CN107552697A - Tc4钛合金棒材锻造方法 - Google Patents
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Abstract
一种TC4钛合金棒材锻造方法，包括以下步骤：将钛合金铸锭加热，进行拔长锻造，得到钛合金锻坯；将所述钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃，进行精锻，得到TC4钛合金棒材；其中在所述精锻的过程中采用感应加热技术使所述钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃。上述TC4钛合金棒材锻造方法，针对研究发现的问题，改进了精锻时的工艺，在精锻的过程中采用感应加热技术给予温度补偿，使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃，避免了精锻时出料时间把控不当影响产品品质的问题，保证了TC4钛合金棒材的组织均匀性和性能稳定，产品品质可靠。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金冶炼技术领域，特别是涉及一种TC4钛合金棒材锻造方法。
背景技术
随着航空工业的发展，为了满足航空装备的轻质化，对于钛合金棒材提出了更高的要求。锻造时，坯料在加热炉中完成加热出炉至锻造的过程中，需从加热炉转移到锻造设备，这个过程称为出料。出料过程中坯料温度必然下降，从而导致开锻时坯料温度低于加热温度。为了保证钛合金棒材的组织均匀性和性能稳定，目前一般的做法是控制实际操作过程中的出料时间，要求出料时间尽可能地短，以减小温度降低幅度，然而这种方法实际操作时随意大，得到的钛合金棒材产品品质无法保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种得到产品品质可靠的TC4钛合金棒材锻造方法。
一种TC4钛合金棒材锻造方法，包括以下步骤：
将钛合金铸锭加热，进行拔长锻造，得到钛合金锻坯；
将所述钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃，进行精锻，得到TC4钛合金棒材；其中在所述精锻的过程中采用感应加热技术使所述钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃。
本发明基于大量研究发现：精锻时钛合金锻坯的比表面积较大，热量容易散失，其加热至β相变点温度以下10～50℃至进行精锻的出料过程中温度下降较大，如果该出料时间把控不好将严重影响钛合金棒材的组织均匀性及性能稳定性；因此，保持精锻成型时钛合金锻坯的变形温度场的相对恒定是钛合金棒材的组织均匀性及性能稳定性的关键。上述TC4钛合金棒材锻造方法，针对研究发现的上述问题，改进了精锻时的工艺，在精锻的过程中采用感应加热技术给予温度补偿，使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃，避免了精锻时出料时间把控不当影响产品品质的问题，保证了TC4钛合金棒材的组织均匀性和性能稳定，产品品质可靠。
在其中一个实施例中，所述将所述钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃的步骤为：先将所述钛合金锻坯升温至β相变点温度以下10～50℃，再加热至β相变点温度以下10～50℃保温，保温时间为所述钛合金锻坯的有效厚度与第一加热系数的乘积；其中第一加热系数为0.6～0.8min/mm。
在其中一个实施例中，在所述精锻的过程中采用感应加热技术使所述钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃所采用的装置为电感应加热装置，所述电感应加热装置设于所述精锻所用精锻机的锤头处。
在其中一个实施例中，所述电感应加热装置为电感应加热器。
在其中一个实施例中，所述将钛合金铸锭加热，进行拔长锻造，得到钛合金锻坯的步骤包括以下步骤：
将所述钛合金铸锭加热至β相变点温度以上150～300℃，进行1～2火次第一拔长锻造；再加热至β相变点温度以上100～200℃，进行2～4火次第二拔长锻造；再加热至β相变点温度以下20～60℃，进行2～4火次第三拔长锻造，得到所述钛合金锻坯。
在其中一个实施例中，所述第一拔长锻造时单火次的变形量为35％～45％。
在其中一个实施例中，所述第二拔长锻造时单火次的变形量为30％～45％。
在其中一个实施例中，所述第三拔长锻造时单火次的变形量为30％～45％。
在其中一个实施例中，所述加热至β相变点温度以上150～300℃、加热至β相变点温度以上100～200℃及加热至β相变点温度以下20～60℃的步骤均为：将对应的坯料升温至对应的温度，再加热至对应的温度保温，保温时间为对应的坯料的有效厚度与第二加热系数的乘积；其中第二加热系数为0.2～0.7min/mm。
在其中一个实施例中，所述钛合金锻坯的直径为25～200nm。
附图说明
图1为实施例1的TC4钛合金棒材锻造方法锻造得到的直径为50mm的TC4钛合金棒材的金相组织图；
图2为实施例2的TC4钛合金棒材锻造方法锻造得到的直径为30mm的TC4钛合金棒材的金相组织图；
图3为对比例1的TC4钛合金棒材锻造方法锻造得到的直径为50mm的TC4钛合金棒材的金相组织图；
图4为对比例2的TC4钛合金棒材锻造方法锻造得到的直径为30mm的TC4钛合金棒材的金相组织图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
一实施方式的TC4钛合金棒材锻造方法，包括以下步骤S1～S2。
其中，TC4钛合金材料的组成为Ti-6Al-4V，其属于(α+β)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。
步骤S1：将钛合金铸锭加热，进行拔长锻造，得到钛合金锻坯。
可理解，步骤S1中钛合金铸锭加热出炉后进行拔长锻造的出料过程，由于钛合金铸锭的体积较大，其内部温度下降较慢，因此此步骤的出料时间较好控制，该温度场变化对于锻造时的组织均匀性影响较小，因此采用常规出料方法即可。可理解如有需要，也可采用步骤S2的方法对于出料时坯料的温度进行补偿。
优选地，本方法特别适用于钛合金锻坯的直径为25～200nm的情况，其在进行步骤S2处理时，从加热炉转移至精锻设备的过程中，钛合金锻坯的变形温度场不恒定很容易导致得到的产品的组织均匀性不好，从而影响产品的性能。更优选地，钛合金锻坯的直径为30～50nm。
在其中一个实施例中，步骤S1包括以下步骤：将钛合金铸锭加热至β相变点温度以上150～300℃，进行1～2火次第一拔长锻造；再加热至β相变点温度以上100～200℃，进行2～4火次第二拔长锻造；再加热至β相变点温度以下20～60℃，进行2～4火次第三拔长锻造，得到钛合金锻坯。
如此第一拔长锻造使得钛合金铸锭在单相区镦拔开坯，第二、第三拔长锻造在两相区镦拔制坯，得到钛合金锻坯，进一步在步骤S2两相区精锻成型，以得到TC4钛合金棒材。如此将钛合金铸锭制坯成钛合金锻坯，保证后续精锻试验得到的TC4钛合金材料的组织一致性。
优选地，第一拔长锻造的火次为1火次。优选地，第一拔长锻造的温度为至β相变点温度以上150～250℃。优选地，第一拔长锻造时单火次的变形量为35％～45％。更优选地，第一拔长锻造时单火次的变形量为35％～40％。
优选地，第二拔长锻造的火次为3火次。优选地，第二拔长锻造的温度为至β相变点温度以上100～150℃。优选地，第二拔长锻造时单火次的变形量为30％～45％。更优选地，第二拔长锻造时单火次的变形量为35％～45％。
优选地，第三拔长锻造的火次为3火次。优选地，第三拔长锻造的温度为至β相变点温度以下20～40℃。优选地，第三拔长锻造时单火次的变形量为30％～45％。更优选地，第三拔长锻造时单火次的变形量为35％～45％。
进一步地，步骤S1中加热至β相变点温度以上150～300℃、加热至β相变点温度以上100～200℃及加热至β相变点温度以下20～60℃的步骤均为：将对应的坯料升温至对应的温度，再加热至对应的温度保温，保温时间为对应的坯料的有效厚度与加热系数的乘积；其中加热系数为0.2～0.7min/mm。其中，坯料的有效厚度单位为mm。更优选地，该加热系数为0.4～0.6min/mm。
其中，对应的坯料的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的立方体坯料，则其有效厚度是100mm。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。
具体地，钛合金铸锭的β相变点温度为980～990℃。
步骤S2：将钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃，进行精锻，得到TC4钛合金棒材；其中在精锻的过程中采用感应加热技术使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃。
将钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃采用的是步进式加热炉。
进一步地，为了在精锻的过程中给钛合金锻坯提供温度补偿，改进了原精锻机的结构，在精锻机的锤头处设有电感应加热装置。具体地，使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃所采用的装置为电感应加热装置，电感应加热装置设于精锻所用精锻机的锤头处。
更进一步地，电感应加热装置为电磁加热器，其具有自动控温的功能。
在其中一个实施例中，将钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃的步骤为：先将钛合金锻坯升温至β相变点温度以下10～50℃，再加热至β相变点温度以下10～50℃保温，保温时间为钛合金锻坯的有效厚度与加热系数的乘积；其中加热系数为0.6～0.8min/mm。更优选地，该加热系数为0.7～0.8min/mm。
优选地，步骤S2中钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～35℃。
具体地，步骤S1和步骤S2中加热至β相变点温度以上和加热至β相变点温度以下的步骤中，优选采用分阶段加热方式。具体地，在对应的坯料装炉时，坯料的初始温度为25～300℃，在1小时内加热至目标温度，然后保温。
优选地，步骤S2进行精锻后，空冷至与室温一致。
本发明基于大量研究发现：精锻时钛合金锻坯的比表面积较大，热量容易散失，其加热至β相变点温度以下10～50℃至进行精锻的出料过程中温度下降较大，如果该出料时间把控不好将严重影响钛合金棒材的组织均匀性及性能稳定性；因此，保持精锻成型时钛合金锻坯的变形温度场的相对恒定是钛合金棒材的组织均匀性及性能稳定性的关键。
上述TC4钛合金棒材锻造方法，针对研究发现的上述问题，改进了精锻时的工艺，在精锻的过程中采用感应加热技术给予温度补偿，使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃，避免了精锻时出料时间把控不当影响产品品质的问题，保证了TC4钛合金棒材的组织均匀性和性能稳定，产品品质可靠。
以下为具体实施例。
实施例1
直径为50mm的TC4钛合金棒材的锻造步骤：
将钛合金铸锭加热到β相变点温度(在本实施例中检测为980℃)以上170℃(即1150℃)并且保温35min后，进行1火次第一拔长锻造，单火次的变形量为45％；再加热至β相变点温度以上120℃并且保温35min后，进行3火次第二拔长锻造，单火次的变形量为35％；再加热至β相变点温度以下30℃并且保温35min后，进行3火次第三拔长锻造，单火次的变形量为40％，得到钛合金锻坯。
将钛合金锻坯加热至β相变点温度以下35℃并且保温35min后，进行精锻，得到直径为50mm的TC4钛合金棒材。其中在精锻的过程中采用感应加热技术使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下35℃。使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下35℃所采用的装置为电感应加热器，电感应加热器设于精锻所用精锻机的锤头处。
实施例2
直径为30mm的TC4钛合金棒材的锻造步骤：
将钛合金铸锭加热到β相变点温度(在本实施例中检测为990℃)以上160℃(即1150℃)并且保温8min后，进行2火次第一拔长锻造，单火次的变形量为30％；再加热至β相变点温度以上100℃并且保温21min后，进行2火次第二拔长锻造，单火次的变形量为45％；再加热至β相变点温度以下35℃并且保温12min后，进行4火次第三拔长锻造，单火次的变形量为35％，得到钛合金锻坯。
将钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10℃，进行精锻，得到直径为30mm的TC4钛合金棒材。其中在精锻的过程中采用感应加热技术使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10℃。使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10℃所采用的装置为电感应加热器，电感应加热器设于精锻所用精锻机的锤头处。
实施例3～5基本步骤与实施例1类似，具体参数见表1。实施例3～5的β相变点温度检测为980℃。
对比例1～2的TC4钛合金棒材直径分别为50mm和30mm。对比例1～2与实施例1基本相同，不同之处在于精锻时没有采用感应加热技术使钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下35℃，而采用常规的出料方式，出料时间约2min。
对比例3的TC4钛合金棒材直径为50mm，其与对比例1基本相同，不同之处在于，将钛合金铸锭加热到β相变点温度(在本实施例中检测为980℃)以上100℃(即1180℃)并且保温35min后，进行1火次第一拔长锻造，单火次的变形量为45％；再加热至β相变点温度以上50℃并且保温35min后，进行3火次第二拔长锻造，单火次的变形量为30％；再加热至β相变点温度以下70℃并且保温35min后，进行3火次第三拔长锻造，单火次的变形量为40％，得到钛合金锻坯。
表1
通过试验，得到实施例1～2及对比例1～2的TC4钛合金棒材截面两端的金相组织图，分别如图1～4所示。
对比图1和图3可知，本发明实施例1锻造得到的直径50mm的TC4钛合金棒材的组织均匀性优于对比例1锻造得到的直径50mm的TC4钛合金棒材的组织均匀性。从对比例1锻造得到的棒材两端金相组织图可知，明显可以看出晶粒大小不一致。由于温度场不恒定，对比例1锻造得到的棒材一端的金相组织初生α相明显比另一端要多。
对比图2和图4可知，本发明实施例2锻造得到的直径30mm的TC4钛合金棒材的组织均匀性优于对比例2锻造得到的锻造方法锻造得到的直径30mm的TC4钛合金棒材的组织均匀性。
对比例1～2锻造得到的锻造方法锻造得到的TC4钛合金棒材的组织均匀性优于对比例3。
实施例1～2和对比例1～2的抗拉强度、屈服强度、伸长率及断面收缩率分别如表2所示。从表2可知，本发明锻造得到的TC4钛合金棒材的综合性能优于对比例1～2锻造得到的锻造方法锻造得到的TC4钛合金棒材。
表2
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钛合金铸锭加热，进行拔长锻造，得到钛合金锻坯；
将所述钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃，进行精锻，得到TC4钛合金棒材；其中在所述精锻的过程中采用感应加热技术使所述钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃。
2.如权利要求1所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，将所述钛合金锻坯加热至β相变点温度以下10～50℃的步骤为：先将所述钛合金锻坯升温至β相变点温度以下10～50℃，在β相变点温度以下10～50℃保温，保温时间为所述钛合金锻坯的有效厚度与第一加热系数的乘积；其中第一加热系数为0.6～0.8min/mm。
3.如权利要求1所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，在所述精锻的过程中采用感应加热技术使所述钛合金锻坯的温度保持为β相变点温度以下10～50℃所采用的装置为电感应加热装置，所述电感应加热装置设于所述精锻所用精锻机的锤头处。
4.如权利要求3所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，所述电感应加热装置为电感应加热器。
5.如权利要求1所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，所述将钛合金铸锭加热，进行拔长锻造，得到钛合金锻坯的步骤包括以下步骤：
将所述钛合金铸锭加热至β相变点温度以上150～300℃，进行1～2火次第一拔长锻造；再加热至β相变点温度以上100～200℃，进行2～4火次第二拔长锻造；再加热至β相变点温度以下20～60℃，进行2～4火次第三拔长锻造，得到所述钛合金锻坯。
6.如权利要求5所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，所述第一拔长锻造时单火次的变形量为35％～45％。
7.如权利要求5所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，所述第二拔长锻造时单火次的变形量为30％～45％。
8.如权利要求5所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，所述第三拔长锻造时单火次的变形量为30％～45％。
9.如权利要求5所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，所述加热至β相变点温度以上150～300℃、加热至β相变点温度以上100～200℃及加热至β相变点温度以下20～60℃的步骤均为：将对应的坯料升温至对应的温度，再加热至对应的温度保温，保温时间为对应的坯料的有效厚度与第二加热系数的乘积；其中第二加热系数为0.2～0.7min/mm。
10.如权利要求1～9任一项所述的TC4钛合金棒材锻造方法，其特征在于，所述钛合金锻坯的直径为25～200nm。
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