CN106591754A - 一种利用自由锻锤提高tc21钛合金组织性能的锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用自由锻锤提高TC21钛合金组织性能的锻造方法，该方法包括以下步骤：1)钛合金坯料相变点下改锻：坯料的改锻温度为Tβ‑25℃～Tβ‑45℃，加热系数为0.4～1.0min/mm等；2)坯料的探伤检查；3)相变点上准β锻造成型4)热处理：将坯料进行双重退火；5)100％进行低倍检查、探伤和抽样高倍检查和力学性能检查。通过本发明可得到一种较高TC21钛合金组织性能的锻造方法，使之强度、塑性和断裂韧性的达到预期的要求，提高TC21钛合金构件的组织可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高TC21钛合金组织性能的锻造方法，加工出的钛合金具有高强度、高韧性、高损伤容限及良好的疲劳性能的新型钛合金材料，属于材料加工领域。
背景技术
TC21是一种新型钛合金材料，其名义成分为Ti-6Al--3Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1Cr，Tβ转变温度区间为965℃～945℃。该合金具有高强度、高韧性、高损伤容限及良好的疲劳性能的优点，因而广泛地应用于飞机的机翼接头结构件、机身与起落架连接框；同时该合金还可以用于制造400℃～500℃下长期工作的零件。
TC21通常在双重退火状态下使用，也可以在淬火状态下使用。锻造的加热和变形过程的控制是该材料生产的难点，对内部组织和性能具有重要的影响。一些资料讨论了常规锻造温度对TC21钛合金组织和性能的影响，但对TC21准β锻研究较少。
TC21钛合金在自由锻锤生产时，在准β锻温度下锻造成形对合金组织性能的影响结果表明：如果TC21钛合金锻件在准β锻火次出现设备故障导致无法锻造生产时，采取冷却后重新在两项区进行锻造变形的方法，可以得到与正常完成准β锻造基本一致的性能指标，但是晶粒尺寸会有所增大，能够符合技术条件要求。但是再次经过准β锻加热后完成锻造，晶粒尺寸讲进一步增大，可能影响到最终锻件的塑形指标。
显微组织受温度的影响敏感，在两相区锻造时，显微组织由初生α相和β相转变组织组成，随锻造温度的升高，初生α相含量变少，尺寸增大，等轴程度增加。在相变点以上准β锻造时若保温时间及变形量控制得当可获得均匀的网篮组织，该组织虽然室温塑性不如等轴组织，但其强度高，高温性能、断裂韧性及疲劳性能都优于等轴组织，但若在相变点以上保温时过长会得到魏氏组织该组织相对于等轴组织，室温和高温强度增加，拉伸塑性降低，室温冲击降低，因此形变点上坯料的保温时间控制至关重要。锻造是对锻件的内部组织和性能具有重要影响的关键工序。如何精确控制在β转变温度下锻造并使其获得预期组织是TC21钛合金准β锻的关键问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种提高TC21钛合金组织性能的锻造方法，使之在获得高强度、高塑性和高断裂韧性的同时，提高TC21钛合金构件的组织可靠性。
本发明采取的技术方案，一种提高TC21钛合金组织性能的锻造方法，该方法包括以下步骤：
1、钛合金坯料相变点下改锻
坯料的改锻温度为Tβ-25℃～Tβ-45℃，加热系数为0.4～1.0min/mm，保温到设定时间后，立即出炉在自由锻锤上镦拔改锻，同时控温，变形量为20％～30％，使坯料接近成型尺寸，每工步镦拔变形量为镦粗比为1：2～2.5，拔长比为1.5～2：1；
2、坯料的探伤检查；
3、相变点上准β锻造成型
锻造预热温度为Tβ-25℃～Tβ-45℃，加热系数为0.4～1.0min/mm，锻造温度为Tβ+5℃～Tβ+25℃，保温时间为5～50min，锻造变形量为15％～20％，锻造时间小于2～5min；坯料转移时间小于等于20秒；
4、热处理
将坯料进行双重退火，一次退火在700～900℃的保温炉中放置，加热系数为1.5～2min/mm，散开空冷；二次退火在550～570℃的保温炉中放置，加热系数为1.5～2min/mm，散开空冷；
5、100％进行低倍检查、探伤和抽样高倍检查和力学性能检查。
进一步地，在步骤1中，利用3t自由锻锤生产重量为20Kg～35Kg的坯料，分2～4火完成。
进一步地，在步骤3中，炉温控制采用热电偶测温，进行反馈控制。
进一步地，在步骤1和3中，对工装及使用工具进行200℃～300℃的预热。
本发明的有益效果是：通过本发明可得到一种较高TC21钛合金组织性能的锻造方法，使之强度、塑性和断裂韧性的达到预期的要求，提高TC21钛合金构件的组织可靠性。
具体实施方式
一种提高TC21钛合金组织性能的锻造方法，首先对钛合金坯料进行α等轴相区域改锻，然后对坯料进行准β相锻造，是一种相变点以上加热的锻造方法，最后进行准β相热处理，使其在锻造后初步形成一种细小密集的网篮织构，在最后的准β相热处理过程中，晶粒长大受到错综交织的网篮织构以及变形过程中大量的位错限制，只有β晶粒内的细小片状α转相重新排列组合，在大量位错能的驱动下形核长大形成新的细密织构，晶界处由细小分散断续的α转相形成，极大提高了TC21钛合金的综合性能指标。
实施例一
1.1原材料
(1)原材料化学成分按标准GB/T3620.2进行复检，结果为合格；
(2)原材料力学性能按标准CBQB903-001进行复检，结果为合格，如表1所示；
(3)原材料低倍组织：无清晰晶，未见冶金缺陷，标准：GB/T5168。
表1原材料力学性能
(4)原材料高倍组织：为均匀的等轴α组织，标准：GB/T5168；
(5)原材料探伤：按Φ2.0平底孔，结果合格，标准：CBQB903-001中的A级；
(6)原材料KIC：标准数据：≥70，实测：72.9～75.6，结果合格，标准：。CBQB903-001
1.2锻造、热处理、机加及检查
(1)因原材料显微组织比较均匀，在相变点下Tβ-30℃制坯215×180×160，再采用准β锻造，使其内部组织转变为所需的网篮组织；
(2)准β锻造温度按(Tβ-30℃)+(Tβ+15℃)锻造，工步为215×180×160锻造至125±3×160±3×281±3(281为原流线方向)，1火完成；
(3)热处理将坯料一次退火在897℃的保温炉中放置，保温2h，散开风冷至常温；二次退火在563℃的保温炉中放置，保温4h，散开风冷至常温；
(4)机加后探伤，按标准CBQB903-002中的A级锻件100％进行探伤，结论为合格；
(5)理化按4GS-250-2011，锻件力学性能见表2、KIC见表3、氢分析见表4，未见冶金缺陷。
表2锻件室温力学性能
表3锻件KIC
表4锻件氢分析
| 标准 | 实测 | 结论 |
| ≤0.015 | 0.0024 | 合格 |
工艺机理：1)在准β加热的过程中坯料的初生α相全部转化为β项，晶粒得以合并长大，锻造变形的目的是将合并长大后的晶粒、晶界进行破碎以得到细小的网篮组织，保证锻件的塑形指标。
2)在准β锻造工序中，因设备故障未完成锻造变形，重新进行β锻加热锻造，即两次准β锻加热锻造变形，也可得到符合标准要求的组织，但是晶粒尺寸讲增大，塑形水平将明显降低。
Claims (4)
1.一种利用自由锻锤提高TC21钛合金组织性能的锻造方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)钛合金坯料相变点下改锻
坯料的改锻温度为Tβ-25℃～Tβ-45℃，加热系数为0.4～1.0min/mm，保温到设定时间后，立即出炉在自由锻锤上镦拔改锻，同时控温，变形量为20％～30％，使坯料接近成型尺寸，每工步镦拔变形量为镦粗比为1：2～2.5，拔长比为1.5～2：1；
2)坯料的探伤检查；
3)相变点上准β锻造成型
锻造预热温度为Tβ-25℃～Tβ-45℃，加热系数为0.4～1.0min/mm，锻造温度为Tβ+5℃～Tβ+25℃，保温时间为5～50min，锻造变形量为15％～20％，锻造时间小于2～5min；坯料转移时间小于等于20秒；
4)热处理
将坯料进行双重退火，一次退火在700～900℃的保温炉中放置，加热系数为1.5～2min/mm，散开空冷；二次退火在550～570℃的保温炉中放置，加热系数为1.5～2min/mm，散开空冷；
5)100％进行低倍检查、探伤和抽样高倍检查和力学性能检查。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤1中，利用3t自由锻锤生产重量为20Kg～35Kg的坯料，分2～4火完成。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤3中，炉温控制采用热电偶测温，进行反馈控制。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤1和3中，对工装及使用工具进行200℃～300℃的预热。
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