力的作用下，除了部分金属材料会沿切线方向流动，使环件的内径、外径增大，壁厚减小外，还有一部分金属材料会沿轴向和径向流动，填充异形部分的空腔，其填充过程如图4所示。

步骤3：校圆、整形

当异形部分的空腔被全部充满时，刚好达到了厚壁环锻件500所需尺寸；控制锥辊不再向下作进给运动，调整径向进给速度为0.40mm/s并逐步减小，对其进行校圆、整形，最终成形为矩形的厚壁环锻件500，如图5所示。

采用上述方法轧制成形的Ti6242合金厚壁环锻件，其高厚比在0.5～1.2之间。

Claims (5)

1.一种α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

把按规格下料的α-β两相钛合金棒材在锻造加热炉内加热到变形温度，镦粗、冲孔、预轧成矩形环坯；

把矩形环坯放在压力机的砧板上，再将专用模具均匀放在矩形环坯上，以F＝600KN～5500KN的下压力驱动压锤向下移动，并将矩形环坯压成所需异形环坯，其中，异形环坯的外壁高度h₁小于厚壁环锻件的高度h，异形环坯的内壁高度h₂要大于厚壁环锻件的高度h；异形环坯的凸台上端面厚度d₂是异形环坯总厚度d₁的0.25～0.35倍，下端面厚度d₃要大于或等于0.4倍异形环坯的总厚度d₁；

将异形环坯重新加热到变形温度后装入环轧机，设定主辊转速为1.0rad/s、锥辊转速为0.9rad/s，当异形环坯被咬入进行轧制后，控制径向轧制力为400KN～3600KN、轴向轧制力为300KN～3400KN，分别驱动主辊以v₁＝2.00mm/s～4.00mm/s径向进给速度、锥辊以v₂＝1.10mm/s～2.20mm/s的轴向进给速度进行轧制成形；

当异形部分的空腔被全部充满时，刚好达到了厚壁环锻件所需尺寸；控制锥辊不再向下作进给运动，调整径向进给速度为0.40mm/s并逐步减小，对其进行校圆、整形，最终成形为矩形的厚壁环锻件。

2.根据权利要求1所述的α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，其特征在于，所述α-β两相钛合金为Ti6242合金。

3.根据权利要求1或2所述的α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，其特征在于，所述主辊的径向进给速度v₁和锥辊的轴向进给速度v₂满足关系如下：

$v_1=\frac{d_1-d}{h_2-h}{v}_2$

式中：d₁异形环坯的总厚度、h₂为异形环坯内壁的高度、d为厚壁环锻件的厚度、h厚壁环锻件的高度。

4.根据权利要求1或2所述的α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，其特征在于，所述专用模具的上、下两端分别设计了形状相同、尺寸不同的两个模具型腔。

5.根据权利要求1或2所述的α-β两相钛合金厚壁环锻件的轧制成形方法，其特征在于，所述厚壁环锻件的高厚比在0.5～1.2之间。