CN109013995B - 一种钛合金锻件近等温精密锻造方法 - Google Patents

一种钛合金锻件近等温精密锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钛合金成形技术领域，尤其涉及一种钛合金锻件近等温精密锻造方法。本发明采用多火次模锻的锻造方式，无需采用耐900℃高温的昂贵模具，模具在较低的预热温度下即可实现钛合金锻件的近等温精密锻造，从而大幅降低了生产成本。

Description

一种钛合金锻件近等温精密锻造方法
技术领域
本发明涉及钛合金成形技术领域，尤其涉及一种钛合金锻件近等温精密锻造方法。
背景技术
钛合金以其高强度、低密度和良好的耐热耐腐蚀性能在航空航天领域具有广泛应用。为了保证钛合金锻件的精度、强度和性能一致性，采用精密模锻技术进行制造具有工艺优势。由于钛合金强度高、变形抗力大，且组织性能对工艺参数敏感，因此，为了提高其成形精度，等温精密成形是首选的成形技术。然而钛合金的等温成形温度通常高达900℃以上，其等温精密成形通常需要在真空或惰性气体下采用TZM合金模具，或者在大气环境下采用K403等高温合金模具，模具材料昂贵，制造成本高。
钛合金近等温锻造技术是在等温锻造技术上发展起来一种先进的锻造技术，它是将模具温度加热到低于工件温度30～80℃，采用一定应变速率锻造，但是模具仍然需要采用耐800℃高温的模具，并不能从根本上解决高温合金模具材料昂贵，制造成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金锻件近等温精密锻造方法，采用本发明提供的方法进行钛合金锻件近等温精密锻造，无需采用昂贵的高温合金模具，制造成本低。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种钛合金锻件近等温精密锻造方法，包括以下步骤：
(1)将钛合金制坯件加热至960～980℃，得到预热坯；将模具预热至490～510℃，得到预热模具；
(2)采用所述步骤(1)得到的预热模具对所述步骤(1)得到的预热坯进行第一次模锻，得到第一预锻件；所述第一次模锻过程中，模具温度在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻；
(3)将所述步骤(2)得到的第一预锻件加热至960～980℃，得到预热锻件；将模具预热至490～510℃，得到预热模具；
(4)采用所述步骤(3)得到的预热模具对所述步骤(3)得到的预热锻件进行第二次模锻，得到第二预锻件；所述第二次模锻过程中，模具温度在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻；
(5)将所述步骤(4)得到的第二预锻件依次重复所述步骤(3)和步骤(4)，得到钛合金锻件；所述重复次数在1次以上；
上述不同次模锻过程中所用模具的材质为耐500℃热模具钢。
优选的，所述步骤(1)中钛合金制坯件的制备方式为将钛合金原料进行锻压，得到钛合金制坯件。
优选的，所述钛合金制坯件的材质包括TC4钛合金、TC3钛合金、TA15钛合金或TC11钛合金。
优选的，相邻次模锻的变形程度依次递减0～30％。
优选的，所述步骤(2)中第一次模锻的变形程度为40～60％。
优选的，当所述步骤(5)中重复次数为1时，第一次模锻的变形程度为40～60％，第二次模锻的变形程度为20～30％，第三次模锻的变形程度为10～20％。
优选的，每次模锻之后还包括对锻件进行后处理，所述后处理的方式为飞边切除、表面修伤和喷砂处理中的一种或多种。
优选的，不同次模锻过程中所用模具的材质独立地为5CrNiMo钢或H13钢。
优选的，不同次模锻过程中使用模锻锤进行模锻，所述模锻锤的下压速度为3～7m/s。
本发明提供了一种钛合金锻件近等温精密锻造方法，包括以下步骤：
(1)将钛合金制坯件加热至960～980℃，得到预热坯；将模具预热至490～510℃，得到预热模具；
(2)采用所述步骤(1)得到的预热模具对所述步骤(1)得到的预热坯进行第一次模锻，得到第一预锻件；所述第一次模锻过程中，模具温度在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻；
(3)将所述步骤(2)得到的第一预锻件加热至960～980℃，得到预热锻件；将模具预热至490～510℃，得到预热模具；
(4)采用所述步骤(3)得到的预热模具对所述步骤(3)得到的预热锻件进行第二次模锻，得到第二预锻件；所述第二次模锻过程中，模具温度在400℃以上当锻件温度低于900℃时停止模锻；
(5)将所述步骤(4)得到的第二预锻件依次重复所述步骤(3)和步骤(4)，得到钛合金锻件；所述重复次数在1次以上；
上述不同次模锻过程中所用模具的材质为耐500℃热模具钢。
本发明提供的钛合金锻件近等温精密锻造方法，采用多火次模锻的锻造方式，可使钛合金锻件温度在锻造过程中始终保持在900℃以上，无需采用耐900℃高温的昂贵模具，模具在较低的预热温度下即可实现钛合金锻件的近等温精密锻造，从而大幅降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明提供的钛合金锻件近等温精密锻造方法的流程图。
图2为实施例1得到的钛合金锻件。
图3为实施例1得到的钛合金锻件的金相组织图。
图4为实施例2得到的钛合金锻件的金相组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种钛合金锻件近等温精密锻造方法，包括以下步骤：
(1)将钛合金制坯件加热至960～980℃，得到预热坯；将模具预热至490～510℃，得到预热模具；
(2)采用所述步骤(1)得到的预热模具对所述步骤(1)得到的预热坯进行第一次模锻，得到第一预锻件；所述第一次模锻过程中，模具温度在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻；
(3)将所述步骤(2)得到的第一预锻件加热至960～980℃，得到预热锻件；将模具预热至490～510℃，得到预热模具；
(4)采用所述步骤(3)得到的预热模具对所述步骤(3)得到的预热锻件进行第二次模锻，得到第二预锻件；所述第二次模锻过程中，模具温度在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻；
(5)将所述步骤(4)得到的第二预锻件依次重复所述步骤(3)和步骤(4)，得到钛合金锻件；所述重复次数在1次以上；
上述不同次模锻过程中所用模具的材质为耐500℃热模具钢。
本发明将钛合金制坯件加热至960～980℃，得到预热坯。在本发明中，所述钛合金制坯件加热至的温度优选为970～980℃，更优选为980℃。本发明对加热钛合金制坯件的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的加热方式即可。在本发明中，所述钛合金制坯件的材质优选包括TC4钛合金、TC3钛合金、TA15钛合金或TC11钛合金。
在本发明中，所述钛合金制坯件的制备方式优选为将钛合金原料进行锻压处理，得到钛合金制坯件。在本发明中，所述锻压处理的目的是为了得到尺寸适于后续模锻的钛合金制坯件，当钛合金制坯件足以覆盖所述模具横截面时，停止锻压。本发明对所述锻压的实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的锻压方式即可，具体的可将钛合金原料加热至900℃以上，然后采用自由锻或模锻下压的方式。本发明优选将所述钛合金原料加热至900℃以上，进一步优选为970℃；当采用先加热再自由锻或模锻下压的方式制备钛合金制坯件时，当得到的钛合金制坯件的温度满足预热坯的温度要求时，无需对钛合金制坯件进行加热处理。本发明对所述钛合金原料加热的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的加热方式即可，例如电加热炉加热等。
本发明将模具预热至490～510℃，得到预热模具。在本发明中，所述模具预热至的温度优选为500～510℃，更优选为500℃。在本发明中，所述模具的材质优选为耐500℃热模具钢，更优选为5CrNiMo钢或H13钢。本发明对所述模具的形状没有特殊要求，根据需要锻造成的尺寸(即钛合金锻件)选用形状对应的模具。本发明对所述模具的预热方式没有任何特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的预热方式即可。
得到预热坯和预热模具后，本发明采用所述预热模具对所述预热坯进行第一次模锻，得到第一预锻件。本发明在所述第一次模锻过程中，模具温度在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻。本发明无需在锻造过程中对所述模具采用任何保温或加热手段使其在400℃以上，仅仅利用预热坯散发的热量即可补充预热后的模具在空气中散失的热量，使所述模具的温度在400℃以上；反过来，模具的温度在400℃以上，又可防止预热坯温度下降过快，使预热坯在一定的时间内温度保持在900℃近等温的状态，从而实现钛合金锻件的近等温精密锻造。在本发明中，所述第一次模锻的变形程度优选为40～60％，进一步优选为45～60％，最优选为50～60％；在本发明中，模锻的变形程度均以当次压下量与锻件完成后的总下压量的比值计。本发明优选使用模锻锤进行模锻，所述模锻锤的下压速度优选为3～7m/s，更优选为6～7m/s。在本发明中，所述模锻锤的锤头打击次数为30～50次/min；本发明所述模锻锤优选为蒸汽锤或电液锤。本发明采用所述模锻锤进行模锻，相对于现有等温精密锻造采用的液压机而言，能够实现钛合金锻件的快速锻造，在预热坯温度降到900℃以前，达到较大的变形程度。
得到第一预锻件后，本发明将所述第一预锻件加热至960～980℃，得到预热锻件。在本发明中，所述第一预锻件加热至的温度优选为970～980℃，更优选为980℃。本发明对第一预锻件加热的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的加热方式即可。
本发明将模具预热至490～510℃，得到预热模具。在本发明中，所述模具预热至的温度优选为500～510℃，更优选为500℃。在本发明中，所述模具的材质为耐500℃热模具钢，优选为5CrNiMo钢或H13钢。本发明对所述模具的预热方式没有任何特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的预热方式即可。
得到预热锻件和预热模具后，本发明采用所述预热模具对所述预热锻件进行第二次模锻，得到第二预锻件。本发明在所述第二次模锻过程中，模具温度在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻。在本发明中，所述第二次模锻的变形程度优选比第一次模锻的变形程度小0～30％，所述第二次模锻的变形程度进一步优选为20～30％。本发明优选使用模锻锤进行模锻，所述模锻锤的下压速度优选为3～7m/s，更优选为6～7m/s。在本发明中，所述模锻锤的锤头打击次数为30～50次/min；本发明所述模锻锤优选为蒸汽锤或电液锤。
得到第二预锻件后，本发明依次重复前述技术方案所述步骤(3)和步骤(4)，得到钛合金锻件；所述重复次数在1次以上。在本发明中，所述第一次模锻的变形程度为40～60％，相邻次模锻的变形程度优选依次递减0～30％，即后一次模锻的变形程度比前一次模锻的变形程度小0～30％，进一步优选为15～20％。在本发明中，所述重复次数为1次时，在得到第二预锻件后，再进行第三次模锻；优选的，所述第一次模锻的变形程度为40～60％，第二次模锻的变形程度为20～30％，第三次模锻的变形程度为10～20％。在本发明中，每次模锻的变形程度均以当次压下量与锻件完成后的总下压量的比值计；多次模锻时，不同次模锻变形程度之和等于100％。
在本发明中，每次模锻之后，优选还包括对锻件进行后处理，所述后处理的方式优选包括飞边切除、喷砂处理和表面修伤的一种或多种。本发明对所述飞边切除、喷砂处理和表面修伤的方式没有任何特殊的要求，采用本领域技术人员熟知的飞边切除、喷砂处理和表面修伤方式即可。当所述后处理的方式为飞边切除、喷砂处理和表面修伤时，本发明优选对所述锻件依次进行飞边切除、喷砂处理和表面修伤。本发明对所述锻件进行后处理，目的是为了方便下一次模锻。
下面结合实施例对本发明提供的钛合金锻件近等温精密锻造方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将TC4钛合金棒料进行预热至980℃，采用自由锻下压的方式对TC4钛合金制坯，使得TC4钛合金制坯件能够覆盖角盒模具横截面；
将TC4钛合金制坯件进行加热至960℃，得到预热坯；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具，角盒模具采用H13热模具钢制造而成；
采用预热角盒模具对预热坯进行第一次模锻，第一次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻，蒸汽锤的下压速度为4m/s，得到第一预锻件，变形程度为60％
将第一预锻件进行加热至980℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第二次模锻，第二次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，当锻件温度低于900℃时停止模锻，蒸汽锤的下压速度为4m/s，得到第二预锻件，变形程度为30％；
将第二预锻件进行加热至980℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第三次模锻，第三次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，锻件温度在900℃以上，蒸汽锤的下压速度为4m/s，直到获得TC4钛合金角盒，第三次模锻的变形程度为10％。
图2为实施例1得到的钛合金锻件照片。
实施例2
将TA15钛合金棒料进行预热至970℃，采用自由锻下压的方式对TA15钛合金制坯，使得TA15钛合金制坯件能够覆盖角盒模具横截面；
将TA15钛合金制坯件进行加热至960℃，得到预热坯；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具，角盒模具采用5CrNiMo热模具钢制造而成；
采用预热角盒模具对预热坯进行第一次模锻，第一次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，当锻件温度低于900℃时停止模锻，得到第一预锻件，变形程度为40％；
将第一预锻件进行加热至960℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第二次模锻，第二次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，当锻件温度低于900℃时停止模锻，得到第二预锻件，变形程度为30％；
将第二预锻件进行加热至960℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第三次模锻，第三次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，当锻件温度低于900℃时停止模锻，得到第三预锻件，变形程度为20％；
将第三预锻件进行加热至960℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第四次模锻，第四次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，锻件温度在900℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，直到获得TA15钛合金角盒，第四次模锻的变形程度为10％。
分别对实施例1～2得到的钛合金锻件进行性能测试，测试结果如表1～2以及图3～4所示。
其中图3(a)为实施例1中TC4钛合金角盒侧板的金相组织图，(b)为钛合金角盒底板的金相组织图；图4(a)为实施例2中TA15钛合金角盒侧板的金相组织图，(b)为钛合金角盒底板的金相组织图。由图3～4可知，实施例1和实施例2不同位置的锻后组织均为均匀的双态组织，既存在等轴初生α相，又存在片状α相的显微组织，并且不同区域的晶粒大小接近，没有出现不均匀的大晶粒。
表1实施例1钛合金锻件的力学性能
位置 屈服强度MPa 抗拉强度MPa 延伸率％
原始坯料 821.7 930.6 7.83
背板 838.4 939.9 6.90
底板 843.7 945.8 7.12
表2实施例2钛合金锻件的力学性能
位置 屈服强度MPa 抗拉强度MPa 延伸率％
原始坯料 883.6 943.6 8.54
背板 915.7 960.9 7.36
底板 918.5 963.8 7.23
由表1和表2可知，采用本发明提供的方法锻造后得到的钛合金锻件的弹性模量、屈服强度和抗拉强度较原始坯料均有所提高，说明本发明提供的近等温精密锻造方法能够满足钛合金锻件力学性能的要求。
由以上实施例可知，本发明提供了一种钛合金锻件近等温精密锻造方法，采用多次模锻的锻造方式，无需采用耐900℃高温的昂贵模具，模锻过程中只需将模具加热到较低的温度，即可实现钛合金锻件的近等温精密锻造，从而大幅降低了生产成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种钛合金锻件近等温精密锻造方法，具体采用以下步骤：
将TA15钛合金棒料进行预热至970℃，采用自由锻下压的方式对TA15钛合金制坯，使得TA15钛合金制坯件能够覆盖角盒模具横截面；
将TA15钛合金制坯件进行加热至960℃，得到预热坯；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具，角盒模具采用5CrNiMo热模具钢制造而成；
采用预热角盒模具对预热坯进行第一次模锻，第一次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，当锻件温度低于900℃时停止模锻，得到第一预锻件，变形程度为40％，无需在锻造过程中对所述角盒模具采用任何保温或加热手段使其在400℃以上，仅仅利用预热坯散发的热量即可补充预热后的角盒模具在空气中散失的热量，使所述角盒模具的温度在400℃以上；反过来，角盒模具的温度在400℃以上，又可防止预热坯温度下降过快，使预热坯在一定的时间内温度保持在900℃近等温的状态；
将第一预锻件进行加热至960℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第二次模锻，第二次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，当锻件温度低于900℃时停止模锻，得到第二预锻件，变形程度为30％；
将第二预锻件进行加热至960℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第三次模锻，第三次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，当锻件温度低于900℃时停止模锻，得到第三预锻件，变形程度为20％；
将第三预锻件进行加热至960℃，得到预热锻件；将角盒模具预热至500℃，得到预热角盒模具；
采用预热角盒模具对预热锻件进行第四次模锻，第四次模锻过程中，角盒模具温度保持在400℃以上，锻件温度在900℃以上，电液锤的下压速度为7m/s，直到获得TA15钛合金角盒，第四次模锻的变形程度为10％。
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