CN109504874B - 一种Ti3Al合金螺栓的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种Ti3Al合金螺栓的制备方法，该方法包括的步骤如下：杆料成型、固溶处理、机加工、镦头、螺纹加工、真空时效，与现有技术相比，该螺栓制备工艺简单，性能优异，尤其在600℃～700℃高温下，其拉伸和剪切强度显著高于普通钛合金螺栓，密度约4.9g/cm3显著低于目前同温度下使用的高温合金。

Description

一种Ti3Al合金螺栓的制备方法
技术领域
本发明是一种Ti3Al合金螺栓的制备方法，属于紧固件技术领域。
背景技术
作为紧固件和连接件，螺栓是在工业生产中必不可少的一部分，被称为工业之米。随着航空航天工业的进一步发展，螺栓使用的环境越来越恶劣，不仅要承受航天器加速时的巨大载荷还处于较高的工作温度。若采用普通材质的螺栓，其高温力学性能难以达到设计要求，而使用Ni基Fe基等高温合金又将造成航天器自重增加，从而降低其运载能力。钛合金由于其优异的比强度和耐腐蚀性能大量应用于航空航天工业，但常规钛合金工作温度一般不高于600℃。 Ti3Al合金在600℃以上的环境中拥有优于常规钛合金拉伸、剪切、蠕变以及抗氧化性能，是未来新一代航空航天紧固件的理想材料。
Ti3Al合金相转变复杂，通常状态下材料呈脆性塑性低，塑性加工难度高，而机加工螺纹和螺栓头部对原料损耗大，经济效益低。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种Ti3Al合金螺栓的制备方法，其目的是通过合理安排热处理与塑性加工工艺，可加工出性能优异、组织均匀的Ti3Al合金螺栓。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种Ti3Al合金螺栓的制备方法，其特征在于：该方法使用的Ti3Al合金的化学成分及重量百分比为：
Al：10.5％～13.5％，Nb：26.0％～31.0％，Mo：1.5％～4.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中不可避免的杂质元素为Fe、Si、C、O、N、H，Fe≤0.3％， Si≤0.15％，C≤0.15％，O≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.0125％；该方法的步骤如下：
步骤一、杆料成型：将铸锭在快锻机上开坯锻造，拔长成直径不大于60mm 的圆棒，锻造温度1050℃～1100℃，然后将圆棒经由轧机热轧成螺栓杆料所需直径的棒材或线材，热轧温度为1050℃～1100℃，再截断成螺栓杆料所需的长度，得到螺栓杆料；
步骤二、固溶处理：将螺栓杆料在920℃～980℃的温度下保温60～90min；
步骤三、机加工：将螺栓杆料机加工得到光洁表面并将螺纹长度加工至滚丝前所需的直径；
步骤四、镦头：对螺栓杆料头部采用热墩头加工成型，加热温度为700℃～ 900℃；
步骤五、螺纹加工：为避免工件冷却降温和加工硬化导致的塑性降低，螺纹加工前采用感应加热方式将螺栓杆料加热到550℃～750℃，停止加热后的 10s内通过滚丝机加工出螺纹，得到螺栓；
步骤六、真空时效：将成型后的螺栓在800℃～850℃下时效60～90min，真空度≤0.01Pa。
进一步，步骤一中开坯锻造的每火次变形量超过30％。
进一步，步骤五中滚丝机的滚丝加工参数中的进给速度≥1.5mm/s。
本发明技术方案中，步骤三和步骤六是将固溶时效处理进行拆分形成分步操作方式，该种方式使螺栓杆料在固溶处理后达到该材料最好塑性状态时以进行螺栓成型，然后在成型后时效得到最佳高温性能。步骤五中的热加工成型螺纹的工艺可避免机加工对材料的浪费并得到优于机加工螺纹的流线组织，由于材料塑性对温度十分敏感,所以通过大量的试验研究，确定了步骤五中述的的加热区间，该加热区间既不影响后续时效相变，又可达到塑性加工要求，但对加工速率提出了较高要求，因为超出规定的时间后，螺纹滚丝后易产生大量缺陷。
另外，由于Ti3Al基合金的基体为α2相，属钛铝金属间化合物，具有极佳的高温性能，但由于其较高的加工难度，尚未在紧固件领域进行使用。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案做进一步描述。
该种Ti3Al合金螺栓的制备方法使用的Ti3Al合金的化学成分及重量百分比为：
Al：10.5％～13.5％，Nb：26.0％～31.0％，Mo：1.5％～4.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中不可避免的杂质元素为Fe、Si、C、O、N、H，Fe≤0.3％， Si≤0.15％，C≤0.15％，O≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.0125％；该方法的步骤如下：
步骤一、杆料成型：将铸锭在快锻机上开坯锻造，拔长成直径60mm的圆棒，锻造温度1000℃～1100℃，每火次变形量超过30％；然后将圆棒经由轧机热轧成螺栓杆料所需直径的棒材或线材，热轧温度为1000℃～1100℃，再截断成螺栓杆料所需的长度，得到螺栓杆料；
步骤二、固溶处理：将螺栓杆料在960℃的温度下保温60min；
步骤三、机加工：将螺栓杆料机加工得到光洁表面并将螺纹长度加工至滚丝前所需的直径；
步骤四、镦头：对螺栓杆料头部采用热墩头加工成型，加热温度为700℃～ 900℃；
步骤五、螺纹加工：为避免工件冷却降温和加工硬化导致的塑性降低，螺纹加工前采用感应加热方式将螺栓杆料加热到600℃～700℃，停止加热后的 10s内通过滚丝机加工出螺纹，得到螺栓；
滚丝机的滚丝加工参数中的进给速度≥1.5mm/s；
步骤六、真空时效：将成型后的螺栓在820℃下时效90min，真空度≤ 0.01Pa。
本发明与现有技术相比，螺栓制备工艺简单，性能优异，尤其在600℃～ 700℃高温下，其拉伸和剪切强度显著高于普通钛合金螺栓，密度约4.9g/cm3 显著低于目前同温度下使用的高温合金。

Claims (1)

1.一种Ti3Al合金螺栓的制备方法，其特征在于：该方法使用的Ti3Al合金的化学成分及重量百分比为：
Al：10.5％～13.5％，Nb：26.0％～31.0％，Mo：1.5％～4.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素；其中不可避免的杂质元素为Fe、Si、C、O、N、H，Fe≤0.3％，Si≤0.15％，C≤0.15％，O≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.0125％；该方法的步骤如下：
步骤一、杆料成型：将铸锭在快锻机上开坯锻造，拔长成直径不大于60mm的圆棒，锻造温度1050℃～1100℃，然后将圆棒经由轧机热轧成螺栓杆料所需直径的棒材或线材，热轧温度为1050℃～1100℃，再截断成螺栓杆料所需的长度，得到螺栓杆料；
步骤一中开坯锻造的每火次变形量超过30％；
步骤二、固溶处理：将螺栓杆料在920℃～980℃的温度下保温60～90min；
步骤三、机加工：将螺栓杆料机加工得到光洁表面并将螺纹长度加工至滚丝前所需的直径；
步骤四、镦头：对螺栓杆料头部采用热墩头加工成型，加热温度为700℃～900℃；
步骤五、螺纹加工：螺纹加工前采用感应加热方式将螺栓杆料加热到550℃～750℃，停止加热后的10s内通过滚丝机加工出螺纹，得到螺栓；
步骤五中滚丝机的滚丝加工参数中的进给速度≥1.5mm/s；
步骤六、真空时效：将成型后的螺栓在800℃～850℃下时效60～90min，真空度≤0.01Pa。
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