CN109226622A - 一种具有高强度高韧性的ta15钛合金锻件锻造成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料加工技术领域，具体公开了一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，包括以下步骤：一、自由锻制坯：步骤一，将坯料在Tβ‑30℃～Tβ‑50℃预热，保温；步骤二，坯料出炉进行自由锻造；二、模锻：步骤一，将坯料在Tβ‑30℃～Tβ‑50℃预热，保温；步骤二，坯料出炉进行模锻；步骤三，将坯料在Tβ‑10℃～Tβ‑30℃预热，保温；步骤四，坯料出炉进行最后一火次模锻；三、热处理。通过上述方法即得具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件。该锻造成型方法可获得具有高强度‑塑性‑韧性‑冲击匹配的TA15钛合金锻件，广泛用于飞机机身机构件，提高飞机的使用性能和服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法。
背景技术
TA15钛合金是一种高Al当量的近α钛合金，其名义化学成分(wt％)为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。该合金具有中等的室温和高温强度、良好的热稳定性和焊接性能。TA15钛合金主要制造500℃以下长时间工作的飞机承力零部件。
相应飞机型号标准和行业标准规定TA15钛合金飞机结构锻件的抗拉强度需≥930MPa，冲击≥40J/cm2，断裂韧性≥60MPa.m1/2。在实际生产中，采用传统的锻造工艺存在以下方面的问题：1)随着TA15钛合金原材料生产用海绵钛生产工艺的提升，海绵钛的品质和纯洁度有了大幅度提高，海绵钛中的O、N等化学元素含量降低，造成生产锻件用的TA15钛合金棒材中的O、N等化学元素含量较低，靠近标准范围下限，而O、N等元素含量的偏低对锻件强度造成了较大的不利影响，使得生产出的锻件的抗拉强度勉强符合标准要求或者甚至不合格，因此需优化锻造工艺和热处理工艺，在原材料化学成分对锻件强度不利的情况下，提高锻件的强度水平和获得较佳的强度-韧性匹配；2)由于TA15钛合金合金化程度低，β稳定元素含量相对较小，因此一般认为TA15钛合金是一种非热处理强化钛合金，在热处理制度的制定上，传统锻造工艺均采用普通退火的热处理制度，失去了通过热处理调节和提高TA15钛合金强度和韧性的机会。但通过试验表明，采用固溶或固溶+时效这种强化热处理工艺代替传统的普通退火工艺，能够将TA15钛合金的强度提高30-60MPa，相比于其它高合金化钛合金，其强化效果虽然较弱，但也在相当程度上可以解决TA15钛合金锻件强度不合格或富裕度不高的问题，也是非常值得采用，能够解决实际问题的一种热处理工艺；3)相应飞机型号标准和行业标准对TA15钛合金显微组织初生α相的含量规定较宽，因此在传统锻造工艺制定时，一般所有锻造火次均采用统一的坯料加热温度，加热温度的选择范围一般为Tβ-30℃～Tβ-50℃，使得最终锻件的显微组织初生α相含量一般在40％左右，这种金相组织初生α相含量不能使得锻件达到最佳的强度和韧性匹配。但通过试验表明，对于TA15钛合金锻件，其显微组织初生α相含量在20％～30％时，能够获得较高的强度和较佳的强度和韧性匹配。因此在锻造中采用前几火次Tβ-30℃～Tβ-50℃的较低加热温度，最后一火次Tβ-10℃～Tβ-30℃的较高加热温度的锻造工艺，可将其显微组织初生α相含量控制在20％～30％的范围内，以获得较高的强度和较佳的强度和韧性匹配。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，通过创新性的锻造工艺参数和热处理参数的优化和匹配，可获得具有超高强度-塑性-韧性-冲击-疲劳寿命匹配的TA15钛合金锻件，可广泛用于飞机的机身承力框、梁等关键承力结构件，显著提高飞机的使用性能和服役寿命。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，包括以下步骤：
一、自由锻制坯
步骤一，坯料的预热保温：将TA15钛合金坯料置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-30℃～Tβ-50℃，炉温达到预热温度后保温，得预热坯料；
步骤二，自由锻造：将所述预热坯料出炉进行自由锻造，所述自由锻后散开并进行空冷，得自由锻坯料；
二、模锻
步骤一，坯料的预热保温：将自由锻得到的坯料置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-30℃～Tβ-50℃，炉温达到预热温度后保温，得预热坯料；
步骤二，模锻：将所述预热坯料出炉进行模锻(除最后一火之外的前几个火次)，模锻后散开并进行空冷。所述模锻后锻件应留有一定的欠压，保证最后一火次模锻时锻件有一定的变形量；
步骤三，坯料最后一火预热保温：将步骤二得到的锻件置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-10℃～Tβ-30℃，炉温达到预热温度后保温；
步骤四，最后一火次模锻：将所述预热坯料出炉进行最后一火次模锻，模锻后散开并进行空冷，得锻件；
三、热处理
将锻件进行固溶或固溶+时效热处理。
本发明的特点和进一步的改进在于：
优选的，所述自由锻制坯步骤一和所述模锻步骤一、步骤三中，所述保温的时间为t分钟，t＝η×δmax；其中，η为坯料的加热系数，η的取值为0.6～1.0；δmax为坯料的最大截面厚度，单位为mm。
优选的，所述自由锻制坯步骤二和所述模锻步骤二中，单火次锻造变形量为10％～30％；所述模锻步骤四中，单火次锻造变形量为20％～40％。
优选的，所述模锻步骤二、步骤四，锻造速度为1mm/s-10mm/s。
优选的，所述自由锻制坯步骤二和所述模锻步骤二、步骤四，预先对所使用的锻锤或模具进行预热。
进一步优选的，锻锤或模具的预热温度为200～350℃。
优选的，所述模锻步骤二和步骤四，预先在模具上喷涂水性石墨乳。
优选的，所述自由锻制坯步骤一和所述模锻步骤一、步骤三，入炉加热前首先在所述TA15钛合金坯料上喷涂防护润滑剂，再置于电阻炉中加热。
优选的，所述自由锻制坯步骤二和所述模锻步骤二、步骤四中，所述自由锻或模锻的终锻温度大于等于800℃。
优选的，所述热处理固溶是将所述锻件加热至750℃～900℃，保温1-4h后，散开空冷。
进一步优选的，所述固溶冷却方式为风冷。
优选的，所述热处理时效是将所述固溶后的锻件加热至550℃～650℃，保温2-10h后，散开空冷。
进一步优选的，所述时效冷却方式为风冷。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，该锻造成形方法可使TA15钛合金锻件的初生α相含量控制在20％～30％之间，得到最有利于TA15钛合金锻件强度和韧性指标匹配的组织类型，并且通过热处理制度的创新和参数的优化，在优良组织类型的基础上进一步同时提高TA15钛合金锻件的强度和韧性水平，得到具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件，可广泛用于飞机的机身承力框、梁等关键承力结构件，显著提高飞机的使用性能和服役寿命。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，包括以下步骤：
一、自由锻制坯
步骤一，坯料的预热保温：将按工艺规格下料得到的TA15钛合金φ300mm棒材喷涂防护润滑剂，置于有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃的电阻炉中预热，预热温度为Tβ-35℃，炉温达到预热温度后计算保温时间，加热系数η取0.8，保温时间为240min，保温后得预热坯料。
步骤二，自由锻造：将所述预热坯料出炉在自由锻快锻机上进行制坯，快锻机锻锤需提前预热至300℃，单火次锻造变形量控制在10～30％之间，终锻温度大于等于800℃，所述自由锻后散开并进行空冷。
制坯一火次完成，得自由锻坯料。
二、模锻
步骤一，坯料的预热保温：将自由锻得到的坯料喷涂防护润滑剂，置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-35℃，炉温达到预热温度后计算保温时间，加热系数η取0.8，坯料最大厚度为150mm，保温时间为120min，保温后得预热坯料。
步骤二，模锻：将所述预热坯料出炉进行模锻，模锻前将模具预热至350℃，并在模具型腔内喷涂水性石墨乳，模锻变形量控制在20％～30％之间，模锻速度为5mm/s，终锻温度大于等于800℃，模锻后散开并进行空冷。本次模锻后锻件留有10mm欠压量，以保证最后一火模锻时仍有25％的变形量。
步骤三，坯料最后一火预热保温：将步骤二得到的锻件喷涂防护润滑剂，置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-20℃，炉温达到预热温度后计算保温时间，加热系数η取0.8，锻件最大厚度为100mm，保温时间为80min。
步骤四，将所述预热坯料出炉进行模锻，模锻前将模具预热至350℃，并在模具型腔内喷涂水性石墨乳，模锻变形量控制在～25％，模锻速度为5mm/s，终锻温度大于等于800℃，模锻后散开并进行空冷，得锻件。
三、热处理
将模锻完成的锻件依次进行固溶、时效热处理，其中，固溶处理的过程具体为：把锻件加热到850℃保温3h后散开空冷；时效处理的过程具体为：把固溶完成的锻件加热到600℃保温6h，空冷。热处理之后即得具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件。
实施例2
一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，包括以下步骤：
一、自由锻制坯
步骤一，坯料的预热保温：将按工艺规格下料得到的TA15钛合金φ350mm棒材，置于有效工作区的最大温度偏差不大于±10℃的电阻炉中预热，预热温度为Tβ-45℃，炉温达到预热温度后计算保温时间，加热系数η取0.6，保温时间为210min，保温后得预热坯料。
步骤二，自由锻造：将所述预热坯料出炉在自由锻快锻机上进行制坯，快锻机锻锤需提前预热至250℃，单火次锻造变形量控制在10～20％之间，终锻温度大于等于850℃，所述自由锻后散开并进行空冷。
制坯两火次完成，第二火重复上述步骤一和步骤二，得自由锻坯料。
二、模锻
步骤一，坯料的预热保温：将自由锻得到的坯料喷涂防护润滑剂，置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-45℃，炉温达到预热温度后计算保温时间，加热系数η取0.6，坯料最大厚度为130mm，保温时间为78min，保温后得预热坯料。
步骤二，模锻：将所述预热坯料出炉进行模锻，模锻前将模具预热至300℃，并在模具型腔内喷涂水性石墨乳，模锻变形量控制在20％～30％之间，模锻速度为3mm/s，终锻温度大于等于850℃，模锻后散开并进行空冷。本次模锻后锻件留有15mm欠压量，以保证最后一火模锻时仍有30％的变形量。
步骤三，坯料最后一火预热保温：将步骤二得到的锻件喷涂防护润滑剂，置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-15℃，炉温达到预热温度后计算保温时间，加热系数η取0.6，锻件最大厚度为100mm，保温时间为60min。
步骤四，将所述预热坯料出炉进行模锻，模锻前将模具预热至300℃，并在模具型腔内喷涂水性石墨乳，模锻变形量控制在～30％，模锻速度为3mm/s，终锻温度大于等于850℃，模锻后散开并进行空冷，得锻件。
三、热处理
将模锻完成的锻件依次进行固溶、时效热处理，其中，固溶处理的过程具体为：把锻件加热到890℃保温3h后散开风冷；时效处理的过程具体为：把固溶完成的锻件加热到580℃保温8h，风冷。热处理之后即得具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件。
经理化测试，上述实施例1-2获得的TA15钛合金锻件显微组织初生α相含量均控制在20％～30％之间，其强度、塑性、韧性、冲击性能均较传统工艺锻件有较大提升，均可作为高质量的飞机承力结构件，确保了飞机对高质量、高性能承力框、梁等锻件的需求。
采用实施例1所提供的锻造成形方法和采用常规的传统锻造工艺所得到的TA15钛合金锻件的性能对比如表1所示。由表1可知，采用本发明所提供的锻造成型方法所得到的锻件的力学性能均优于采用传统锻造方法所得到的锻件。
表1不同锻造工艺生产的TA15钛合金锻件的性能
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (13)
1.一种具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、自由锻制坯，具体包括
步骤一，坯料的预热保温：将TA15钛合金坯料置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-30℃～Tβ-50℃，炉温达到预热温度后保温，得预热坯料；
步骤二，自由锻造：将所述预热坯料出炉进行自由锻造，所述自由锻后散开并进行空冷，得自由锻坯料；
二、模锻，具体包括
步骤一，坯料的预热保温：将自由锻得到的坯料置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-30℃～Tβ-50℃，炉温达到预热温度后保温，得预热坯料；
步骤二，模锻：将所述预热坯料出炉进行模锻(除最后一火之外的前几个火次)，模锻后散开并进行空冷。所述模锻后锻件应留有一定的欠压，保证最后一火次模锻时锻件有一定的变形量；
步骤三，坯料最后一火预热保温：将步骤二得到的锻件置于电阻炉中预热，预热温度为Tβ-10℃～Tβ-30℃，炉温达到预热温度后保温；
步骤四，最后一火次模锻：将所述预热坯料出炉进行最后一火次模锻，模锻后散开并进行空冷，得锻件；
三、热处理，具体包括
将锻件进行固溶或固溶+时效热处理。
2.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述自由锻制坯步骤一和所述模锻步骤一、步骤三中，所述保温的时间为t分钟，t＝η×δmax；其中，η为坯料的加热系数，η的取值为0.6～1.0；δmax为坯料的最大截面厚度，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述自由锻制坯步骤二和所述模锻步骤二中，单火次锻造变形量为10％～30％；所述模锻步骤四中，单火次锻造变形量为20％～40％。
4.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述模锻步骤二、步骤四，锻造速度为1mm/s-10mm/s。
5.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述自由锻制坯步骤二和所述模锻步骤二、步骤四，预先对所使用的锻锤或模具进行预热。
6.根据权利要求5所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，锻锤或模具的预热温度为200～350℃。
7.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述模锻步骤二和步骤四，预先在模具上喷涂水性石墨乳。
8.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述自由锻制坯步骤一和所述模锻步骤一、步骤三，入炉加热前首先在所述TA15钛合金坯料上喷涂防护润滑剂，再置于电阻炉中加热。
9.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述自由锻制坯步骤二和所述模锻步骤二、步骤四中，所述自由锻或模锻的终锻温度大于等于800℃。
10.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述热处理固溶是将所述锻件加热至750℃～900℃，保温1-4h后，散开空冷。
11.根据权利要求10所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，更优选的，所述固溶冷却方式为风冷。
12.根据权利要求1所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，所述热处理时效是将所述固溶后的锻件加热至550℃～650℃，保温2-10h后，散开空冷。
13.根据权利要求12所述的具有高强度高韧性的TA15钛合金锻件锻造成形方法，其特征在于，更优选的，所述时效冷却方式为风冷。
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