CN110814246B - 一种钛板坯的锻造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钛板坯的锻造工艺，包括以下步骤：锻前退火：将方坯置于真空加热炉中进行去应力退火，退火温度为750±10℃；锻前修坯：采用冷加工将方坯的六个面进行修平，表面平整度小于或等于2mm；锻前升温：升温至1000±20℃，保温4小时；三级锻造：对方坯的三个方向进行平砧锻压，直至一个方向的变形量大于或等于55%，终锻温度为850±20℃；锻后退火：锻件采用双重退火，第一退火温度为750±10℃，第二退火温度为935±10℃。通过本工艺能实现高质量的钛板坯锻造，提高钛合金板材的性能。

Description

一种钛板坯的锻造工艺
技术领域
本发明涉及钛合金制备领域，尤其涉及一种钛板坯的锻造工艺。
背景技术
TC4钛合金，即α+β型钛合金，是国际上一种通用的钛合金，其用量占钛合金总消耗量50%以上。在航空工业上、医疗领域及其他特殊领域（如低温领域）均有广泛使用。
其中钛合金板材是使用最为广泛的原材料，可以用于模具加工，带材的轧制，对钛板坯的锻造工艺，直接影响后续成品的质量。
其中锻造工艺较为复杂，因为前续与后续的热处理工艺有直接关联，不单单是锻造工艺的研发，还涉及到锻前锻后的热处理工艺。
有鉴于此，现提出一种钛板坯的锻造工艺，来提供质量更好的钛合金板材。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛板坯的锻造工艺，通过提供匹配锻前锻后的热处理工艺，以及新的锻造方法，从而实现将内部组织细化，提供钛合金的断裂韧性与塑性。
本发明采用的技术是：
一种钛板坯的锻造工艺，包括以下步骤：
锻前退火：将方坯置于真空加热炉中进行去应力退火，退火温度为750±10℃；
锻前修坯：采用冷加工将方坯的六个面进行修平，表面平整度小于或等于2mm；
锻前升温：升温至1000±20℃，保温4小时；
三级锻造：对方坯的三个方向进行平砧锻压，直至一个方向的变形量大于或等于55%，终锻温度为850±20℃；
锻后退火：锻件采用双重退火，第一退火温度为750±10℃，第二退火温度为935±10℃。
作为方案的进一步优化，三级锻造包括以下步骤：
一级锻压：依次对方坯进行平砧锻压，直至至少两个方向的变形量大于或等于20%；
二级锻压：对一级锻压中的变形量较大的两个方向进行平砧锻压，直至变形量大于或等于20%；
三级锻压：对二级锻压中的变形量最大的一个方向进行平砧锻压，直至变形量大于或等于15%。
作为方案的进一步优化，锻前升温包括以下步骤：
一级升温：自由升温至300±20℃，保温2小时；
二级升温：升温至600±20℃，保温2小时，升温速率小于或等于80℃/h；
三级升温：升温至800±20℃，保温2小时，升温速率小于或等于80℃/h；
四级升温：升温至1000±20℃，保温4小时，升温速率小于或等于60℃/h。
作为方案的进一步优化，锻后退火包括以下步骤：
第一重退火：阶梯式升温至750±10℃，保温6小时，降温，降温速率小于或等于60℃/h，阶梯温度点为200、500℃，阶梯保温时间为2小时；
第二重退火：阶梯式升温至935±10℃，保温6小时，降温，降温速率小于或等于60℃/h，阶梯温度点为200、500、800℃，阶梯保温时间为2小时。
作为方案的进一步优化，一级锻压包括以下步骤：
选向锻压：依次对方坯的三个方向施加相同锻压压力，确定三个变形量之间的大小关系，从小到大为X、Y、Z向，保证三个的变形量大于或等于5%；
两向锻压：依次对X、Y、Z三个方向进行锻压，保证Y、Z两个方向的变形量大于或等于15%。
作为方案的进一步优化，二级锻压中，依次对Y、Z两个方向进行锻压，每当一个方向的变形量大于或等于5%，进行另一个方向的锻压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过上述锻造方法，能针对晶向进行锻压方向的筛选，保证锻造的变形量足够大，各个方向均进行锻压，提高内部结构的细化程度。
通过合理锻前升温工艺，能使得方坯的温度均匀化，使得各个部分达到合适的锻造温度，有利于提供锻造效果，整体细化均匀性。
通过锻后的双重退火，保证α相充分结晶，保证锻造后的塑性与韧性不会下降。
附图说明
图1为本发明提供的一种钛板坯的锻造工艺的工艺流程图；
图2为本发明提供的一种钛板坯的锻造工艺的锻前升温的工艺流程图；
图3为本发明提供的一种钛板坯的锻造工艺的三级锻造的工艺流程图；
图4为本发明提供的一种钛板坯的锻造工艺的一级锻压的工艺流程图；
图5为本发明提供的一种钛板坯的锻造工艺的锻后退火的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
实施例1：
参照附图1-5所示，一种钛板坯的锻造工艺，包括以下步骤：
锻前退火：将方坯置于真空加热炉中进行去应力退火，退火温度为750±10℃；
锻前修坯：采用冷加工将方坯的六个面进行修平，表面平整度小于或等于2mm；
锻前升温：升温至1000±20℃，保温4小时；
三级锻造：对方坯的三个方向进行平砧锻压，直至一个方向的变形量大于或等于55%，终锻温度为850±20℃；
锻后退火：锻件采用双重退火，第一退火温度为750±10℃，第二退火温度为935±10℃；
板材修整：将退火完成锻件进行六面冷加工修整。
在钛合金的锻造工艺中，主要起到影响锻造质量的几大因素为锻造温度、锻造变形量及后续热处理，在配方确定的情况下，锻造的温度及变形量均已形成了较为完善的体系，其重点为如何通过合适的工艺，保证锻造工艺能符合标准。
由于坯料的厚度，加热设备等等的限制，实际的监控温度，并不代表坯料实际的温度，尤其是内部的温度。于是，锻前的热处理，是保证锻造质量的关键之一。
如图1所示，为本发明创造提出的锻造方法，通过完善锻前与锻后的热处理工艺，保证锻造的质量。为了提供锻压过程中变形量控制，提高变形量的控制精度，需要对方坯进行表面修整，防止表面凹凸与不平行，导致变形量的精度，因为变形量一般都是通过控制压力机的下压距离来进行反馈。因此表面平整是控制变形量的前提。
为了保证冷加工过程中，表面应力断裂的问题，通过锻前的去应力退火来实现。
由于方坯具有一定厚度，根据其厚度需要进行不同保温时间，结合实际的方坯大小，其保温时间不同，一般最大尺寸的方坯，其厚度一般在200mm左右，4小时的保温时间能保证方坯的内外温度达到均匀，保证各个区域的变形程度一致，有利于各个区域结构细化程度一致。
其锻压的变形量大于50%以上，一般指单一方向的变形量，或两个方向的变形量，为了保证大于50%，最低的变形量控制在55%,预留10%的测量偏差。
基于金属的晶向结构，原子的排列方向，在不同的方向上，其受力变形的程度有一定的区别，同时基于加热的均匀性，不同方向的变形难易存在差异。通过对三个方向进行锻压，确定最容易变形的方向进行锻压，直至其变形量满足要求，同时对另外两个方向需要进行锻压，保证结构应力减少，其锻压不要求满足变形量的要求，为了提供内部的均匀受力。
完成锻造后，通过双重退火来保证锻造的质量，其退火温度不能高于950℃，但需要满足再结晶温度。
完成退火后即可通过冷加工完成板材的加工，至此形成成套的锻造工艺。
实施例2：
本实施例通过对三级锻造进行细化，提供更加完善的工艺方法，能实现更好的选面锻造效果。
如图3所示，三级锻造包括以下步骤：
一级锻压：依次对方坯进行平砧锻压，直至至少两个方向的变形量大于或等于20%；
二级锻压：对一级锻压中的变形量较大的两个方向进行平砧锻压，直至变形量大于或等于20%；
三级锻压：对二级锻压中的变形量最大的一个方向进行平砧锻压，直至变形量大于或等于15%。
方坯具有三个可锻压的方向，传统的锻造只针对一面或两面进行锻压，其锻造效果不佳。在实施例1中已经阐述过，其锻造最佳应为对最容易的两个方向进行锻压，同时第三个方向也要施加锻压进行补充挤压。
因此需要采用一级锻压进行确认，更加具体为，通过对三个方向进行同等压力的施压，观察哪两个方向更好进行锻压，进行了展长锻压。由一个正方形坯料锻压成扁平的板材，主要对两个较容易锻压的方向进行挤压，以第三个方向进行辅助锻压，使得方坯在各个方向得到挤压。
之后通过完成筛选的两个方向进行进一步的二级锻压，选择更加容易锻压的一个方向完成三级锻压。在进行二级锻压的时候，只需要进行两个方向的锻压。
其中，一级锻压包括以下步骤：
选向锻压：依次对方坯的三个方向施加相同锻压压力，确定三个变形量之间的大小关系，从小到大为X、Y、Z向，保证三个的变形量大于或等于5%；
两向锻压：依次对X、Y、Z三个方向进行锻压，保证Y、Z两个方向的变形量大于或等于15%。
也就是说，一级锻压对X、Y、Z三个方向进行锻压，主要对Y、Z两个方向进行锻压，对X方向为辅。而在二级锻压中，采用Z方向为主，Y方向为辅的锻压方式。在三级锻压中，只对Z方向进行锻压，至此完成了满足变形量要求的锻造。
作为方案的进一步优化，二级锻压中，依次对Y、Z两个方向进行锻压，每当一个方向的变形量大于或等于5%，进行另一个方向的锻压。
在进行二级锻压的时候，主要通过交替锻压的方式，保证两个方向进行充分的锻压，完成展长锻压。
通过合理的选面进行锻压，保证能完成变形量的锻压要求，避免多次回炉加热反复锻压。
实施例3：
在本实施例中，通过提供一个详细的锻前升温工艺，保证锻前方坯的温度整体足够均匀，满足高质量锻造工艺需求。
如图2所示，锻前升温包括以下步骤：
一级升温：自由升温至300±20℃，保温2小时；
二级升温：升温至600±20℃，保温2小时，升温速率小于或等于80℃/h；
三级升温：升温至800±20℃，保温2小时，升温速率小于或等于80℃/h；
四级升温：升温至1000±20℃，保温4小时，升温速率小于或等于60℃/h。
方坯的温度均匀性，依靠的是升温速率平均，保温时间足够长，即可以满足升温需求。为了合理控制升温时间与能耗，通过阶梯式升温，能有效实现方坯的内外温度一致，具体为，在最后升至高温区，采用更慢的升温速率与更长的保温时间，以上升温速率针对于厚度在200mm左右的方坯，厚度增加，可以参考本工艺进行延长保温时间与降低升温速率来实现。
实施例4：
如图5所示，锻后退火包括以下步骤：
第一重退火：阶梯式升温至750±10℃，保温6小时，降温，降温速率小于或等于60℃/h，阶梯温度点为200、500℃，阶梯保温时间为2小时；
第二重退火：阶梯式升温至935±10℃，保温6小时，降温，降温速率小于或等于60℃/h，阶梯温度点为200、500、800℃，阶梯保温时间为2小时。
类比于锻前升温，采用阶梯式升温进行退火，其升温速率与锻前升温也类似，应小于或等于80℃/h，减少内外温差的产生。退火的保温时间越长，升降温速率越慢，其退火效果越好，这是退火的基础知识，因此，针对于上述实施例中完成锻压的方坯，采用上述双重退火工艺能满足要求，重点是采用阶梯式升温来保证温度的均匀性，其升温速率与保温时间仅作为本实施例中的一个参考。主要技术创新在于，锻后进行退火，实行双重退火，并采用阶梯式升温。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种钛板坯的锻造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
锻前退火：将方坯置于真空加热炉中进行去应力退火，退火温度为750±10℃；
锻前修坯：采用冷加工将方坯的六个面进行修平，表面平整度小于或等于2mm；
锻前升温：升温至1000±20℃，保温4小时；
三级锻造：对方坯的三个方向进行平砧锻压，直至一个方向的变形量大于或等于55%，终锻温度为850±20℃；
锻后退火：锻件采用双重退火，第一退火温度为750±10℃，第二退火温度为935±10℃；
所述三级锻造包括以下步骤：
一级锻压：依次对方坯的三个方向进行平砧锻压，直至至少两个方向的变形量大于或等于20%；
二级锻压：对一级锻压中的变形量较大的两个方向进行平砧锻压，直至变形量大于或等于20%；
三级锻压：对二级锻压中的变形量最大的一个方向进行平砧锻压，直至变形量大于或等于15%。
2.根据权利要求1所述的一种钛板坯的锻造工艺，其特征在于，所述锻前升温包括以下步骤：
一级升温：自由升温至300±20℃，保温2小时；
二级升温：升温至600±20℃，保温2小时，升温速率小于或等于80℃/h；
三级升温：升温至800±20℃，保温2小时，升温速率小于或等于80℃/h；
四级升温：升温至1000±20℃，保温4小时，升温速率小于或等于60℃/h。
3.根据权利要求2所述的一种钛板坯的锻造工艺，其特征在于，所述锻后退火包括以下步骤：
第一重退火：阶梯式升温至750±10℃，保温6小时，降温，降温速率小于或等于60℃/h，阶梯温度点为200、500℃，阶梯保温时间为2小时；
第二重退火：阶梯式升温至935±10℃，保温6小时，降温，降温速率小于或等于60℃/h，阶梯温度点为200、500、800℃，阶梯保温时间为2小时。
4.根据权利要求1或3所述的一种钛板坯的锻造工艺，其特征在于，所述一级锻压包括以下步骤：
选向锻压：依次对方坯的三个方向施加相同锻压压力，确定三个变形量之间的大小关系，从小到大为X、Y、Z向，保证三个方向的变形量大于或等于5%；
两向锻压：依次对X、Y、Z三个方向进行锻压，保证Y、Z两个方向的变形量大于或等于15%。
5.根据权利要求4所述的一种钛板坯的锻造工艺，其特征在于，所述二级锻压中，依次对Y、Z两个方向进行锻压，每当一个方向的变形量大于或等于5%，进行另一个方向的锻压。
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