CN109127975B

CN109127975B - 一种钛合金回转件及其制备方法

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Publication number: CN109127975B
Application number: CN201811210099.2A
Authority: CN
Inventors: 姜山; 姜中涛; 伍太宾; 邓莹; 陈巧旺; 刘兵; 张铁军; 王明光
Original assignee: Chongqing University of Arts and Sciences
Current assignee: Chongqing University of Arts and Sciences
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-10-17
Also published as: CN109127975A

Abstract

一种钛合金回转件的晶型在衍射角度2θ在35.1±0.2°、38.7±0.2°、40.5±0.2°、53.4±0.2°、63.7±0.2°处有衍射峰。本发明使得成形后的钛合金具有超细尺寸的晶粒，金相出现规律性排列，力学性能好，其洛氏硬度HRA达到48~57，抗压屈服强度达到180MPa以上，变形量大、变形显著，易于制备各种形貌的产品，产品成形性好，可大变形量的一次成形，成品硬度高，产品不易被氧化，表面无氧化现象；在材料成形过程中，实现了不断发生材料动态再结晶和恢复，从而不会出现断裂现象，产品优质，无裂纹出现，织构强度大，承受外力大，不会断裂变形，韧性好，生产效率高，制备方法简单可行，值得市场推广应用。

Description

一种钛合金回转件及其制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种钛合金回转件及其制备方法。

背景技术

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等特性，广泛应用于航空、航天、医疗、体育用品等领域。但钛合金特有的密排六方结构导致其成形困难。目前钛合金回转件的主要采用切削加工的方式进行生产。摆碾锻造是一种特殊的金属塑性加工方式，它是经过连续多次局部成形，最后整体成形的回转成形工艺。它的工作原理和变形的规律来看，该技术结合了普通锻造的力学性能高、滚压工艺的表面质量高、挤压工艺的材料多且利用率高等优点，除了可以成形出传统锻造的常规零件外，还可以实现粉末制品的致密化、铆接加工、板料加工等。摆辗成形在锻造行业中的主要运用是成形各种环类、饼盘类以及带法兰类的回转类零件。按照摆辗温度的差别可以分为热辗、温辗、冷辗三种工艺。

目前生产钛合金回转件的方法一般是说先进行小变形量初步成形，然后对其进行切削加工。这主要是由于钛合金的成形性能差，不适合大变形量的一次成形。而钛合金回转件的后期切削加工对材料的硬度要求较高。

将摆碾锻造这种用于传统金属材料如钢、铝、铜等的低温成形工艺用于钛合金的中高温成形，能够显著提高钛合金的成形性能，同时获得所需的特定金属织构。

现有技术生产钛合金回转件不仅生产效率低下、导致大量的材料浪费，同时机械加工无法获得材料机械性能增强所需的特定金属织构。

就目前看来，钛合金回转件晶粒尺寸较大，力学性能不够理想，不易形变，钛合金表面易于氧化，制备过程中产品容易出现断裂现象，成品易于产生裂纹，织构强度小，承受外力能力较差，容易出现断裂变形，成品韧性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金回转件。

本发明的另一个目的在于提供上述钛合金回转件的制备方法。

本发明的目的是通过如下技术措施实现的：

一种钛合金回转件，采用岛津XRD-6000X射线衍射仪，其衍射角度30°～70°的范围内进行表征，其特征在于：所述晶型在衍射角度2θ在35.1±0.2°、38.7±0.2°、40.5±0.2°、53.4±0.2°、63.7±0.2°处有衍射峰。

进一步，一种钛合金回转件，其特征在于：所述钛合金回转件上表面晶型在衍射角度2θ的吸收强度由强至弱依次为38.7±0.2°处的衍射峰、40.5±0.2°处的衍射峰、53.4±0.2°处的衍射峰、35.1±0.2°处的衍射峰、63.7±0.2°处的衍射峰。

进一步，一种钛合金回转件，其特征在于：所述钛合金回转件横截面晶型在衍射角度2θ的吸收强度由强至弱依次为40.5±0.2°处的衍射峰、38.7±0.2°处的衍射峰、53.4±0.2°处的衍射峰、35.1±0.2°处的衍射峰、63.7±0.2°处的衍射峰。

一种钛合金回转件，其特征在于，所述钛合金回转件为TC4钛合金回转件。

具体来说，上述钛合金回转件，其特征在于：它具有如图3、图4、图5、图6所述的X-射线衍射图。

本发明一种钛合金回转件，其特征在于，晶粒粒径为1～3μm，晶粒为细小的等轴晶，晶粒形状和尺寸如图7c和图8c所示。

一种钛合金回转件的制备方法，其特征在于，它是按如下步骤制得：

(1)前处理：

将TC4钛合金圆柱试样放入高温箱式炉中，设置温度为800～1200℃保温30～35分钟，取出，备用；所述TC4钛合金圆柱试样的尺寸为Φ28～32×38～42mm；

(2)摆动碾压

将前处理后的TC4钛合金圆柱试样置于摆碾机中，然后在TC4钛合金圆柱试样上加入润滑剂，设置摆头转速为190～210r/min，摆碾角为2～4°，垂直下压速度为7～9mm/s，试样碾压终点是压机压力达到200T为止；所述润滑剂是由猪油、石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铝混合组成，其质量比为87～91:4～6:2～4:1～3:0.9～1.1；所述TC4钛合金圆柱试样与润滑剂的质量比为180～200：1。

本发明的有益效果在于：

本发明一种钛合金回转件的制备方法使得成形后的钛合金具有超细尺寸的晶粒，金相出现规律性排列，力学性能好，其洛氏硬度HRA达到48～57，抗压屈服强度达到180MPa以上，变形量大、变形显著，易于制备各种形貌的产品，产品成形性好，可大变形量的一次成形，成品硬度高，产品不易被氧化，表面无氧化现象；在材料成形过程中，实现了不断发生材料动态再结晶和恢复，从而不会出现断裂现象，产品优质，无裂纹出现，织构强度大，承受外力大，不会断裂变形，韧性好，生产效率高，制备方法简单可行，值得市场推广应用。

附图说明

图1钛合金回转件的制备工作原理图；其中1为上模摆头；2为工件；3为下模。

图2摆碾成形与单向压缩对钛合金TC4成形效果的对比图。

图3 800℃钛合金TC4摆辗试样不同截面的XRD图谱。

图4 900℃钛合金TC4摆辗试样不同截面的XRD图谱。

图5 1000℃钛合金TC4摆辗试样不同截面的XRD图谱。

图6 1200℃钛合金TC4摆辗试样不同截面的XRD图谱。

图7 TC4钛合金通过800℃摆辗成形的EBSD图谱；其中(a)晶粒取向分布图(b)晶粒尺寸分布图(c)晶界分布图(d)晶界角度差图(e)极图。

图8 TC4钛合金通过900℃摆辗成形的EBSD图谱；(a)晶粒取向分布图(b)晶粒尺寸分布图(c)晶界分布图(d)晶界角度差图(e)极图。

图9 TC4钛合金在摆碾锻造及单轴锻造下不同成形温度的最终真应变曲线图；图中实心圆代表摆碾锻造；方形代表单轴锻造。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

实施例1

(1)前处理：

将TC4钛合金圆柱试样放入高温箱式炉中，设置温度为800℃保温，取出，备用；所述TC4钛合金圆柱试样的尺寸为Φ32×42mm；

(2摆动碾压

将前处理后的TC4钛合金圆柱试样置于摆碾机中，然后在TC4钛合金圆柱试样上加入润滑剂，设置摆头转速为190r/min，摆碾角为2°，垂直下压速度为8mm/s，试样碾压终点是压机压力达到200T为止；所述润滑剂是由猪油、石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铝混合组成，其质量比为89:5:3:2:1.0；所述TC4钛合金圆柱试样与润滑剂的质量比为190：1。

实验一：XRD测试

将实施例1制得的TC4钛合金试样做XRD测试，实验结果见图3：

(1)实验中采用的XRD衍射仪是岛津XRD-6000X射线衍射仪，其靶为Cu，波长为1.5406nm，发出X射线的发射源电压电流分别为40kV、40mA。在对样品检测时所设定的数据为：掠射角0.5°，扫描范围30°～70°，扫描速度为3°/min。

所述样品在衍射角度2θ在35.1±0.2°、38.7±0.2°、40.5±0.2°、53.4±0.2°、63.7±0.2°处有衍射峰。本发明的产品，其金属块体X射线图以面间距D值、Bragg交(2θ)、相对强度的百分比I(％)以及强度(I值)晶型表达，如下表所示，表中US代表钛合金回转件上表面，CS代表钛合金横截面：

实验二：电子背散射(EBSD)测试

取实施例1制得的样品进行扫描电子显微测试，电子背散射衍射(EBSD)测试采用Noval 400 NanoSEM扫描电子显微镜进行测试，工作电压为20kV，工作距离20mm，倾角为70°，测试结果如图7。

实验三：力学性能测试

取实施例1样品进行硬度测定，结果表明其洛氏硬度HRA达到50.1～55.2，抗压屈服强度达到180MPa。

实施例2

(1)前处理：

将TC4钛合金圆柱试样放入高温箱式炉中，设置温度为900℃保温35分钟，取出，备用；所述TC4钛合金圆柱试样的尺寸为Φ28×42mm；

(2摆动碾压

将前处理后的TC4钛合金圆柱试样置于摆碾机中，然后在TC4钛合金圆柱试样上加入润滑剂，设置摆头转速为190r/min，摆碾角为2°，垂直下压速度为9mm/s，试样碾压终点是压机压力达到200T为止；所述润滑剂是由猪油、石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铝混合组成，其质量比为90:4:4:3:1.0；所述TC4钛合金圆柱试样与润滑剂的质量比为182：1。

取实施例2制得的产品按实施例1的实验方法，分别进行XRD测试、扫描电子显微测试及EBSD测试、力学性能测试，XRD测试结果如图4所示，本发明的产品，其金属块体X射线图以面间距D值、Bragg交(2θ)、相对强度的百分比I(％)以及强度(I值)晶型表达，如下表所示，表中US代表钛合金回转件上表面，CS代表钛合金横截面：

电子背散射(EBSD)测试结果表明本品同实施例1样品具有相同峰位，扫描电子显微测试见图8。力学性能测试结果表明其洛氏硬度HRA达到53.2～57.3，抗压屈服强度达到183MPa。

实施例3

(1)前处理：

将TC4钛合金圆柱试样放入高温箱式炉中，设置温度为1000℃保温5分钟，取出，备用；所述TC4钛合金圆柱试样的尺寸为Φ32×38mm；

(2摆动碾压

将前处理后的TC4钛合金圆柱试样置于摆碾机中，然后在TC4钛合金圆柱试样上加入润滑剂，设置摆头转速为200r/min，摆碾角为3°，垂直下压速度为8mm/s，试样碾压终点是压机压力达到200T为止；所述润滑剂是由猪油、石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铝混合组成，其质量比为87:6:2:3:0.9；所述TC4钛合金圆柱试样与润滑剂的质量比为190：1。

取实施例3制得的产品按实施例1的实验方法，分别进行XRD测试、扫描电子显微测试及EBSD测试、力学性能测试，XRD测试结果如图5所示，本发明的产品，其金属块体X射线图以面间距D值、Bragg交(2θ)、相对强度的百分比I(％)以及强度(I值)晶型表达，如下表所示，表中US代表钛合金回转件上表面，CS代表钛合金横截面：

电子背散射(EBSD)测试结果表明本品同实施例1样品具有相同峰位。力学性能测试结果表明其洛氏硬度HRA达到47.7～57.4，抗压屈服强度达到182MPa。

实施例4

(1)前处理：

将TC4钛合金圆柱试样放入高温箱式炉中，设置温度为1200℃保温32分钟，取出，备用；所述TC4钛合金圆柱试样的尺寸为Φ31×39mm；

(2摆动碾压

将前处理后的TC4钛合金圆柱试样置于摆碾机中，然后在TC4钛合金圆柱试样上加入润滑剂，设置摆头转速为200r/min，摆碾角为3°，垂直下压速度为8mm/s，试样碾压终点是压机压力达到200T为止；所述润滑剂是由猪油、石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铝混合组成，其质量比为90:5:3:3:1.0；所述TC4钛合金圆柱试样与润滑剂的质量比为185：1。

取实施例4制得的产品按实施例1的实验方法，分别进行XRD测试、扫描电子显微测试及EBSD测试、力学性能测试，XRD测试结果如图6所示，本发明的产品，其金属块体X射线图以面间距D值、Bragg交(2θ)、相对强度的百分比I(％)以及强度(I值)晶型表达，如下表所示，表中US代表钛合金回转件上表面，CS代表钛合金横截面：

电子背散射(EBSD)测试结果表明本品同实施例1样品具有相同峰位。力学性能测试结果表明其洛氏硬度HRA达到49.4～55.2，抗压屈服强度达到181MPa。

实施例5：

将实施例1、2、3、4所制得的样品进行显微硬度分布，样品的中心位置标记为0，边缘位置标记为1。洛氏硬度测量选取载荷60千克，保压5秒，实验结果见下表：

产品的显微硬度分布表(洛氏硬度HRA)

位置\温度(℃)	800	900	1000	1200
					0	55.2	55.9	56.2	52.6
1//8	54	56.2	55.7	52.5
					1//4	55.1	56.5	57.4	55
3//8	54.8	57.3	57.4	55.2
					1//2	53.8	56.3	55.3	54
5//8	54.4	56.2	53.7	54.1
					3//4	54.1	55.8	54.6	53.4
7//8	53	55.4	52.9	52.5
					1	50.1	53.2	47.7	49.4

由表格可以看出，800℃，900℃的试样的硬度较高；从位置分布看，由试样中心到试样边缘，硬度先上升后下降，在试样1/2处硬度最高。

实施例6：

为了确定摆碾锻造对成形性能提高的效果。在相同的工艺条件下进行了单轴锻造实验。单轴锻造的坯料尺寸、成形温度、变形速率、额定载荷、润滑状况等都与摆碾锻造处于同等条件。在与实施例1、2、3、4相同的工艺条件下，制得的结果同实施例1、2、3、4所制得的产品进行形貌对比，由图2可知，摆碾成形压制出的产品较单轴锻造的产品都明显更薄，这说明摆碾锻造可以获得更大的变形量，即显著提高产品的成形性能。

在获得的摆碾产品上在1/2处沿轴向截取直径为3mm、长径比为1.5的压缩试样，利用WDW-100M型万能试验机对试样进行压缩测试，应变速率为10^-3/s，获得等压缩应力应变曲线。

实施例7：

将TC4钛合金在摆碾锻造和单轴锻造下不同成形温度进行对比，最终真应变曲线如图9所示，由图可知，在室温下，摆碾锻造和单向锻造两种样品在低变形下均断裂。摆碾锻造的最终真应变仅为41％，略大于单向锻造(40％)。这表明摆碾锻造对室温成形性能的影响很小。当温度升高到800℃时，在动态再结晶温度附近，摆碾锻造的最终应变增加到177.2％，远大于单向锻造的最终应变(125.5％)。随着温度的升高，摆碾锻造在改善成形性方面的优越性也显著。在900℃、1000℃和1200℃时，摆碾锻造样品的真应变分别增加到194.9％和189.5％和198.4％，远大于单向锻造样品的真应变(分别为130.1％、135.4％和152.6％)，因此，摆碾锻造成形得到的真应变明显高于单轴锻造。

Claims

1.一种钛合金回转件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）前处理：

将TC4钛合金圆柱试样放入高温箱式炉中，设置温度为800~1200℃保温30~35分钟，取出，备用；所述TC4钛合金圆柱试样的尺寸为Φ28~32×38~42mm；

（2）摆动碾压

将前处理后的TC4钛合金圆柱试样置于摆碾机中，然后在TC4钛合金圆柱试样上加入润滑剂，设置摆头转速为190~210r/min，摆碾角为2~4°，垂直下压速度为7~9mm/s，试样碾压终点是压机压力达到200T为止；所述润滑剂是由猪油、石墨、二硫化钼、氮化硼、氧化铝混合组成，其质量比为87~91:4~6:2~4:1~3:0.9~1.1；所述TC4钛合金圆柱试样与润滑剂的质量比为180~200：1；

制得的TC4钛合金回转件在衍射角度2θ在35.1±0.2°、38.7±0.2°、40.5±0.2°、53.4±0.2°、63.7±0.2°处有衍射峰。

2.如权利要求1所述一种钛合金回转件的制备方法，其特征在于：所述TC4钛合金回转件具有晶型结构，其上表面晶型在衍射角度2θ的吸收强度由强至弱依次为38.7±0.2°处的衍射峰、40.5±0.2°处的衍射峰、53.4±0.2°处的衍射峰、35.1±0.2°处的衍射峰、63.7±0.2°处的衍射峰。

3.如权利要求2所述一种钛合金回转件的制备方法，其特征在于：所述TC4钛合金回转件横截面晶型在衍射角度2θ的吸收强度由强至弱依次为40.5±0.2°处的衍射峰、38.7±0.2°处的衍射峰、53.4±0.2°处的衍射峰、35.1±0.2°处的衍射峰、63.7±0.2°处的衍射峰。