CN107760925B - 一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法 - Google Patents

一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强改性Ti‑6Al‑4V钛合金大规格棒材的制备方法，该方法将通过真空自耗电弧熔炼得到的Ti‑6Al‑4V钛合金铸锭在Tβ+100℃～Tβ+160℃的条件下加热保温后进行开坯锻造，然后依次在Tβ‑20℃～Tβ‑50℃和Tβ+20℃～Tβ+100℃的条件下加热保温后进行镦拔锻造，快速水冷后在Tβ‑20℃～Tβ‑60℃的条件下进行镦拔锻造，保温后经空冷得到坯料，坯料经倒棱、滚圆和甩圆后进行热处理，空冷后得到直径为180mm～220mm，长度大于2000mm的高强改性Ti‑6Al‑4V钛合金棒材，其抗拉强度Rm＞960MPa，屈服强度RP0.2＞860MPa。本发明通过微量调整钛合金中主元素的成分含量，并结合跨相区加热、大变形锻造和快速水冷工艺，提高了钛合金的强度，实现强性与塑性的良好匹配。

Description

一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法
技术领域
本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法。
背景技术
以Ti-6Al-4V钛合金为代表的结构钛合金因具有良好的室温/高温强度、蠕变抗力、热稳定性、抗疲劳性能、断裂韧性和抗应力腐蚀性能，成为目前国内外航空制造领域中应用最为成熟和使用量最大的钛合金。然而，对于承受复杂交变载荷的关键受力部件，对材料提出了更高的强度、塑性、抗疲劳等性能要求，传统的Ti-6Al-4V钛合金已经无法满足高强韧的要求，而采用其它牌号钛合金又存在应用度不够成熟等问题。
为此，美、俄等国在Ti-6Al-4V钛合金基础上开展了大量的研究工作，通过对合金杂质元素含量控制而设计出的损伤容限型Ti-6Al-4V ELI钛合金，已在大型运输机C-17、空客A380、波音787等多种型号的飞机上获得应用。该合金具有优异的断裂韧性，但其强度明显低于传统Ti-6Al-4V钛合金。针对承受复杂交变载荷的关键受力部件的工况特点，美国进一步开展了高氧Ti-6Al-4V钛合金研究，采用微合金化手段对合金成分进行优化控制，目前已将高氧Ti-6Al-4V钛合金应用于大涵道比涡扇发动机叶片和直升机传动系统等关键受力件。我国设计的TC4-DT钛合金与Ti-6Al-4VELI钛合金对应，该钛合金具有高韧性但强度较低，无法满足高强的性能要求。另外，随着航空工业的发展，飞机设计的发展趋势是采用大型的整体锻件，这对钛合金棒材规格及质量提出了更高的要求。目前直径大于100mm的Ti-6Al-4V钛合金棒材，存在组织及性能一致性较差，超声波探伤级别低等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法。该方法控制Ti-6Al-4V钛合金中的氧含量为0.20％～0.25％，结合跨相区加热、大变形锻造、快速水冷和两相区变形工艺，提高了钛合金的强度，实现强性与塑性的良好匹配，最终得到直径为180mm～220mm，长度不小于2000mm的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Al-V-Fe中间合金、铝豆和TiO2粉末混合压制成电极，然后经三次真空自耗电弧熔炼，得到Ti-6Al-4V钛合金铸锭；所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.3％～6.8％，V 4.2％～4.5％，Fe 0.22％～0.3％，O 0.20％～0.25％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；
步骤二、将步骤一中得到的Ti-6Al-4V钛合金铸锭在Tβ+100℃～Tβ+160℃的条件下加热保温，然后进行开坯锻造，空冷后得到Ti-6Al-4V钛合金方坯；所述开坯锻造的总变形量大于80％；
步骤三、将步骤二中得到的Ti-6Al-4V钛合金方坯在Tβ-20℃～Tβ-50℃的条件下进行第一次加热保温，再升温至Tβ+20℃～Tβ+100℃进行第二次加热保温，然后进行镦拔锻造，经快速水冷后得到中间坯料；所述镦拔锻造的总变形量大于80％；
步骤四、将步骤三中得到的中间坯料在Tβ-20℃～Tβ-60℃的条件下进行3火次镦拔锻造，保温后经空冷得到坯料；所述镦拔锻造的终锻温度不小于850℃，每火次所述镦拔锻造的总变形量大于80％；
步骤五、将步骤四中得到的坯料在Tβ-20℃～Tβ-40℃的条件下进行倒棱和滚圆，空冷后得到改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯；
步骤六、将步骤五中得到的改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯加热至Tβ-30℃～Tβ-50℃进行甩圆，然后在800℃热处理1h，空冷后得到直径为180mm～220mm，长度大于2000mm的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材；所述甩圆的变形量大于20％；所述高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的抗拉强度Rm＞960MPa，屈服强度RP0.2＞860MPa。
上述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.4％～6.6％，V 4.3％～4.4％，Fe 0.24％～0.26％，O 0.22％～0.24％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti。
上述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述三次真空自耗电弧熔炼的参数为：第一次真空自耗电弧熔炼的电流为5kA～8kA，电压为20V～30V，真空度为3Pa～6Pa；第二次真空自耗电弧熔炼的电流为8kA～15kA，电压为25V～32V，真空度为0.03Pa～0.06Pa；第三次真空自耗电弧熔炼的电流为15kA～20kA，电压为25V～35V，真空度为0.02Pa～0.05Pa。
上述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述保温的时间t1＝η1×δ1，其中保温时间t1的单位为min，η1为加热系数，η1的范围为0.5min/mm～1.0min/mm，δ1为所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭的横截面直径，单位为mm。
上述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述第一次加热保温时间t2＝η2×δ2，所述第二次加热保温时间t3＝η3×δ2，其中保温时间t2的单位为min，η2为加热系数，η2的范围为0.5min/mm～0.8min/mm，保温时间t3的单位为min，η3为加热系数，η3的范围为0.2min/mm～0.5min/mm，δ2为所述Ti-6Al-4V钛合金方坯的横截面边长，δ2的单位为mm。
上述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述保温的时间t4＝η4×δ2，其中保温时间t4的单位为min，η4为加热系数，η4的范围为0.5min/mm～1.0min/mm，δ2为所述Ti-6Al-4V钛合金方坯的横截面边长，δ2的单位为mm。
本发明中的Tβ表示Ti-6Al-4V钛合金中β相的转变温度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过微量调整钛合金中主元素的成分含量，并通过控制氧含量为0.20％～0.25％来提高钛合金中α相稳定元素含量，从根本上提高了钛合金的强度，然后采用跨相区加热的方法，抑制晶粒在高温加热过程中的长大行为，再采用大变形锻造和快速水冷，充分破碎粗大的晶粒组织结构并存储大量的畸变能，最后通过两相区变形，获得细小均匀的微观组织结构，实现Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材强度的提高。
2、本发明通过严格控制熔炼工艺参数，实现了钛合金中各主元素含量及氧含量的精确控制，获得的Ti-6Al-4V钛合金铸锭成分稳定，成分一致性良好。
3、本发明在两相区镦拔锻造后进行保温处理，可以改善相变点以下3火次镦拔锻造导致的组织不均匀现象，得到的坯料经简单的后续处理即可得到高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材。
4、本发明制备得到的Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材直径为180mm～220mm，长度大于2000mm，抗拉强度Rm＞960MPa，屈服强度RP0.2＞860MPa，断后伸长率A≥11％，断面收缩率≥36％，且组织均匀、一致性好，超声波探伤级别可达到GB/T 5193-2007中的A级。
5、本发明制备工艺简单可行，所用设备常见，适合于Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的工业化生产。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图。
图2是本发明实施例2制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图。
图3是本发明实施例3制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图。
图4是本发明实施例4制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图。
图5是本发明实施例5制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Al-V-Fe中间合金、铝豆和TiO2粉末混合压制成电极，然后经三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为500mm的Ti-6Al-4V钛合金铸锭；所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.6％，V 4.2％，Fe 0.26％，O0.2％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述三次真空自耗电弧熔炼的参数为：第一次真空自耗电弧熔炼的电流为5kA，电压为30V，真空度为5Pa；第二次真空自耗电弧熔炼的电流为8kA，电压为32V，真空度为0.06Pa；第三次真空自耗电弧熔炼的电流为15kA，电压为35V，真空度为0.05Pa；
步骤二、将步骤一中得到的Ti-6Al-4V钛合金铸锭在1150℃加热保温250min后进行开坯锻造，空冷后得到横截面边长为390mm的Ti-6Al-4V钛合金方坯；所述开坯锻造的总变形量为90％；
步骤三、将步骤二中得到的Ti-6Al-4V钛合金方坯在970℃加热保温195min，再升温至1010℃加热保温195min，然后进行镦拔锻造，经快速水冷后得到中间坯料；所述镦拔锻造的总变形量为86％；
步骤四、将步骤三中得到的中间坯料在970℃进行3火次镦拔锻造，保温195min后经空冷得到坯料；所述镦拔锻造的终锻温度为850℃，每火次所述镦拔锻造的总变形量为82％；
步骤五、将步骤四中得到的坯料在970℃进行倒棱和滚圆，空冷后得到改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯；
步骤六、将步骤五中得到的改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯加热到960℃进行甩圆，然后在800℃热处理1h，空冷后得到直径为200mm，长度为2200mm的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材；所述甩圆的变形量为25％。
本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭经扒皮后，按照GB/T26060-2010钛及钛合金铸锭中规定的取样方法，沿着扒皮后Ti-6Al-4V钛合金铸锭的长度方向在其头部、中部和尾部分别取样进行化学成分检测，所测得的实验数据如下表1。
表1实施例1制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭头、中、尾三点的化学成分测定数据
由表1可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭的实测化学成分与设计成分相比，Al元素含量略低于设计成分含量，这是因为Al元素在熔炼过程中因挥发而导致含量有所损失，V元素和O元素含量与设计成分含量相比均略有增加，其他元素含量与设计成分吻合较好，无损失；对比铸锭头部、中部及尾部的各成分测定结果，可见铸锭各部位成分均匀，成分一致性良好。
经检测，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能见下表2。
表2实施例1制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能
试样编号 RP0.2(MPa) Rm(MPa) A(％) Z(％)
1 893 986 13.0 43
2 894 989 11.0 43
GJB2218A-2008 825 895 8 15
由表2可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金棒材的强度和塑性均符合并优于GJB2218A-2008对Ti-6Al-4V钛合金棒材的规定，且强度与塑性匹配良好。
按照GB/T 5196-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中的规定，对本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材进行超声波探伤，结果显示本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的探伤级别达A级。
图1为本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图，从图1可以看出，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的组织为典型的α+β等轴组织，在转变β基体上分布着等轴α相，等轴α相含量为30％～50％，无原始β晶界。
实施例2
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Al-V-Fe中间合金、铝豆和TiO2粉末混合压制成电极，然后经三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为490mm的Ti-6Al-4V钛合金铸锭；所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.4％，V 4.3％，Fe 0.24％，O0.22％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述三次真空自耗电弧熔炼的参数为：第一次真空自耗电弧熔炼的电流为6kA，电压为20V，真空度为3Pa；第二次真空自耗电弧熔炼的电流为15kA，电压为25V，真空度为0.03Pa；第三次真空自耗电弧熔炼的电流为20kA，电压为25V，真空度为0.02Pa；
步骤二、将步骤一中得到的Ti-6Al-4V钛合金铸锭在1100℃加热保温392min后进行开坯锻造，空冷后得到横截面边长为380mm的Ti-6Al-4V钛合金方坯；所述开坯锻造的总变形量为92％；
步骤三、将步骤二中得到的Ti-6Al-4V钛合金方坯在960℃加热保温228min，再升温至1030℃加热保温114min，然后进行镦拔锻造，经快速水冷后得到中间坯料；所述镦拔锻造的总变形量为88％；
步骤四、将步骤三中得到的中间坯料在965℃进行3火次镦拔锻造，保温228min后经空冷得到坯料；所述镦拔锻造的终锻温度为860℃，每火次所述镦拔锻造的总变形量为82％；
步骤五、将步骤四中得到的坯料在960℃进行倒棱和滚圆，空冷后得到改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯；
步骤六、将步骤五中得到的改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯加热到960℃进行甩圆，然后在800℃热处理1h，空冷后得到直径为220mm，长度为2300mm高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材；所述甩圆的变形量为22％。
本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭经扒皮后，按照GB/T26060-2010钛及钛合金铸锭中规定的取样方法，沿着扒皮后Ti-6Al-4V钛合金铸锭的长度方向在其头部、中部和尾部分别取样进行化学成分检测，所测得的实验数据如下表3。
表3实施例2制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭头、中、尾三点的化学成分测定数据
由表3可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭的实测化学成分与设计成分相比，Al元素含量略低于设计成分含量，这是因为Al元素在熔炼过程中因挥发而导致含量有所损失，V元素和O元素含量与设计成分含量相比均略有增加，其他元素含量与设计成分吻合较好，无损失；对比铸锭头部、中部及尾部的各成分测定结果，可见铸锭各部位成分均匀，成分一致性良好。
经检测，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能见下表4。
表4实施例2制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能
试样编号 Rm(MPa) RP0.2(MPa) A(％) Z(％)
1 992 864 13.0 37
2 985 867 17.0 44
GJB2218A-2008 895 825 8 15
由表4可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金棒材的强度和塑性均符合并优于GJB2218A-2008对Ti-6Al-4V钛合金棒材的规定，且强度与塑性匹配良好。
按照GB/T 5196-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中的规定，对本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材进行超声波探伤，结果显示本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的探伤级别达A级。
图2为本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图，从图2可以看出，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的组织为典型的α+β等轴组织，在转变β基体上分布着等轴α相，等轴α相含量为30％～50％，无原始β晶界。
实施例3
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Al-V-Fe中间合金、铝豆和TiO2粉末混合压制成电极，然后经三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为520mm的Ti-6Al-4V钛合金铸锭；所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.3％，V 4.4％，Fe 0.3％，O0.25％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述三次真空自耗电弧熔炼的参数为：第一次真空自耗电弧熔炼的电流为8kA，电压为25V，真空度为3Pa；第二次真空自耗电弧熔炼的电流为10kA，电压为30V，真空度为0.05Pa；第三次真空自耗电弧熔炼的电流为18kA，电压为31V，真空度为0.04Pa；
步骤二、将步骤一中得到的Ti-6Al-4V钛合金铸锭在1120℃加热保温520min后进行开坯锻造，空冷后得到横截面边长为360mm的Ti-6Al-4V钛合金方坯；所述开坯锻造的总变形量为90％；
步骤三、将步骤二中得到的Ti-6Al-4V钛合金方坯先在960℃加热保温288min，再升温至1090℃加热保温72min，然后进行镦拔锻造，经快速水冷后得到中间坯料；所述镦拔锻造的总变形量为88％；
步骤四、将步骤三中得到的中间坯料在970℃进行3火次镦拔锻造，保温228min后经空冷得到坯料；所述镦拔锻造的终锻温度为850℃，每火次所述镦拔锻造的总变形量为82％；
步骤五、将步骤四中得到的坯料在950℃进行倒棱和滚圆，空冷后得到改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯；
步骤六、将步骤五中得到的改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯加热到940℃进行甩圆，然后在800℃热处理1h，空冷后得到直径为210mm，长度为2500mm的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材；所述甩圆的变形量为25％。
本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭经扒皮后，按照GB/T 26060-2010钛及钛合金铸锭中规定的取样方法，沿着扒皮后Ti-6Al-4V钛合金铸锭的长度方向在其头部、中部和尾部分别取样进行化学成分检测，所测得的实验数据如下表5。
表5实施例3制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭头、中、尾三点的化学成分测定数据
由表5可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭的实测化学成分与设计成分相比，Al元素含量略低于设计成分含量，这是因为Al元素在熔炼过程中因挥发而导致含量有所损失，V元素和O元素含量与设计成分含量相比均略有增加，其他元素含量与设计成分吻合较好，无损失；对比铸锭头部、中部及尾部的各成分测定结果，可见铸锭各部位成分均匀，成分一致性良好。
经检测，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能见下表6。
表6实施例3制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能
试样编号 Rm(MPa) RP0.2(MPa) A(％) Z(％)
1 998 883 14.0 40
2 994 854 12.0 38
GJB2218A-2008 895 825 8.0 15
由表6可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金棒材的强度和塑性均符合并优于GJB2218A-2008对Ti-6Al-4V钛合金棒材的规定，且强度与塑性匹配良好。
按照GB/T 5196-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中的规定，对本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材进行超声波探伤，结果显示本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的探伤级别达A级。
图3为本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图，从图3可以看出，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的组织为典型的α+β等轴组织，在转变β基体上分布着等轴α相，等轴α相含量为30％～50％，无原始β晶界。
实施例4
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Al-V-Fe中间合金、铝豆和TiO2粉末混合压制成电极，然后经三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为490mm的Ti-6Al-4V钛合金铸锭；所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.8％，V 4.5％，Fe 0.22％，O0.24％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述三次真空自耗电弧熔炼的参数为：第一次真空自耗电弧熔炼的电流为5kA，电压为20V，真空度为5Pa；第二次真空自耗电弧熔炼的电流为11kA，电压为28V，真空度为0.04Pa；第三次真空自耗电弧熔炼的电流为16kA，电压为28V，真空度为0.02Pa；
步骤二、将步骤一中得到的Ti-6Al-4V钛合金铸锭在1150℃加热保温343min后进行开坯锻造，空冷后得到横截面边长为380mm的Ti-6Al-4V钛合金方坯；所述开坯锻造的总变形量为90％；
步骤三、将步骤二中得到的Ti-6Al-4V钛合金方坯先在930℃加热保温304min，再升温至1060℃加热保温114min，然后进行镦拔锻造，经快速水冷后得到中间坯料；所述镦拔锻造的总变形量为86％；
步骤四、将步骤三中得到的中间坯料在960℃进行3火次镦拔锻造，保温266min后经空冷得到坯料；所述镦拔锻造的终锻温度为860℃，每火次所述镦拔锻造的总变形量为82％；
步骤五、将步骤四中得到的坯料在960℃进行倒棱和滚圆，空冷后得到改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯；
步骤六、将步骤五中得到的改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯加热到950℃进行甩圆，然后在800℃热处理1h，空冷后得到直径为200mm，长度为2600mm的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材；所述甩圆的变形量为26％。
本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭经扒皮后，按照GB/T 26060-2010钛及钛合金铸锭中规定的取样方法，沿着扒皮后Ti-6Al-4V钛合金铸锭的长度方向在其头部、中部和尾部分别取样进行化学成分检测，所测得的实验数据如下表7。
表7实施例4制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭头、中、尾三点的化学成分测定数据
有表7可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭的实测化学成分与设计成分相比，Al元素含量略低于设计成分含量，这是因为Al元素在熔炼过程中因挥发而导致含量有所损失，V元素和O元素含量与设计成分含量相比均略有增加，其他元素含量与设计成分吻合较好，无损失；对比铸锭头部、中部及尾部的各成分测定结果，可见铸锭各部位成分均匀，成分一致性良好。
经检测，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能见下表8。
表8实施例4制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能
由表8可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金棒材的强度和塑性均符合并优于GJB2218A-2008对Ti-6Al-4V钛合金棒材的规定，且强度与塑性匹配良好。
按照GB/T 5196-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中的规定，对本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材进行超声波探伤，结果显示本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的探伤级别达A级。
图4为本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图，从图4可以看出，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的组织为典型的α+β等轴组织，在转变β基体上分布着等轴α相，等轴α相含量为30％～50％，无原始β晶界。
实施例5
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Al-V-Fe中间合金、铝豆和TiO2粉末混合压制成电极，然后经三次真空自耗电弧熔炼，得到直径为490mm的Ti-6Al-4V钛合金铸锭；所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.7％，V 4.3％，Fe 0.25％，O0.23％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；所述三次真空自耗电弧熔炼的参数为：第一次真空自耗电弧熔炼的电流为6kA，电压为23V，真空度为6Pa；第二次真空自耗电弧熔炼的电流为13kA，电压为29V，真空度为0.03Pa；第三次真空自耗电弧熔炼的电流为18kA，电压为31V，真空度为0.04Pa；
步骤二、将步骤一中得到的Ti-6Al-4V钛合金铸锭在1150℃加热保温343min后进行开坯锻造，空冷后得到横截面边长为380mm的Ti-6Al-4V钛合金方坯；所述开坯锻造的总变形量为95％；
步骤三、将步骤二中得到的Ti-6Al-4V钛合金方坯先在930℃加热保温304min，再升温至1060℃加热保温114min，然后进行镦拔锻造，经快速水冷后得到中间坯料；所述镦拔锻造的总变形量为88％；
步骤四、将步骤三中得到的中间坯料在960℃进行3火次镦拔锻造，保温380min后经空冷得到坯料；所述镦拔锻造的终锻温度为850℃，每火次所述镦拔锻造的总变形量为84％；
步骤五、将步骤四中得到的坯料在960℃进行倒棱和滚圆，空冷后得到改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯；
步骤六、将步骤五中得到的改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯加热到950℃进行甩圆，然后在800℃热处理1h，空冷后得到直径为180mm，长度为2400mm的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材；所述甩圆的变形量为22％。
本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭经扒皮后，按照GB/T 26060-2010钛及钛合金铸锭中规定的取样方法，沿着扒皮后Ti-6Al-4V钛合金铸锭的长度方向在其头部、中部和尾部分别取样进行化学成分检测，所测得的实验数据如下表9。
表9实施例5制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭头、中、尾三点的化学成分测定数据
由表9可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金铸锭的实测化学成分与设计成分相比，Al元素含量略低于设计成分含量，这是因为Al元素在熔炼过程中因挥发而导致含量有所损失，V元素含量和O元素含量与设计成分含量相比略有增加，其他元素含量与设计成分吻合较好，无损失；对比铸锭头部、中部及尾部的各成分测定结果，可见铸锭各部位成分均匀，成分一致性良好。
经检测，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能见下表10。
表10实施例5制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的室温力学性能
试样编号 Rm(MPa) RP0.2(MPa) A(％) Z(％)
1 968 874 14.0 39
2 996 887 16.0 36
GJB2218A-2008 895 825 8 15
由表10可知，本实施例制备的Ti-6Al-4V钛合金棒材的强度和塑性均符合并优于GJB2218A-2008对Ti-6Al-4V钛合金棒材的规定，且强度与塑性匹配良好。
按照GB/T 5196-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中的规定，对本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材进行超声波探伤，结果显示本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的探伤级别达A级。
图5为本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的显微组织图，从图5可以看出，本实施例制备的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的组织为典型的α+β等轴组织，在转变β基体上分布着等轴α相，等轴α相含量为30％～50％，无原始β晶界。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将0级海绵钛、Al-V中间合金、Al-V-Fe中间合金、铝豆和TiO2粉末混合压制成电极，然后经三次真空自耗电弧熔炼，得到Ti-6Al-4V钛合金铸锭；所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.3％～6.8％，V 4.2％～4.5％，Fe 0.22％～0.3％，O0.20％～0.25％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti；
步骤二、将步骤一中得到的Ti-6Al-4V钛合金铸锭在Tβ+100℃～Tβ+160℃的条件下加热保温，然后进行开坯锻造，空冷后得到Ti-6Al-4V钛合金方坯；所述开坯锻造的总变形量大于80％；
步骤三、将步骤二中得到的Ti-6Al-4V钛合金方坯在Tβ-20℃～Tβ-50℃的条件下进行第一次加热保温，再升温至Tβ+20℃～Tβ+100℃进行第二次加热保温，然后进行镦拔锻造，经快速水冷后得到中间坯料；所述镦拔锻造的总变形量大于80％；
步骤四、将步骤三中得到的中间坯料在Tβ-20℃～Tβ-60℃的条件下进行3火次镦拔锻造，保温后经空冷得到坯料；所述镦拔锻造的终锻温度不小于850℃，每火次所述镦拔锻造的总变形量大于80％；
步骤五、将步骤四中得到的坯料在Tβ-20℃～Tβ-40℃的条件下进行倒棱和滚圆，空冷后得到改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯；
步骤六、将步骤五中得到的改性Ti-6Al-4V钛合金棒坯加热至Tβ-30℃～Tβ-50℃进行甩圆，然后在800℃热处理1h，空冷后得到直径为180mm～220mm，长度大于2000mm的高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材；所述甩圆的变形量大于20％；所述高强改性Ti-6Al-4V钛合金棒材的抗拉强度Rm＞960MPa，屈服强度RP0.2＞860MPa。
2.根据权利要求1所述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 6.4％～6.6％，V 4.3％～4.4％，Fe 0.24％～0.26％，O 0.22％～0.24％，C≤0.02％、N≤0.01％、H≤0.003％，其余为Ti。
3.根据权利要求1所述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述三次真空自耗电弧熔炼的参数为：第一次真空自耗电弧熔炼的电流为5kA～8kA，电压为20V～30V，真空度为3Pa～6Pa；第二次真空自耗电弧熔炼的电流为8kA～15kA，电压为25V～32V，真空度为0.03Pa～0.06Pa；第三次真空自耗电弧熔炼的电流为15kA～20kA，电压为25V～35V，真空度为0.02Pa～0.05Pa。
4.根据权利要求1所述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述保温的时间t1＝η1×δ1，其中保温时间t1的单位为min，η1为加热系数，η1的范围为0.5min/mm～1.0min/mm，δ1为所述Ti-6Al-4V钛合金铸锭的横截面直径，单位为mm。
5.根据权利要求1所述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述第一次加热保温时间t2＝η2×δ2，所述第二次加热保温时间t3＝η3×δ2，其中保温时间t2的单位为min，η2为加热系数，η2的范围为0.5min/mm～0.8min/mm，保温时间t3的单位为min，η3为加热系数，η3的范围为0.2min/mm～0.5min/mm，δ2为所述Ti-6Al-4V钛合金方坯的横截面边长，δ2的单位为mm。
6.根据权利要求1所述的一种高强改性Ti-6Al-4V钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述保温的时间t4＝η4×δ2，其中保温时间t4的单位为min，η4为加热系数，η4的范围为0.5min/mm～1.0min/mm，δ2为所述Ti-6Al-4V钛合金方坯的横截面边长，δ2的单位为mm。
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