CN108262365B - 一种电子束冷床炉熔炼tc4合金加工方法及中厚板坯加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电子束冷床炉熔炼TC4合金加工方法，包括如下步骤：利用电子束冷床炉一次熔炼TC4合金锭；对所述TC4合金锭进行第一形变加工以获得TC4合金中间件；其中，所述第一形变加工工艺根据所述TC4合金中间件的热处理状态确定：若所述最终状态为锻态或者退火态，则所述第一变形工艺选为直拔或镦拔，若所述最终状态为固溶+时效态(STA)，则所述第一变形工艺选为镦拔。

Description

一种电子束冷床炉熔炼TC4合金加工方法及中厚板坯加工 方法

技术领域

本申请涉及钛合金领域，尤其涉及一种电子束冷床炉熔炼TC4合金加工方法及中厚板坯加工方法。

背景技术

先进的飞机设计对航空发动机的寿命及可靠性提出了越来越高的要求。成分均匀且无夹杂的高品质钛合金铸锭是制备航空发动机用关键钛合金部件首先要解决的问题。长期的研究及应用结果表明，真空自耗电弧多次熔炼不能彻底去除夹杂并保证成分均匀性，在合金制备过程中容易出现夹杂、偏析等冶金缺陷。因此，打破传统钛合金的熔炼制备方法，制备高品质铸锭是目前航空发动机用钛合金需要解决的首要问题。为保证航空发动机用钛合金铸锭的冶金质量，国外优先选用冷床炉熔炼+真空自耗电弧重熔的工艺。我国虽然在冷床熔炼装备方面引进了多台电子束冷床熔炼炉(EB炉)，但目前主要用于残钛的回收和纯钛的熔炼。在冷床炉熔炼过程中，如何控制不同合金元素的挥发从而保障最终合金成分的精确性一直是制约冷床炉制备复杂钛合金的关键。近年来，由于EB熔炼炉的普及，越来越多的技术人员关注冷床炉制备钛合金，特别是应用最为广泛的TC4合金。国内外相关科研人员应用各种方法研究熔炼过程中Al元素的挥发和精确控制，但目前的研究仅局限于EB炉熔炼TC4合金铸锭成分均匀性的研究，没有任何关于冷床炉制备TC4合金后续加工的报道。实践证明，由于冷床炉熔炼的先进性，其制备的铸锭在后期的加工中必然展示不同的属性，其研究结果将为我们进一步认识冷床炉熔炼的优势以及制定相关冷床炉加工产品的标准提供重要的数据参考。

因此现有技术急需针对于电子束冷床炉熔炼TC4合金的加工方法。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出了一种电子束冷床炉熔炼TC4合金加工方法，包括如下步骤：

利用电子束冷床炉一次熔炼TC4合金锭；

对所述TC4合金锭进行第一形变加工以获得TC4合金中间件；其中，所述第一形变加工工艺根据所述TC4合金中间件的热处理状态确定：若所述最终状态为锻态或者退火态，则所述第一变形工艺选为直拔或镦拔，若所述最终状态为固溶+时效态(STA)，则所述第一变形工艺选为镦拔。

优选地，所述第一变形工艺的变形量低于一与所述TC4合金锭的原始晶界变化相关的预定阈值。

优选地，在获得所述TC4合金中间件后，进一步包括如下步骤：

对所述TC4合金中间件进行第二形变加工以获得TC4终件，其中所述第二形变加工的变形量与所述第一形变加工的变形量之和大于所述预定阈值，当所述最终状态为锻态或者退火态时，所述第一变形工艺为镦拔。

优选地，所述直拔或镦拔的拔长方向与结晶方向一致。

优选地，所述第一变形工艺包括两火次拔长锻造，所述两火次拔长锻造为1100-1200度下进行一次拔长，900-1000度下进行二次拔长，所述两火次拔长锻造总变形率为85％-95％。

优选地，所述第一变形工艺包括四火次锻造，所述四火次锻造包括在1100-1200度下进行三镦三拔，在1000-1100度下进行两镦两拔+回火两镦两拔，900-1000度下进行镦粗+拔长，所述四火次锻造的总变形率为400％-600％；

所述第二变形工艺包括在900-1000度下进行拔长，在850-950度下进行轧制，所述第二变形工艺的总变形率大于500％。

另一方面，针对于应用广泛的TC4合金中厚板，本申请还提出了一种电子束冷床炉熔炼TC4合金生产中厚板坯加工方法，包括如下步骤：

利用电子束冷床炉一次熔炼TC4合金锭；

在900-1000度下一火轧制成型所述中厚板。

优选地，在所述一火轧制成型所述中厚板前还包括：

在1100-1200度下锻造板坯。

优选地，所述轧制或锻造的拔长方向与所述EB炉熔炼TC4合金结晶方向一致。

本申请通过大量的实验理清EB炉熔炼TC4合金变形中的组织和性能特点提出上述加工方法，能够有效地利用EB炉熔炼TC4合金所特有的工艺与力学性能规律，为TC4合金的工业应用提供有效的基础。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例中间件不同处理状态下的组织，其中(a)#1R；(b)#1M；(c)#1STA；(d)#2R；(e)#2M；(f)#2STA；(g)#3R；(h)#3M；(i)#3STA；

图2为本申请实施例终件不同处理状态下的组织，其中(a)#1R；(b)#1M；(c)#1STA；(d)#2R；(e)#2M；(f)#2STA；(g)#3R；(h)#3M；(i)#3STA；

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

为了获得电子束冷床EB炉熔炼TC4合金的加工性能，发明人组织了大量的实验，通过不同的变形方式和变形量的加工实验以验证电子束冷床EB炉熔炼TC4合金与一般金属不同的加工规律，对于一般金属而言，工艺决定组织结构，组织结构决定力学性能，然而在EB炉制备的TC4合金的变形加工试验中所呈现的结果却与该规律不完全相同。

下面结合在如表1中展示的一组实验进行详细论述。表1中的实验坯料在充分考虑AL元素烧损与工艺参数的关系，选择了合适配比的中间合金、铝豆和一级海绵钛作为原料一次熔炼制备合金。获得的坯料样品按照表1中的变形工艺和取样阶段进行试验。力学性能和组织分析分别选择锻态(R态)、退火态(M态)和固溶+时效态(STA态)，在该试验中，退火和固溶+时效的具工艺为：750℃/2h AC(M)；900℃/1.5h WQ+550℃/6h AC(STA)。该工艺为TC4合金常用的退火和固溶时效工艺。通过以上测试和分析，研究不同变形量和不同变形方式对EB炉一次熔炼TC4合金组织和力学性能的影响。

表1

力学性能检测选择抗拉强度(Rm/MPa)、延伸强度(Rp0.2/MPa)对于取样阶段一，即中间件而言，A断后伸长率和Z断面收缩率。实验结果如表2所示：

表2

从表2中可以看出，对于轧制态(R)和退火态(M)，用EB炉制备的TC4合金对形变工艺并不敏感，无论是直拔试验、镦拔试验还是轧板试验，合金最终力学性能相差不大。而对于STA状态，镦拔状态的强度明显优于直拔状态，同时延伸率没有变化。相对于直拔和镦拔状态，轧板状态下合金延伸率和强度同时降低。

图1显示三种样品中间态的组织。可以看到，合金直拔后为片层组织(图1a)，部分位置为一致排列的α片层，部分位置为编织的网篮α片层，α片层较细，退火和固溶+时效处理后组织状态几乎没有变化。实际#1样品第二火是在双态区锻造(950℃，表1所示)，但由于变形量小，没有破碎α片层，形成这种编织状α与一致排列α的混合组织状态。但相对于传统圆柱铸锭同样形变状态下，EB炉熔炼的TC4合金的α片层尺度明显较小，这体现了EB炉一次制备TC4合金铸锭得到优势，具有细化α片层的作用。#2样品由于进行了镦拔处理，原始铸锭的阿发片层得到明显碎化，形成了传统意义上的双态组织(图1d)，退火和固溶+时效处理传承了锻态的组织形态(图1e f)，只是由于变形量还不够充分，部分初生α显示短棒状。从上述力学性能分析可知经过充分变形的双态组织和直拔后片层组织在R态和M态相的力学性能相似，这可能是由于#1状态阿尔法片层较细，形成的是一种编织和一致排列的混合组织，这也是EB炉制备铸锭优势的体现。而固溶+时效后#2样品强度优于#1是由于双态组织更有利于合金的时效析出强化，最终形成的是一种混合组织，对应最好的强塑性匹配。图1(g)(h)(i)显示#3样品直接轧制成δ15mm板材的组织，由于轧板前为EB炉的铸态组织，轧制后原始凝固组织的β晶界仍然存在，并沿轧制方向被拉长，在原始β晶界内呈现集束排列的α片层，整个组织和#1、#2的锻态组织差别显著。从传统的对组织均匀性要求来看，该组织为不均匀组织，其原始β晶界没有得到破碎，完整存在，并且晶界区域的组织和晶内差别显著，将影响合金的超声波探伤力学性能。然而从力学性能结果来看(表3)，这种组织状态并不影响合金在锻态和退火态性能，只是影响合金STA状态的性能。

根据上述分析，本实施例提出了一种电子束冷床炉熔炼TC4合金加工方法，包括如下步骤：

利用电子束冷床EB炉一次熔炼TC4合金锭；

对所述TC4合金锭进行第一形变加工以获得TC4合金中间件；其中，所述第一形变加工工艺根据所述TC4合金中间件的热处理状态确定：若所述最终状态为锻态或者退火态，则所述第一变形工艺选为直拔或镦拔，若所述最终状态为固溶+时效态(STA)，则所述第一变形工艺选为镦拔。进一步地，所述第一变形工艺的变形量低于一与所述TC4合金锭的原始晶界变化相关的预定阈值。根据发明人的实验证明，对EB炉制备的TC4合金铸锭，当要求交货状态是锻态和退火态时，合金性能对形变工艺和组织状态并不敏感，无论样品是经过简单的直拔获得片层组织、镦拔获得双态组织还是直接轧制获得原始晶界尚未破碎的粗大组织，合金强度和塑性差别不大，都具有良好的室温性能。所述的与所述TC4合金锭的原始晶界变化相关的预定阈值针对不同的变形方式具有不同的取值，对于简单的直拔而言，所述预定阈值的大小取决于获得片层组织所需的变形量，变形量过大将进一步破碎α片层导致难以获得片层组织，对于镦拔而言，预定阈值取决于获得双态组织所需的变形量，类似第，变形量过大将导致难以在镦拔后获得双态组织。通过本申请实施方式提出的实验方式可以针对不同工艺情况下的TC4合金锭实验获得相应的阈值。

进一步地，在获得所述TC4合金中间件后，进一步包括如下步骤：

对所述TC4合金中间件进行第二形变加工以获得TC4终件，其中所述第二形变加工的变形量与所述第一形变加工的变形量之和大于所述预定阈值，当所述最终状态为锻态或者退火态时，所述第一变形工艺为镦拔。

如表1中取样阶段二(终件)所述，进一步地对所述合金中间件进行变形加工，并分析其相关性能，结果如表3所示。

表3

通过对#1、#2和#3样品继续加工，轧制成Φ11mm的小棒和5mm的薄板，不同热处理状态下的力学性能如表3所示。可以看到，对于R态和M态，#2样品强度明显优于#1样品，延伸率相差不大。#3样品强度和#2相差不大，但延伸率降低。这和前述中间态样品的力学性能趋势明显不同。对于STA态，#2样品在延伸率相似的情况下强度仍然优于#1，但#3样品强度和延伸率都明显降低。图2显示#1、#2、#3样品终态不同热处理条件下组织。可以看到，当样品被轧制中Φ11mm的小棒时，#1和#2样品在R、M和STA状态下组织几乎完全相同，都呈细小的等轴组织。#3样品由于进行了较大的轧制变形，也呈现一种细小，扭曲的片层组织结构。总体来说，相对于中间态的组织和力学性能，随着变形量的增大，三种样品显微组织结构差异减小，但力学性能的差异却在增大。在本申请的实施方式中，直拔或镦拔的拔长方向与结晶方向一致。

所述第一变形工艺包括两火次拔长锻造，所述两火次拔长锻造为1100-1200度下进行一次拔长，900-1000度下进行二次拔长，所述两火次拔长锻造总变形率为85％-95％。

所述第一变形工艺包括四火次锻造，所述四火次锻造包括在1100-1200度下进行三镦三拔，在1000-1100度下进行两镦两拔+回火两镦两拔，900-1000度下进行镦粗+拔长，所述四火次锻造的总变形率为400％-600％；

所述第二变形工艺包括在900-1000度下进行拔长，在850-950度下进行轧制，所述第二变形工艺的总变形率大于500％。

另一方面，针对于应用广泛的TC4合金中厚板，本申请还提出了一种电子束冷床炉熔炼TC4合金生产中厚板坯加工方法，包括如下步骤：利用电子束冷床炉一次熔炼TC4合金锭；在900-1000度下一火轧制成型所述中厚板。

进一步地，在所述一火轧制成型所述中厚板前还包括：在1100-1200度下锻造板坯。

在本申请的实施方式中，所述轧制或锻造的拔长方向与所述EB炉熔炼TC4合金结晶方向一致。

工艺决定组织结构，组织结构决定力学性能，这是金属材料的一般规律。但是对于用EB炉制备的TC4合金，所呈现出的结果似乎和该规律相悖。从组织和力学性能来看，中间态合金组织差异显著，但力学性能却相差不大，随着变形的深入，组织的差异性减小，特别是直拔和镦拔样品，组织几乎相同，但力学性能的差异却在增大。正是在上述发现的基础上，本申请提出的加工方法能够为TC4合金的产业应用提供重要的基础，为合金应用的稳定性和可靠性提供保障。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种电子束冷床炉熔炼TC4合金加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用电子束冷床炉一次熔炼TC4合金锭；

对所述TC4合金锭进行第一形变加工以获得TC4合金中间件；其中，所述第一形变加工使用的第一变形工艺根据所述TC4合金中间件的热处理状态确定：若所述热处理状态的最终状态为锻态或者退火态，则所述第一变形工艺选为直拔或镦拔，若所述最终状态为固溶+时效态，则所述第一变形工艺选为镦拔。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述第一变形工艺的变形量低于一与所述TC4合金锭的原始晶界变化相关的预定阈值。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，在获得所述TC4合金中间件后，进一步包括如下步骤：

对所述TC4合金中间件进行第二形变加工以获得TC4终件，其中所述第二形变加工的变形量与所述第一形变加工的变形量之和大于所述预定阈值，当所述最终状态为锻态或者退火态时，所述第一变形工艺为镦拔。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，

所述直拔或镦拔的拔长方向与结晶方向一致。

5.根据权利要求1所述加工方法，其特征在于，

所述第一变形工艺包括两火次拔长锻造，所述两火次拔长锻造为1100-1200度下进行一次拔长，900-1000度下进行二次拔长，所述两火次拔长锻造总变形率为85%-95%。

6.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于，

所述第一变形工艺包括四火次锻造，所述四火次锻造包括在1100-1200度下进行三镦三拔，在1000-1100度下进行两镦两拔+回火两镦两拔，900-1000度下进行镦粗+拔长，所述四火次锻造的总变形率为400%-600%；

所述第二形变加工使用的第二变形工艺包括在900-1000度下进行拔长，在850-950度下进行轧制，所述第二变形工艺的总变形率大于500%。

7.一种电子束冷床炉熔炼TC4合金生产中厚板坯加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用电子束冷床炉一次熔炼TC4合金锭；

在900-1000度下一火轧制成型所述中厚板；

在所述一火轧制成型所述中厚板前还包括在1100-1200度下锻造板坯，其中，所述锻造工艺根据所述TC4合金中间件的热处理状态确定：若所述热处理状态的最终状态为锻态或者退火态，则所述锻造工艺选为直拔或镦拔，若所述最终状态为固溶+时效态，则所述锻造工艺选为镦拔。

8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，

所述轧制或锻造的拔长方向与所述电子束冷床炉熔炼TC4合金结晶方向一致。

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