CN105603347A - 在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法 - Google Patents

Abstract

一种在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法，在对钛合金坯料进行改锻和预成形后，经过近等温局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件，通过控制近等温局部加载成形的参数获得三态组织。本发明降低了模具加热温度，显著提高了模具强度，减少模具热腐蚀，进而大幅增加模具寿命，降低生产成本和对模具及设备的要求，通过对近等温局部加载成形中锻件加热变形温度和变形量的控制，得到了具有优良综合性能的三态组织，与现有技术得到的组织形态相同，为钛合金大型复杂整体构件的成形及三态组织调控提供了一种更加经济的工艺方法。

Description

在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法

技术领域

本发明涉及热加工领域，具体是一种钛合金近等温局部加载成形微观组织控制方法。

背景技术

钛合金大型复杂整体构件(如钛合金隔框构件)采用轻质高强材料和大型整体化的结构，有效地提高了结构效率和减轻了装备重量，在航空航天领域的应用日益广泛。局部加载成形通过多道次变换加载位置和累积局部变形实现构件的整体成形，可以控制材料流动，有效降低成形载荷，拓宽成形构件的尺寸范围，为此类钛合金大型复杂整体构件的精密成形提供了一条新的有效途径。钛合金的多种微观组织形态中，由等轴α、条状α和β转变基体组成的三态组织，综合了等轴组织和网篮组织的性能特点，同时具有高的强度、塑性、韧性和低周疲劳性能，是钛合金锻件生产中理想的目标组织形态。针对钛合金锻件的整体成形，周义刚等在《中国工程科学》，2001年，第3卷，5期，61-66页上发表的《近β锻造推翻陈旧理论发展了三态组织》论文中提出了通过近β锻造技术获得三态组织的方法。在申请号为200910073419.9的发明创造中公开了一种在双相钛合金中获得三态组织的热处理工艺，其特点是不经过近β热变形预处理，通过两歩高低温热处理获得三态组织。在钛合金锻件的局部加载成形中，申请号为200910023618.9的发明创造公开了一种通过物理模拟实验确定近α钛合金等温局部加载成形工艺参数的方法，但采用该方法确定的局部加载工艺参数只能获得等轴或双态组织，无法获得三态组织。专利号为ZL201110094404.8的专利公开了一种在钛合金局部加载成形中获得三态组织的方法。该专利中，将局部加载成形与等温成形结合，并通过先近β锻再常规锻获得三态组织的方法。该方法中模具加热到仅比工件低15～35℃的温度，高于900℃，对模具及设备的要求很高，且损耗十分严重，导致生产成本很高。而近等温成形中模具的加热温度比工件低约200℃左右，能够提高模具强度、减少模具热腐蚀，进而大幅增加模具寿命，降低生产成本。对钛合金锻件热成形来说，常采用K403高温合金作为模具材料，随工作温度降低其高温强度迅速增加、热腐蚀速度大幅下降，当温度从900℃降低到800℃时，其强度由835Mpa增加到990Mpa，保温100小时的氧化速率由0.038gm^-2h^-1降低到0.003gm^-2h^-1。这两个因素都会极大地增加模具使用寿命，降低对模具和设备的要求，从而降低生产成本。因此，如果将近等温成形与局部加载成形结合应用于钛合金大型锻件的热成形，并通过参数调控获得综合性能突出的三态组织，将会为钛合大型复杂整体构件提供一种成本更低的成形方式。但近等温成形中，由于模具与工件存在较大的温差，成形过程中构件存在一定程度的温降，会引起钛合金复杂的相转变及组织演化，组织调控更加困难。高鹏飞等人在JournalofMaterialsProcessingTechnology，2012年，第212卷，11期，2520-2528页上发表的MicrostructureevolutioninthelocalloadingformingofTA15titaniumalloyundernon-isothermalcondition论文中通过向保温室内吹风实现的降温局部加载实验，研究了局部加载成形中坯料温降对钛合金组织演变的影响规律，但未给出在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的工艺参数具体范围。而目前尚未见报道有在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的工艺参数调控方法。

发明内容

为克服现有技术在钛合金局部加载成形中获得三态组织时，模具加热温度很高，对模具及设备要求高，且损耗十分严重，生产成本很高的不足，本发明提出了一种在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法。

本发明的具体过程包括以下步骤：

第一步，坯料改锻。将所选用的钛合金铸锭在相变点以上开坯，铸锭加热到T_β+(50～100℃)，变形量50％～60％，锻后水冷。将开坯后得到的毛坯加热到T_β-(40～50)℃的两相区改锻，变形量50％～60％，锻后水冷，获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步，预制坯制备。将具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉，加热到T_β-40℃，采用自由锻进行制坯，获得满足设计要求的预制坯后将预制坯空冷。当需要多火次制坯时，在每一火次加工后将毛坯包裹绝热棉后再回炉加热至T_β-40℃。

第三步，近等温局部加载成形。当预制坯变形量小于70％时，采用一道次加载完成变形，当预制坯变形量大于或等于70％时，采用两道次加载完成变形。局部加载成形利用分块上模完成；局部加载成形的具体实施过程是：

当采用一道次加载完成变形时：

第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上。将模具加热至T_β-(185～215)℃，预制坯加热至T_β-(20～10)℃。用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量为总变形量的100％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却。

第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上。将模具加热至T_β-(185～215)℃，预制坯加热至T_β-(20～10)℃。用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的100％，得到预成形工件。

当采用两道次加载完成变形时：

第一道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上。将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热到T_β-(20～10)℃。用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸内模或中模。

第一道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上。将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热至T_β-(20～10)℃。用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸外模或两个边模。

第二道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上。将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热到T_β-(20～10)℃。用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％。完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却。

第二道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上。将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热到T_β-(20～10)℃。用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％，得到预成形件。

第四步，精整。对局部加载后的预成形件整体加载保压进行精整。精整时，将各分块模具同时安装在上模座上构成整体上模，并使各分块模具同时作用于该预成形件，精整保压时间为10～15min。锻后空冷。

第五步，热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，将得到的预成形件加热到再结晶温度，保温2～3h，空冷。得到具有三态组织的钛合金锻件。

第六步，无损检测。

本发明在对钛合金坯料进行改锻和预成形后，经过近等温局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件，通过控制近等温局部加载成形的参数获得三态组织。本发明提出的技术方案中，锻件加热到近β锻温度保温后发生变形，模具加热温度比锻件温度低165～205℃，锻件的加热温度将等轴α含量控制在合适范围内，锻件和模具的加热温度差使得变形过程中锻件存在一定的温降，从而生成一定含量的条状α。此外，通过调控加载道次可以使每道次的变形量控制在合适范围内，避免了条状α的大量球化。采用本发明的近等温局部加载成形工艺，锻件不同变形区域均得到由等轴α、条状α和β转变基体组成的三态组织，且不同变形区域的组织形态及各相含量相近。与现有的采用等温局部加载成形获得三态组织的方法相比，本发明中模具加热温度降低110～175℃，可以显著提高模具强度，减少模具热腐蚀，进而大幅增加模具寿命，降低生产成本和对模具及设备的要求。此外，本发明通过对近等温局部加载成形中锻件加热变形温度和变形量的控制，得到了具有优良综合性能的三态组织，与现有技术得到的组织形态相同。以实施例一为例，模具温度由900℃以上降低至800℃以下(模具温度降低125℃)，强度增加约150MPa，保温100小时的氧化速率降低约0.03gm^-2h^-1，显著降低了模具损耗，增加了模具寿命。同时，所得锻件先变形区、过渡区及后变形区的微观组织如附图2所示，各区组织均匀，均为由等轴α相、条状α相及β转变基体组成的三态组织，对应的平均力学性能如下：室温下抗拉强度为967MPa，屈服强度为889MPa，延伸率为18.1％，断面收缩率为46.2％。500℃下的抗拉强度为645MPa，屈服强度为487MPa，延伸率为29.3％，断面收缩率为66.5％；冲击韧性为49.8J/cm²。采用本方法获得的三态组织力学性能与现有等温局部加载技术获得三态组织力学性能水平相当。因此，本发明中提出的在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法，为钛合金大型复杂整体构件的成形及三态组织调控提供了一种更加经济的工艺方法。

附图说明

图1是工艺流程示意图。

图2是TA15钛合金的微观组织。其中，a是先变形区的微观组织，b是过渡区的微观组织，c是后变形区的微观组织。

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是利用现有技术中的分块上模，通过钛合金近等温局部加载成形微观组织控制的方法成形某钢铁公司生产的TA15钛合金整体筋板构件。所述的上模由一个中模和两个边模共三块模具组成；中模用于成形工件中间部分，两个边模用于成形工件两侧；中模和两个边模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TA15钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是990℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TA15钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+50℃即1040℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，使铸锭变形量为50％～60％；锻后水冷。将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-40℃即950℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔至毛坯的总变形量为50～60％；锻后水冷。获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即950℃，保温2h，采用自由锻进行制坯。共四火次完成制坯，每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即950℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。四火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、近等温局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对得到的预制坯进行近等温局部加载。采用一道次近等温局部加载，即通过两个加载步完成变形；压下量均为30mm，各加载步的变形量均为40％。成形后构件上由中模成形的对应区域为先变形区，由两个边模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。具体是：

第一加载步中，将中模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-200℃即790℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即970℃，保温1h。通过中模成形预制坯的中间部分；成形中，中模以0.4mm/s的速度下压，压下量为30mm。中模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二加载步中，将两个边模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-200℃即790℃。将经过第一加载步的预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即970℃，保温1h。将所述预制坯置于模具中，通过两个边模同时成形该预制坯的两侧部分；成形中，两个边模以0.4mm/s的速度下压，压下量为30mm。至此，近等温局部加载过程结束，得到预成形件。

第四步、精整。近等温局部加载完成后，将得到的预成形件置于模具中进行精整。精整中，中模和两个边模同时压下，精整的最大压力为6000吨，保压时间为15min。锻后立即取出该预成形件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺，对经过精整的预成形件进行热处理。锻件热处理制度是810℃×3h。空冷，得到具有三态组织的TA15钛合金锻件。

第六步、无损检测。按常规方法对得到的具有三态组织的TA15钛合金锻件进行无损检测。

本实施方式所得锻件先变形区、过渡区及后变形区的三态组织如图2所示。

实施例二

本实施例是利用分块上模，通过钛合金近等温局部加载成形微观组织控制的方法成形某钢铁公司生产的TC11钛合金整体盘类构件。所述的上模由内模和外模两块模具组成；内模用于成形工件中间部分，外模用于成形工件两侧；内模和外模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TC11钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是1000℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TC11钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+90℃即1090℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，使铸锭变形量为50％～60％；锻后水冷。将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-45℃即955℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔至毛坯的总变形量为50～60％；锻后水冷。获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即960℃，保温2h，采用自由锻进行制坯。共六火次完成制坯，每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即960℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。六火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、近等温局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对得到的预制坯进行近等温局部加载。采用两道次近等温局部加载，即通过四个加载步完成变形；两道次的总压下量为50mm，平均变形量为70％。成形后构件上由内模成形的对应区域为先变形区，由外模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。具体是：

第一道次：

第一加载步：将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-185℃即815℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即980℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.3mm/s的速度下压，压下量为25mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却后拆卸内模。

第二加载步：将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-185℃即815℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即980℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.3mm/s的速度下压，压下量25mm。外模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却后拆卸外模。

第二道次：

第一加载步：将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-185℃即815℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即980℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分，成形中，内模以0.3mm/s的速度下压，压下量为25mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-185℃即815℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-20℃即980℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分，成形中，外模以0.3mm/s的速度下压，压下量25mm。至此，近等温局部加载过程结束，得到预成形件。

第四步、精整。第二道次近等温局部加载完成后，通过压力机对得到的预成形件进行精整。将所述预成形件置于模具中，内模和外模同时压下。压力机的最大压力6000吨，保压时间为10min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺对经过精整的预成形件进行热处理。热处理制度是810℃×2h空冷。

第六步、无损检测。

实施例三

本实施例是利用分块上模，通过钛合金近等温局部加载成形微观组织控制的方法成形某钢铁公司生产的TC4钛合金整体筋板构件。所述的上模由内模和外模两块模具组成；内模用于成形工件中间部分，外模用于成形工件两侧；内模和外模同时安装在上模座时构成整体上模。

本实施例中所用TC4钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点T_β是995℃。具体实施过程包括以下步骤：

第一步、坯料改锻。将TC4钛合金铸锭在电阻炉里加热到T_β+70℃即1065℃并保温2h，在快锻机上反复镦拔开坯，使铸锭变形量为50％～60％；锻后水冷。将开坯后毛坯在电阻炉里加热到T_β-45℃即950℃并保温1.5h，在快锻机上反复镦拔至毛坯的总变形量为50～60％；锻后水冷。获得具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯。

第二步、预制坯制备。在具有细小的等轴组织或双态组织的毛坯外表包裹绝热棉并加热到T_β-40℃即955℃，保温2h，采用自由锻进行制坯。共四火次完成制坯，每火次完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热到T_β-40℃即955℃并保温2h，以进行下一火次自由锻。四火次制坯过程结束后将预制坯空冷，获得满足设计要求的预制坯。

第三步、近等温局部加载成形。在6000吨等温锻液压机上对得到的预制坯进行近等温局部加载。采用一道次近等温局部加载，即通过两个加载步完成变形；两加载步的压下量均为35mm，平均变形量为50％。成形后构件上由内模成形的对应区域为先变形区，由外模成形的对应区域为后变形区，先变形区与后变形区之间发生被动变形的区域为过渡区。具体是：

第一加载步中，将内模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-215℃即780℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-15℃即980℃，保温1h。通过内模成形预制坯的中间部分；成形中，内模以0.2mm/s的速度下压，压下量为35mm。内模加载完成后，将预制坯立即取出空冷。将模具随炉冷却。

第二加载步中，将外模安装在上模座上作为上模，并将模具加热到T_β-215℃即780℃。将预制坯在箱式电阻炉里加热到T_β-15℃即980℃，保温1h。通过外模成形预制坯的两侧部分；成形中，外模以0.2mm/s的速度下压，压下量35mm。至此，局部加载过程结束，得到预成形件。

第四步、精整。近等温局部加载完成后，通过压力机对得到的预成形件进行精整。精整时，内外模同时压下，压力机的最大压力6000吨，保压时间为13min。锻后立即取出工件空冷。

第五步、热处理。采用再结晶退火的热处理工艺对经过精整的预成形件进行热处理。锻件热处理制度是810℃×2.5h空冷。

第六步、无损检测。

Claims (4)

1.一种在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步，坯料改锻；

第二步，预制坯制备；

第三步，近等温局部加载成形；当预制坯变形量小于70％时，采用一道次加载完成变形，当预制坯变形量大于或等于70％时，采用两道次加载完成变形；局部加载成形利用分块上模完成，得到预成形件；近等温局部加载成形中，模具的加热温度为T_β-(185～215)℃；

第四步，精整；

第五步，热处理；采用再结晶退火的热处理工艺，将得到的预成形件加热到再结晶温度，保温2～3h，空冷；得到具有三态组织的钛合金锻件；

第六步，无损检测。

2.如权利要求1所述在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法，其特征在于，当采用一道次加载完成变形时：

第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上；将模具加热至T_β-(185～215)℃，预制坯加热至T_β-(20～10)℃；用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量为总变形量的100％；完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却；

第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上；将模具加热至T_β-(185～215)℃，预制坯加热至T_β-(20～10)℃；用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的100％，得到预成形件。

3.如权利要求1所述在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法，其特征在于，当采用两道次加载完成变形时：

第一道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上；将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热到T_β-(20～10)℃；用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％；完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸内模或中模；

第一道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上；将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热至T_β-(20～10)℃；用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％；完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却后拆卸外模或两个边模；

第二道次第一加载步，将上模中的内模或中模安装到上模座上；将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热到T_β-(20～10)℃；用内模或中模对位于所述的内模或中模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％；完成加载后立即将预制坯出模空冷，将模具随炉冷却；

第二道次第二加载步，将上模中的外模或两个边模安装到上模座上；将模具加热到T_β-(185～215)℃，预制坯加热到T_β-(20～10)℃；用外模或两个边模对位于所述的外模或两个边模垂直投影下的预制坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，变形量等于总变形量的50％，得到预成形件。

4.如权利要求1所述在钛合金近等温局部加载成形中获得三态组织的方法，其特征在于，精整时，将各分块模具同时安装在上模座上构成整体上模，并使各分块模具同时作用于该预成形件，精整保压时间为10～15min；锻后空冷。