CN105382156A - α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法 - Google Patents

α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法 Download PDF

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俞应炜
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    • B21H1/00—Making articles shaped as bodies of revolution
    • B21H1/06—Making articles shaped as bodies of revolution rings of restricted axial length

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Abstract

本发明公开了一种α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，其步骤为：先将α-β两相钛合金棒材加热至锻造温度，经镦粗、冲孔、预轧后，制成矩形环坯；再将矩形环坯装入环轧机上，将锥辊抬升h＝5mm～10mm，使矩形环坯发生倾斜，然后进行轧制成形，获得α-β两相钛合金矩形环件。该方法通过改变轧制时材料的流动方向，使矩形环件各向力学性能保持一致，从而提高矩形环件的综合力学性能。该方法用于生产各向同性的α-β两相钛合金矩形环件。

Description

α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法
技术领域
本发明涉及一种α-β两相钛合金矩形环件的轧制方法，特别是涉及了一种α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法。
背景技术
环形件轧制是目前生产高性能无缝环件最为有效的手段之一，在航空、航天等诸多领域获得广泛应用。对于矩形环件的生产多以径向轧制方式进行，环件与坯料采用等高设计，锥辊仅起到防止环件攀升和限制环件高度增加的作用，轴向的变形量较小，导致环件的径向力学性能与轴向力学性能相差较大。随着环轧技术的发展和进步，人们逐渐掌握了径/轴双向的轧制成形方式，该方式生产的矩形环件，其轴向力学性能得到了很大程度上的改善，但是，依然不能保证环件在各个方向的力学性能达到一致。其原因在于，径向进给与轴向进给均会使金属材料向环件的切线方向流动，在切线方向形成了锻造流线，从而使得切线方向的力学性能要远远好于径向和轴向的力学性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，通过改变轧制时材料的流动方向，使矩形环件各向力学性能保持一致，从而提高矩形环件的综合力学性能。
为解决上述技术问题，本发明所述α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，其技术方案包括以下步骤：
将按规格下料的α-β两相钛合金棒材加热至锻造温度，经镦粗、冲孔、预轧后，制成高度为H1、厚度为B1、外径为R1的矩形环坯；
将所述矩形环坯装入环轧机上，芯辊从矩形环坯的中间穿过，驱动芯辊并带动矩形环坯向主辊靠近，再驱动锥辊靠近矩形环坯的另一边，上下锥辊将矩形环坯夹在中间；当矩形环坯放平后，驱动锥辊抬升h＝5mm～10mm，使矩形环坯发生倾斜；启动环轧机进行轧制，调整主辊的转速r＝1.0rad/s，以驱动力F1＝327KN～355KN使芯辊以v1＝2.5mm/s的进给速度朝径向进给，径向进给的总量S1＝B1-B2+(H1×h)/2R1，以驱动力F2＝272KN～300KN使锥辊以v2＝1.5mm/s大小的进给速度朝轴向进给，轴向进给的总量S2＝H1-H2+(B1×h)/2R1，式中，B1为矩形环坯的厚度、B2为矩形环件的厚度、H1为矩形环坯的高度、H2矩形环件的高度、R1矩形环坯的外径；当轧制过程进入稳定状态后，将锥辊逐步放下，并与工作台持平；当径向进给量与轴向进给量均达到目标后停止进给，矩形环件在环轧机的作用下转动，一段时间后停止，将矩形环件取出。
所述径向进给速度与轴向进给速度的关系如下：
S1/v1＝S2/v2
式中，S1为径向进给的总量；
S2为轴向进给的总量；
v1为径向进给速度；
v2为径向进给速度。
所述径向进给的驱动力F1满足如下关系：
F1＝α×n0×σ×H×L1
式中，F1为径向进给的驱动力；
α为矩形环件展宽而导致的压力增大系数，取1.2～1.5；
n0为实时应力状态系数；
σ为材料的流动应力；
H为矩形环坯的实时高度；
L1为芯辊与矩形环坯接触的实时弧长。
所述轴向进给的驱动力F2满足如下关系：
F2＝β×n0×σ×B×L2
式中，F2为轴向进给的驱动力；
β为矩形环件高度减小而导致的压力增大系数，取1.8～2.2；
n0为实时应力状态系数；
σ为材料的流动应力；
B为矩形环坯的实时厚度；
L2为锥辊与矩形环坯接触的实时弧长。
所述α-β两相钛合金为TC4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两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，通过将锥辊抬升h＝5mm～10mm，使矩形环件发生小量的倾斜，改变了轧制时金属材料的流动，使其在各个方向保持一致。
将主辊的转速设置为1.0rad/s，径向进给速度为2.5mm/s，轴向进给速度为1.5mm/s，以及径向进给速度与轴向进给速度满足关系式S1/v1＝S2/v2，是为了保证切线方向的材料流动速度与径向、轴向的材料流动速度一致。
径向进给的总量为S1＝B1-B2+(H1×h)/2R1以及轴向进给的总量S2＝H1-H2+(B1×h)/2R1，一方面使矩形环坯发生充分的塑性变形，提高力学性能；另一方面是为了补充锥辊抬高而引起的尺寸差异。
径向进给的驱动力F1满足关系式F1＝α×n0×σ×H×L1，向进给的驱动力F2满足关系式F2＝β×n0×σ×B×L2，使矩形环坯在径向、轴向发生塑性变形，同时防止因环坯倾斜而产生的上下串动。
采用上述方法制备的α-β两相钛合金矩形环件，其组织均匀、性能较好，各向力学性能基本保持一致，以牌号为TC4的α-β两相钛合金矩形环件为例：
经检测该合金矩形环件的径向室温拉伸性能，其抗拉强度为982MPa(大于设计使用要求的895MPa)，伸长率为0.2％时的屈服强度为945MPa(大于设计使用要求的825MPa)，断后伸长率为12％(大于设计使用要求的10％)。
经检测该合金矩形环件的轴向室温拉伸性能，其抗拉强度为976MPa(大于设计使用要求的895MPa)，伸长率为0.2％时的屈服强度为934MPa(大于设计使用要求的825MPa)，断后伸长率为11.5％(大于设计使用要求的10％)。
经检测该合金矩形环件的切向室温拉伸性能，其抗拉强度为998MPa(大于设计使用要求的895MPa)，伸长率为0.2％时的屈服强度为960MPa(大于设计使用要求的825MPa)，断后伸长率为13％(大于设计使用要求的10％)。
上述理化检测结果表明，改进后的轧制成形方法生产α-β两相钛合金矩形环件，其各向力学性能基本相同且均符合要求。
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是本发明所述α-β两相钛合金矩形环件各向同性轧制方法示意图。
具体实施方式
实施本发明所述的α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法需要提供锻造加热炉、压力机、机械手、环轧机等设备。下面以我国材料牌号为TC4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5.5％～6.8％、含V量3.5％～4.5％、含Fe量≤0.30％、含C量≤0.10％、含N量≤0.05％、含H量≤0.015％、含O量≤0.20％、其他元素单个≤0.10％且总和≤0.40％、余量为Ti。
本方法的步骤如下：
将按规格下料的α-β两相钛合金棒材加热至锻造温度，经镦粗、冲孔、预轧后，制成高度为H1、厚度为B1、外径为R1的矩形环坯；
如图1所示，将所述矩形环坯1装入环轧机上，芯辊3从矩形环坯1的中间穿过，驱动芯辊3并带动矩形环坯1向主辊2靠近，再驱动锥辊4靠近矩形环坯1的另一边，上下锥辊4将矩形环坯1夹在中间；当矩形环坯1放平后，驱动锥辊4抬升h＝5mm～10mm，使矩形环坯1发生倾斜；启动环轧机进行轧制，调整主辊2的转速r＝1.0rad/s，以驱动力F1＝327KN～355KN使芯辊3以v1＝2.5mm/s的进给速度朝径向进给，径向进给的总量S1＝B1-B2+(H1×h)/2R1，以驱动力F2＝272KN～300KN使锥辊4以v2＝1.5mm/s大小的进给速度朝轴向进给，轴向进给的总量S2＝H1-H2+(B1×h)/2R1，式中，B1为矩形环坯的厚度、B2为矩形环件的厚度、H1为矩形环坯的高度、H2矩形环件的高度、R1矩形环坯的外径；当轧制过程进入稳定状态后，将锥辊4逐步放下，并与工作台5持平；当径向进给量与轴向进给量均达到目标后停止进给，矩形环件在环轧机的作用下转动，一段时间后停止，将矩形环件取出。
所述径向进给速度与轴向进给速度的关系如下：
S1/v1＝S2/v2
式中，S1为径向进给的总量；
S2为轴向进给的总量；
v1为径向进给速度；
v2为径向进给速度。
所述径向进给的驱动力F1满足如下关系：
F1＝α×n0×σ×H×L1
式中，F1为径向进给的驱动力；
α为矩形环件展宽而导致的压力增大系数，取1.2～1.5；
n0为实时应力状态系数；
σ为材料的流动应力；
H为矩形环坯的实时高度；
L1为芯辊与矩形环坯接触的实时弧长。
所述轴向进给的驱动力F2满足如下关系：
F2＝β×n0×σ×B×L2
式中，F2为轴向进给的驱动力；
β为矩形环件高度减小而导致的压力增大系数，取1.8～2.2；
n0为实时应力状态系数；
σ为材料的流动应力；
B为矩形环坯的实时厚度；
L2为锥辊与矩形环坯接触的实时弧长。

Claims (5)

1.一种α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将按规格下料的α-β两相钛合金棒材加热至锻造温度，经镦粗、冲孔、预轧后，制成高度为H1、厚度为B1、外径为R1的矩形环坯；
将所述矩形环坯装入环轧机上，芯辊从矩形环坯的中间穿过，驱动芯辊并带动矩形环坯向主辊靠近，再驱动锥辊靠近矩形环坯的另一边，上下锥辊将矩形环坯夹在中间；当矩形环坯放平后，驱动锥辊抬升h＝5mm～10mm，使矩形环坯发生倾斜；启动环轧机进行轧制，调整主辊的转速r＝1.0rad/s，以驱动力F1＝327KN～355KN使芯辊以v1＝2.5mm/s的进给速度朝径向进给，径向进给的总量S1＝B1-B2+(H1×h)/2R1，以驱动力F2＝272KN～300KN使锥辊以v2＝1.5mm/s大小的进给速度朝轴向进给，轴向进给的总量S2＝H1-H2+(B1×h)/2R1，式中，B1为矩形环坯的厚度、B2为矩形环件的厚度、H1为矩形环坯的高度、H2矩形环件的高度、R1矩形环坯的外径；当轧制过程进入稳定状态后，将锥辊逐步放下，并与工作台持平；当径向进给量与轴向进给量均达到目标后停止进给，矩形环件在环轧机的作用下转动，一段时间后停止，将矩形环件取出。
2.根据权利要求1所述的α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，其特征在于，所述α-β两相钛合金为TC4合金。
3.根据权利要求1或2所述的α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，其特征在于，所述径向进给速度与轴向进给速度的关系如下：
S1/v1＝S2/v2
式中，S1为径向进给的总量；
S2为轴向进给的总量；
v1为径向进给速度；
v2为径向进给速度。
4.根据权利要求1或2所述的α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，其特征在于，所述径向进给的驱动力F1满足如下关系：
F1＝α×n0×σ×H×L1
式中，F1为径向进给的驱动力；
α为矩形环件展宽而导致的压力增大系数，取1.2～1.5；
n0为实时应力状态系数；
σ为材料的流动应力；
H为矩形环坯的实时高度；
L1为芯辊与矩形环坯接触的实时弧长。
5.根据权利要求1或2所述的α-β两相钛合金矩形环件各向同性的轧制方法，其特征在于，所述轴向进给的驱动力F2满足如下关系：
F2＝β×n0×σ×B×L2
式中，F2为轴向进给的驱动力；
β为矩形环件高度减小而导致的压力增大系数，取1.8～2.2；
n0为实时应力状态系数；
σ为材料的流动应力；
B为矩形环坯的实时厚度；
L2为锥辊与矩形环坯接触的实时弧长。
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