CN105441845B - Tc18钛合金原材料异常组织的锻造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锻造工艺技术领域,公开了一种TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺。其包括如下步骤:a、对坯料进行1~2火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上15~30℃,变形量控制在20~40%之间;b、对坯料进行2火以上的相变点以下的锻造,锻造温度选用相变点以下20~40℃,变形量控制在15~30%之间;c、对坯料进行1火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上10~20℃,变形量控制在15~25%之间。该工艺可以有效避免出现细晶亮带组织缺陷,能满足TC18钛合金自由锻件的批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于锻造工艺技术领域,具体涉及一种TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺。
背景技术
TC18钛合金锻件作为难变形合金之一,是20世纪60年代末前苏联开发的一种高强钛合金,名义成分为Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe.该合金属过渡型α+β合金,该合金兼有α+β型钛合金和β型钛合金的性能特性,具有变形塑性好、淬透性较高等优点,在退火状态下的强度与TC4、TC6等合金固溶时效状态下的强度相当,是退火状态下强度最高的钛合金。TC18钛合金最突出的优点是最大淬透面厚度可达250mm,而强度水平与其相当的Ti-1023淬透截面仅为100mm,Ti-17为150mm,因此该合金在制造飞机大型承力结构件方面得到了广泛的应用。
该材质锻造温度区间窄、对锻造工艺要求高、锻造工艺复杂,理化检验中主要存在的问题为组织中存在粗大的α带,同时性能指标(塑性)不稳定等。如果原材料低倍组织中出现分层组织,更加增加了锻造工艺的不确定性,有很大几率出现低倍不合格组织。
以下为原材料具有异常组织的常规锻造举例:
原材料情况:炉号558-10175,规格Φ350棒料,
组织说明:均有清晰晶,低倍晶粒评级为3级,棒料内部有疑似模糊晶粒,该空烧低倍有严重的异常细晶区分层组织,细晶区晶粒细小,属于低倍不合格组织。
经常规锻造工艺后锻件出现细晶体亮带组织,细晶亮带常见于钛合金低倍组织中的一种缺陷,是肉眼可见的一条条具有异常光亮带的区域。由于光照角度的不同,亮条可能比基体金属亮,也可能比基体金属暗。在横断面上,它呈点状或片状,无规则形状;在纵断面上,则为平滑长条。
经过分析,形成这类亮带的可能原因有两个:一个是亮条处化学成分偏析,使其β转变温度下降,因而当基体处于(α+β)两相区时,该处已进入β区,加工后析出条状α相,形成这类亮带;另一个可能是局部区域变形程度大,在拔长过程中,锻件对角线区域变形量大,再经历多火次累积变形,锻件对角线中间区域会因为大变形导致晶粒更细,从而形成图示所示细晶亮带组织,变形细晶带在低倍片上为一明亮的窄条,属于不合格组织。
对上述细晶区我们做了化学成分分析,这类亮条中,铝、钒含量比基体低,杂质元素碳、氮、氧含量偏高,硅、铁偏低,但均未超过技术标准规定要求,所以不属于成分偏析引起的。再结合原材料的低倍情况及锻造工艺情况,我们得出结论,这类细晶组织的形成是因为原材料空烧低倍上所出现的分层组织,无法通过常规的锻造工艺进行改善,只有通过增加相变点以上变形才能改善,才能彻底释放原材料锻造过程中的积累的相转变能。
为了保证钛合金锻件在室温和高温下均具有良好的综合性能,两相钛合金通常都是在低于β转变温度以下30~50℃以中等应变率进行锻造的,这种方法是一种传统的锻造方式。为了获得较高的断裂韧性及抗蠕变性能,在锻造最后1~2火需要执行一火β锻造(即相变点以上10~30℃),锻件显微组织将由等轴组织转变成网篮组织。网篮组织的优点是具有高的断裂韧性及抗蠕变性能,而塑性稍有降低的一种组织形态,能满足型号飞机对高裂纹扩展速率的设计要求。
然而当原材料出现分层组织及细晶组织后,如果继续采用常规锻造工艺方法,即先执行相变点以下锻造,最后1~2火执行一火β锻造,显微组织会从等轴组织转变成网篮组织,组织虽转变了,但同时会在锻件变形量最大的区域形成细晶亮带组织,该组织属于不合格组织。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用TC18钛合金异常组织的原材料进行锻造生产,避免锻件因材料问题出现细晶亮带缺陷的的锻造工艺方法。
本发明公开的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺,包括如下步骤:
a、对坯料先进行1~2火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上15~30℃,变形量控制在20~40%之间;
b、1~2火相变点以上的β锻造后需进行2火以上的相变点以下的两相区锻造,锻造温度选用相变点以下20~40℃,变形量控制在15~30%之间;
c、最后1`2火需对坯料进行1火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上10~20℃,变形量控制在15~25%之间。
优选地,c步骤中,锻造温度选用相变点以上15℃,变形量为20%。
优选地,a步骤中,加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7min/mm,再将炉内温度升至相变点以上15~30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5~0.7min/mm;
优选地,b步骤中,加热制度采用在炉内温度为相变点以下30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7~1min/mm;
优选地,c步骤中,加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃的进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5~0.7min/mm,再将炉内温度调整到相变点以上15~30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.2~0.5min/mm。
本发明的有益效果是:本发明通过工艺第1~2火相变点以上的β锻造,改变了原材料分层组织的分布状态,锻件经历了组织转变,再结晶等过程,组织上先变成网篮组织,经过后续2火以上、变形量15~30%变形后,组织会重新转变成等轴或双态组织,改善了原材料的组织状态,最后1~2火再执行一火β锻造,显微组织又从等轴组织转变成锻件需要的网篮组织的锻造工艺方法,通过多批次的锻件产品的生产,该工艺得到了验证,可以有效避免锻件出现细晶亮带组织缺陷,能满足TC18钛合金自由锻件的批量化生产。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明。
本发明锻造的原材料可以选用材质为TC18,直径300mm,长度2500~3000mm左右的棒料,棒料经过原材料入厂复验,复验后进行锯料、平头、倒角工序进行锻件的生产。
本发明针对原材料出现分层组织,对这种组织不符合YMS1507材料标准要求的原材料采用以下锻造工艺方法,可以生产出符合锻件标准规定要求的钛合金锻件,本锻造工艺锻造时依次进行如下步骤:
a、先对坯料进行1~2火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上15~30℃,变形量控制在20~40%之间,使锻件组织由等轴或双态组织转变成网篮组织,同时通过β区高温加热后原材料中的细晶区分层组织也会变粗;
b、1~2火β锻后需对坯料进行2火以上的相变点以下的锻造,锻造温度选用相变点以下20~40℃,变形量控制在15~30%之间,多次β相变点以下的两向区锻造后,a步骤中形成的网篮组织和变粗的细晶区分层组织破碎,重新析出初生α相,随温度的降低初生α相的体积分数会增加。相同变形温度下,随着变形量的增加,初生α相的体积分数变化不明显,略有增加,但有明显的方向性,沿与受力方向垂直的方向被拉长,因此,每火变形量也不宜过大,保持15~30%之间即可。
c、最后1~2火需对坯料进行1火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上10~20℃,变形量控制在15~25%之间,此时执行一火β锻造将锻件显微组织由等轴组织转变成网篮组织,从而提高锻件的断裂韧性及抗蠕变性能。c步骤的一火β锻造,对锻件的性能有着极大影响,锻造温度不宜过高,以免形成的组织过于粗大,形变量也不宜过大,以免造成组织破碎。对于此次β锻造,优选地,锻造温度选用相变点以上15℃,变形量为20%。
在c步骤之后即可根据锻件的实际形状要求,进行煨弯等变形工艺,这些变形工艺均需在β相变点以下30℃左右的两相区进行加热,变形量控制在约5%以下,以免破坏c步骤中形成的网篮组织,锻造完成后的优选采用空冷的冷却方式。
锻件锻造时的加热时长也会对锻件质量造成影响,锻件加热采用到温装炉的装料方式,优选地,
a步骤中,加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7min/mm,再将炉内温度升至相变点以上15~30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5~0.7min/mm。
b步骤中,加热制度采用在炉内温度为相变点以下30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7~1min/mm。
c步骤中,加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃的进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5~0.7min/mm,再将炉内温度调整到相变点以上15~30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.2~0.5min/mm。
上述坯料有效厚度是指坯料最薄厚度方向上的最厚尺寸长度,例如,规格为100×200×400mm的坯料,则其有效厚度是100mm,a步骤中加热制度为相变点以下30℃加热70min,再在相变点以上15~30℃加热50~70min;b步骤中加热制度为相变点以下30℃加热70~100min;c步骤中加热制度为相变点以下30℃加热50~70min,再在相变点以上15~30℃加热20~100min。若坯料的最薄厚度方向上的截面厚度不等,例如该方向上的厚度为50~100mm,则选择最厚处100mm作为坯料有效厚度。而对于长棒形坯料,则以其截面直径作为加热有效厚度。
在a、c步骤中,需要将锻件温度加热至相变点上,而若直接将锻件放置于该温度下加热,容易使的锻件表面温度处于β相变区过长,形成过于粗大组织,而锻件中心区域处又不能及时上升至相变点,无法完成组织转变,因此,需要先将锻件放置于相变点以下进行加热,使锻件表面没有进行β相变的时间内,锻件中心区域获得充足的加热时间,然后再将锻件置于相变点以上进行加热,从而有效缩小锻件内外处于β相变内的时长差距,使锻件内外组织转变均匀一致。
以下为本发明的一个实施例
锻造工艺参数:锻件轮廓:1778×571×90mm;
主要生产设备:5镦自由锻锤、50MN油压机;
锻件重量:178Kg;锻件下料规格:Ф300mm×600mm;
锻件下料重量:196Kg;
原材料需满足YMS1507技术要求,首先棒料加热后在50MN油压机上进行改锻工序,控制变形量在20%~40%之间、第1~2火锻造温度选用相变点以上15~30℃;第3~9火选用相变点以下30℃加热,进行拔长工序,控制拔长变形量15~30%之间;第10火选用相变点以上15℃加热,进行拔长工序,控制拔长变形量20%左右;冷件加热时间按照坯料的有效厚度(单位mm)乘以0.7后的数值(单位分钟)确定加热时间、热件加热时间按照坯料的有效厚度(单位mm)乘以0.5~0.6系数后的数值(单位分钟)确定加热时间,无需预热,采用到温装炉的装料方式,锻后选择空冷的冷却方式;
对锻件进行取样检查,其显微检查、低倍检查均合格,能满足YMS1508技术条件要求,其理化性能数据具体如下:
取样位置 | RM(Mpa) | Rp0.2(Mpa) | A(%) | Z(%) | 取样位置 | ak(KJ/m2) | HBS(d/mm) |
纵1-1 | 1092 | 1010 | 13.1 | 27.4 | 纵4-1 | 260 | 3.30 |
纵1-2 | 1089 | 1010 | 12.7 | 22.5 | 纵4-2 | 380 | 3.32 |
横2-1 | 1086 | 1021 | 11.0 | 22.2 | |||
横2-2 | 1087 | 1015 | 8.6 | 20.4 | |||
高3-1 | 1108 | 1043 | 9.8 | 23.6 | |||
高3-2 | 1110 | 1048 | 9.7 | 23.2 |
Claims (5)
1.TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺,其特征在于,依次包括如下步骤:
a、选择出现分层组织的坯料,先对坯料进行1~2火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上15~30℃,变形量控制在20~40%之间;
b、1~2火β锻后需对坯料进行2火以上的相变点以下的锻造,锻造温度选用相变点以下20~40℃,变形量控制在15~30%之间;
c、最后1~2火需对坯料进行1火相变点以上的β锻造,锻造温度选用相变点以上10~20℃,变形量控制在15~25%之间。
2.如权利要求1所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺,其特征在于,c步骤中,锻造温度选用相变点以上15℃,变形量为20%。
3.如权利要求1或2所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺,其特征在于,a步骤中,加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7min/mm,再将炉内温度升至相变点以上15~30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5~0.7min/mm。
4.如权利要求1或2所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺,其特征在于,b步骤中,加热制度采用在炉内温度为相变点以下30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7~1min/mm。
5.如权利要求1或2所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺,其特征在于,c步骤中,加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃的进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5~0.7min/mm,再将炉内温度调整到相变点以上15~30℃进行加热,加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.2~0.5min/mm。
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