CN105562573A - 置氢tc4钛合金锻造工艺参数的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法，用于解决现有置氢钛合金锻造工艺实用性差的技术问题。技术方案是首先通过热模拟压缩变形实验获得置氢TC4钛合金的流动应力和应变数据，再计算应变速率敏感性指数m值、能量耗散率η值和流动失稳参数ξ值；根据能量耗散率η值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理应变速率范围，再根据依据流动失稳参数ξ值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理锻造温度范围，优选出置氢TC4钛合金的合理锻造温度和应变速率。本发明成功锻造出置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片，与TC4钛合金锻造叶片的国家标准相比，其室温抗拉强度、室温屈服强度和400℃高温抗拉强度均有提高。

Description

置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法

技术领域

本发明涉及热加工领域，特别涉及一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法。

背景技术

钛合金锻件的综合力学性能直接由锻件的微观组织决定，其微观组织又由锻造工艺参数决定。因此，在不改变钛合金材料成分的前提下，通过优化钛合金锻造工艺参数合理有效地控制其锻造工艺，可以使得钛合金锻件的力学性能满足设计要求。特别是，钛合金是一种代表性难变形金属结构材料，钛合金锻件需要通过优化锻造工艺参数获得优异的力学性能，才能满足设计要求。

文献1“保温时间对置氢钛合金超塑变形组织的影响[J]，张宗尧，任学平，王耀奇，侯红亮，李晓华，李红，塑性工程学报，2008，15(1)：84－87”报道了置氢0.3wt％的TC4钛合金的最佳超塑性变形工艺参数是：变形温度840℃，保温时间25min，应变速率10^-3s^-1；在上述条件下置氢0.3wt％的TC4钛合金超塑性拉伸时的最大延伸率为327％。文献1通过研究保温时间对置氢0.3wt％的TC4钛合金超塑性变形过程中微观组织的影响，确定了一个合适的保温时间，没有考虑变形温度、应变速率的影响，因此上述结果在置氢钛合金超塑性变形工艺方面应用也有限，更不适合于置氢钛合金的锻造工艺参数优化。

文献2“专利申请号是CN200910072752的中国发明专利”公开了一种置氢钛合金锻造叶片的锻造工艺，其锻造工艺包括充氢、预制坯、吹砂、润滑、装入预热模具、锻造、飞边、再吹砂、清洗、脱氢。文献2提出的置氢TC4钛合金叶片锻造工艺，只是针对一种具体锻造工艺参数下的实验结果，而不是锻造工艺参数的优化结果，其锻造工艺参数在置氢钛合金中也不具有推广作用。

锻造过程是一个复杂的塑性变形过程，对锻造工艺参数、材料特性特别敏感，钛合金的锻造过程尤为复杂。与钢、铝合金、铜合金、镁合金等金属材料相比，钛合金的锻造工艺性能差，其锻件力学性能对锻造工艺参数特别敏感，决定着钛合金锻件的使用性能和使用可靠性。因此，优化置氢钛合金的锻造工艺参数是钛合金锻造技术领域关注的重点和热点。综上，尚未提出置氢钛合金锻造工艺参数的优化设计方法。

发明内容

为了克服现有置氢钛合金锻造工艺实用性差的不足，本发明提供一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法。该方法首先通过热模拟压缩变形实验获得置氢TC4钛合金的流动应力和应变数据，再计算应变速率敏感性指数m值、能量耗散率η值和流动失稳参数ξ值；根据能量耗散率η值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理应变速率范围，再根据依据流动失稳参数ξ值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理锻造温度范围，优选出置氢TC4钛合金的合理锻造温度、应变速率。本发明采用优化后的锻造工艺参数成功锻造出置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片，与TC4钛合金锻造叶片的国家标准相比，其室温抗拉强度提高了18.44～18.99％，室温屈服强度高出20.61～21.21％，400℃高温抗拉强度高出18.33％。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、采用机械加工方法将TC4钛合金棒材加工成热模拟压缩试样，采用无水乙醇对TC4钛合金热模拟压缩试样表面进行清洗；

步骤二、将TC4钛合金热模拟压缩试样置入置氢炉中，先抽真空至1×10^-3Pa，再以约5-15℃/min的速度加热到750℃，保温8min，接着向置氢炉中通入氢气，充入氢气的流量为1L/min，保温2hrs，以5-10℃/min的速度冷却至室温，得到置氢TC4钛合金热模拟压缩试样；

步骤三、将FR5玻璃润滑剂涂敷在步骤二得到的置氢TC4钛合金热模拟压缩试样表面，置氢量0.4wt％，变形温度760℃、800℃、840℃、880℃、920℃，应变速率0.01s^-1、0.1s^-1、1s^-1，最大应变0.92，在热模拟试验机上进行热模拟压缩变形实验，压缩变形实验前保温3min；

步骤四、根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应力和应变数据，采用式(1)、(2)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度和应变速率下的能量耗散率η值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率η值的计算结果确定其应变速率范围是0.01-0.1s^-1；

$m=\frac{d\left(log\mathrm{\σ}\right)}{d\left(\log \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\right)}---\left(1\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{2m}{1+m}---\left(2\right)$

式中，σ为流动应力，单位MPa，为应变速率，单位s^-1，m为应变速率敏感性指数；

步骤五、根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应力和应变数据，采用式(1)、(3)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度和应变速率下的流动失稳参数ξ值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数ξ值的计算结果确定其锻造温度范围是780-900℃；

$\mathrm{\ξ}=\frac{\∂log\frac{m}{1+m}}{\∂\log \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}+m---\left(3\right)$

式中，m为应变速率敏感性指数；

步骤六、将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片坯料放置在炉温为790℃的锻造模具内，保温30min后锻造出叶片；

步骤七、将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片锻件清理后，置入真空炉中，抽真空到1.0×10^-3Pa，以10℃/min的速度加热至700-750℃，保温3hrs，以10℃/min速度冷却至室温进行除氢；

本发明的有益效果是：该方法首先通过热模拟压缩变形实验获得置氢TC4钛合金的流动应力和应变数据，再计算应变速率敏感性指数m值、能量耗散率η值和流动失稳参数ξ值；根据能量耗散率η值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理应变速率范围，再根据依据流动失稳参数ξ值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理锻造温度范围，优选出置氢TC4钛合金的合理锻造温度、应变速率。本发明采用优化后的锻造工艺参数成功锻造出置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片，与TC4钛合金锻造叶片的国家标准相比，其室温抗拉强度提高了18.44～18.99％，室温屈服强度高出20.61～21.21％，400℃高温抗拉强度高出18.33％。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法实施例置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率图。

图2是本发明方法实施例置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数图。

具体实施方式

以下实施例参照图1和图2。

实施例一、置氢量0.4wt％的TC4钛合金的锻造工艺参数优化。

(1)将直径18mm的供应态TC4钛合金棒材进行机械加工，得到直径为8mm，高度12mm的热模拟压缩试样，用无水乙醇清洗TC4钛合金试样；

(2)将的TC4钛合金试样置入置氢炉中，抽真空到1×10^-3Pa，以约5－15℃/min的速度加热至750℃，保温8min，充入氢气的流量为1L/min，保温2hrs，以5－10℃/min的速度冷却至室温，即得到置氢TC4钛合金试样；

(3)将FR5玻璃润滑剂涂敷在置氢TC4钛合金热模拟压缩试样表面，选取自然氢(供应态)、置氢量0.4wt％，变形温度760℃、800℃、840℃、880℃、920℃，应变速率0.01s^-1、0.1s^-1、1s^-1，最大应变0.92，在Thermecmaster-Z型热模拟试验机上进行热模拟压缩变形实验，压缩变形实验前保温3min；

(4)根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应力、应变数据，采用式(1)、(2)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度、应变速率下的能量耗散率η值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率η值的计算结果确定其应变速率范围是0.01—0.1s^-1；

$m=\frac{d\left(log\mathrm{\σ}\right)}{d\left(log\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\right)}---\left(1\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{2m}{1+m}---\left(2\right)$

式中，σ为流动应力(MPa)，为应变速率(s^-1)，m为应变速率敏感性指数；

(5)根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应力、应变数据，采用式(1)、(3)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度、应变速率下的流动失稳参数ξ值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数ξ值的计算结果确定其锻造温度范围是780—900℃；

$\mathrm{\ξ}=\frac{\∂log\frac{m}{1+m}}{\∂\log \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}+m---\left(3\right)$

式中，m为应变速率敏感性指数，为应变速率(s^-1)；

(6)将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片坯料放置在锻造模具内加热到790℃，保温30min后，以10mm/min的锻造速度锻造出叶片；

(7)将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片锻件清理后，置入真空炉中，抽真空到1.0×10^-3Pa，以10℃/min的速度加热至700－750℃，保温3hrs，以10℃/min速度冷却至室温进行除氢；

(8)对置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片进行室温和高温拉伸试样取样与拉伸性能测试。

图1是实施例中置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率图，图2是实施例中置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数图。从表1中可以看出，置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的室温抗拉强度为1060MPa，与国家标准(895MPa)相比高出18.44％；置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的室温屈服强度为995MPa，与国家标准(825MPa)相比高出20.61％；置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的400℃抗拉强度为710MPa，比国家标准(600MPa)相比高出18.33％。

表1TC4钛合金锻造叶片的拉伸强度

实施例二、置氢量0.4wt％的TC4钛合金的锻造工艺参数优化。

与实施例一中步骤(6)不同的是将同尺寸TC4钛合金叶片坯料放置在锻造模具内加热到820℃，保温30min后，以10mm/min的锻造速度锻造出叶片；

表2TC4钛合金锻造叶片的拉伸强度

从表2中可以看出，置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的室温抗拉强度为1065MPa，比国家标准(895MPa)高出18.99％；置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的室温屈服强度为1000MPa，比国家标准(825MPa)高出21.21％；置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的400℃抗拉强度为710MPa，比国家标准(600MPa)高出18.33％。上述测试结果说明，本发明通过优化置氢TC4钛合金的锻造工艺参数，达到了提高置氢TC4钛合金锻造叶片力学性能的目的。

Claims (1)

1.一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采用机械加工方法将TC4钛合金棒材加工成热模拟压缩试样，采用无水乙醇对TC4钛合金热模拟压缩试样表面进行清洗；

步骤二、将TC4钛合金热模拟压缩试样置入置氢炉中，先抽真空至1×10^-3Pa，再以约5-15℃/min的速度加热到750℃，保温8min，接着向置氢炉中通入氢气，充入氢气的流量为1L/min，保温2hrs，以5-10℃/min的速度冷却至室温，得到置氢TC4钛合金热模拟压缩试样；

步骤三、将FR5玻璃润滑剂涂敷在步骤二得到的置氢TC4钛合金热模拟压缩试样表面，置氢量0.4wt％，变形温度760℃、800℃、840℃、880℃、920℃，应变速率0.01s^-1、0.1s^-1、1s^-1，最大应变0.92，在热模拟试验机上进行热模拟压缩变形实验，压缩变形实验前保温3min；

步骤四、根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应力和应变数据，采用式(1)、(2)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度和应变速率下的能量耗散率η值；根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率η值的计算结果确定其应变速率范围是0.01-0.1s^-1；

$m=\frac{d\left(log\mathrm{\σ}\right)}{d\left(log\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}\right)}---\left(1\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{2m}{1+m}---\left(2\right)$

式中，σ为流动应力，单位MPa，为应变速率，单位s^-1，m为应变速率敏感性指数；

步骤五、根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应力和应变数据，采用式(1)、(3)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度和应变速率下的流动失稳参数ξ值；根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数ξ值的计算结果确定其锻造温度范围是780-900℃；

$\mathrm{\ξ}=\frac{\∂\log \frac{m}{1+m}}{\∂\log \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}+m---\left(3\right)$

式中，m为应变速率敏感性指数；

步骤六、将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片坯料放置在炉温为790℃的锻造模具内，保温30min后锻造出叶片；

步骤七、将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片锻件清理后，置入真空炉中，抽真空到1.0×10^-3Pa，以10℃/min的速度加热至700-750℃，保温3hrs，以10℃/min速度冷却至室温进行除氢。