CN110918752A - 一种Ti2AlNb基合金材料的热旋压成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及Ti2AlNb基合金材料塑性成形技术领域，尤其涉及一种Ti2AlNb基合金材料的热旋压成形方法。当Ti2AlNb基合金坯料的累积减薄率达到45～55％后，Ti2AlNb基合金坯料的相含量和相比例会发生较大幅度的改变，延伸率大大下降，难以满足后续道次旋压的要求，本发明通过进行道次间热处理，不但可有效去除前面道次旋压过程中坯料内产生的加工硬化和残余内应力，而且可以调控Ti2AlNb基合金的组织形貌和相分布，从而提高坯料的延伸率，以满足后续旋压过程的要求，避免多道次旋压时工件开裂，最终成形出壁厚均匀性较好、成形精度高的旋压工件。

Description

一种Ti2AlNb基合金材料的热旋压成形方法
技术领域
本发明涉及Ti2AlNb基合金材料塑性成形技术领域，尤其涉及一种Ti2AlNb基合金材料的热旋压成形方法。
背景技术
Ti2AlNb基合金具有强度高、抗腐蚀性好、耐高温、无磁性、高韧性、可焊性好等优良特性，是一类新型轻质高性能结构材料。因此，Ti2AlNb基合金在航空、航天、兵器和汽车等领域具有广阔的应用前景。
然而，Ti2AlNb基合金室温塑性差、成形温度高，使得其广泛应用一直难以实现。旋压成形是一种先进的薄壁回转类零件制造技术，通过该加工方法获得的产品具有如下特性：少无切削加工、精度高、流线连续且性能优良等。Ti2AlNb基合金材料为多相材料，其中包括α2相、O相以及B2相，Ti2AlNb基合金材料的力学性能和加工性能与相组成、相含量密切相关，Ti2AlNb基合金热加工窗口狭窄，对温度和应变速率较为敏感。在Ti2AlNb基合金材料旋压成形过程中，为了提高材料的变形能力，同时降低变形抗力、提高成形质量及成形效率，常常需要采用热旋成形工艺进行加工。
目前热旋成形工艺的加热方式以火焰加热为主，使用火焰喷枪分别加热芯轴、坯料和旋轮，具有加热方法简单、加热效率高和温度范围大等优点。而火焰加热方式存在加热温度波动大且加热精度低等缺点，致使Ti2AlNb基合金材料的相含量、相比例在旋压过程中发生较大幅度的改变；相含量、相比例的改变会导致Ti2AlNb基合金材料的高温延伸率大幅下降，无法满足下一道次旋压的要求，旋压过程中会产生裂纹，进而导致旋压失败。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ti2AlNb基合金材料的热旋压成形方法，在多道次旋压过程中，通过对Ti2AlNb基合金进行道次间热处理以调控组织形貌和相含量比例，可满足后续道次的旋压性能需求并提高旋压件成形质量。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Ti2AlNb基合金的热旋压成形方法，包括以下步骤：
(1)将Ti2AlNb基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，进行热旋压，当第N道次热旋压后的累积减薄率达到45～55％时，停止热旋压；
(2)对第N道次热旋压后的Ti2AlNb基合金坯料进行热处理，得到热处理后的旋压坯；所述热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为900～1200℃，时间为1～4h；所述时效处理的温度为500～850℃，时间为4～12h；
(3)对所述热处理后的旋压坯进行第N+1道次热旋压；
(4)重复进行所述步骤(3)0次以上，直至满足壁厚要求；
其中，N为1以上的整数。
优选的，整个热旋压过程，Ti2AlNb基合金坯料总的减薄率在90％以下。
优选的，所述热旋压时每道次的减薄率为10～55％。
优选的，所述热处理在真空条件下进行，真空度在10Pa以下。
优选的，第1道次和第N+1道次热旋压前，还包括：将芯轴和旋压机的旋轮加热至100～350℃，保温3～5min；将Ti2AlNb基合金坯料预热至350～500℃，保温3～5min。
优选的，所述热旋压时，Ti2AlNb基合金坯料的温度为900～1000℃。
优选的，所述热旋压时，旋压机芯轴的转速为50～300转/分钟，旋轮的进给比为0.3～3.3毫米/转。
优选的，所述热旋压时，采用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度情况。
优选的，所述Ti2AlNb基合金坯料包括Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金坯料或Ti-22Al-25Nb合金坯料。
本发明提供了一种Ti2AlNb基合金的热旋压成形方法，包括以下步骤：(1)将Ti2AlNb基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，进行热旋压，当第N道次热旋压后的累积减薄率达到45～55％时，停止热旋压；(2)对第N道次热旋压后的Ti2AlNb基合金坯料进行热处理，得到热处理后的旋压坯；所述热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为900～1200℃，时间为1～4h；所述时效处理的温度为500～850℃，时间为4～12h；(3)对所述热处理后的旋压坯进行第N+1道次热旋压；(4)重复进行所述步骤(3)0次以上，直至满足壁厚要求；其中，N为1以上的整数。
当Ti2AlNb基合金坯料的累积减薄率达到45～55％后，Ti2AlNb基合金坯料的相含量和相比例会发生较大幅度的改变，延伸率大大下降，难以满足后续道次旋压的要求，本发明通过进行道次间热处理，不但可有效去除前面道次旋压过程中坯料内产生的加工硬化和残余内应力，而且可以调控Ti2AlNb基合金的组织形貌和相分布，从而提高坯料的延伸率，以满足后续旋压过程的要求，避免多道次旋压时工件开裂，最终成形出壁厚均匀性较好，成形精度高的旋压工件。
附图说明
图1为实施例1中Ti-22Al-24Nb-0.5Mo旋压件的成形过程示意图；
图2为实施例1步骤三第1道次旋压后的坯料和步骤七时效处理后的旋压坯的背散射扫描电镜图；
图3为实施例2中Ti-22Al-25Nb旋压件的成形过程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种Ti2AlNb基合金的热旋压成形方法，包括以下步骤：
(1)将Ti2AlNb基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，进行热旋压，当第N道次热旋压后的累积减薄率达到45～55％时，停止热旋压；
(2)对第N道次热旋压后的Ti2AlNb基合金坯料进行热处理，得到热处理后的旋压坯；所述热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为900～1200℃，时间为1～4h；所述时效处理的温度为500～850℃，时间为4～12h；
(3)对所述热处理后的旋压坯进行第N+1道次热旋压；
(4)重复进行所述步骤(3)0次以上，直至满足壁厚要求；
其中，N为1以上的整数。
本发明将Ti2AlNb基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，进行热旋压，当第N道次热旋压后的累积减薄率达到45～55％时，停止热旋压。
本发明对所述Ti2AlNb基合金坯料的具体组成没有特殊要求，本领域熟知的Ti2AlNb基合金均可，具体的，所述Ti2AlNb基合金坯料优选包括Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金坯料或Ti-22Al-25Nb合金坯料。本发明对所述Ti2AlNb基合金坯料的形状和规格没有特殊要求，本领域技术人员可根据实际需要进行常规选择。需要说明的是，当目标件为锥形结构，在进行多道次旋压过程中需要更换芯轴(如实施例1)，以适应下一道次的旋压；当目标件为筒形结构，在进行多道次旋压过程中无需更换芯轴(如实施例2)，后续不再赘述。
在本发明中，所述芯轴的材质优选为高温合金，本发明对所述高温合金的具体种类没有特殊要求，选择本领域技术人员熟知的高温合金即可。本发明对所述Ti2AlNb基合金坯料固定于芯轴上的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的固定方式即可。
进行第1道次热旋压前，本发明优选将芯轴和旋压机的旋轮加热至100～350℃；将Ti2AlNb基合金坯料预热至350～500℃，保温3min。本发明优选采用火焰枪加热芯轴、旋轮和坯料，并采用红外热成像仪监控预热过程中坯料各区域温度变化；所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息调整感应涡流线圈的输出功率，使坯料的温度保持在350～500℃。在本发明中，所述火焰枪优选采用氧气-丙烷(或乙炔)火焰；所述旋轮的材质优选为热作模具钢或W18Cr4V高速钢。
当第N道次热旋压后的累积减薄率达到45～55％时，本发明停止热旋压，其中，N为1以上的整数。在本发明中，当N为1时，即经历1次热旋压减薄率即可达到45～55％，此时停止热旋压；当N为大于1的整数时，即本发明通过多道次热旋压才可使坯料的累积减薄率达到45～55％。本发明热旋压过程中，每道次的减薄率优选为10～55％，更优选为10～30％。
无论是进行1道次还是多道次旋压，进行热旋压时，所述Ti2AlNb基合金坯料的温度优选为900～1000℃，更优选为920～980℃；所述旋压机芯轴的转速优选为50～300转/分钟，更优选为100～250转/分钟，旋轮的进给比优选为0.3～3.3毫米/转，更优选为1.0～2.5毫米/转。所述热旋压时，本发明优选采用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度情况。在本发明中，所述红外热成像仪将测得的温度信息反馈给控温系统，控温系统根据所得的温度信息调整感应涡流线圈的输出功率，使待旋区的温度保持在900～1000℃。在本发明中，所述待旋区指的是距旋轮前方40mm以内的区域。本发明采用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度情况有利于防止热旋压时坯料的温度大幅变化，进而导致相含量、相比例大幅变化。
当第N道次热旋压后的累积减薄率达到45～55％后，本发明对第N道次热旋压后的Ti2AlNb基合金坯料进行热处理，得到热处理后的旋压坯。
在本发明中，所述热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为900～1200℃，优选为1000～1100℃，时间为1～4h，优选为2～3h；所述时效处理的温度为500～850℃，优选为600～800℃，时间为4～12h，优选为6～10h。在本发明中，所述热处理优选在真空条件下进行，真空度优选在10Pa以下。本发明优选将第N道次热旋压后的Ti2AlNb基合金坯料在室温下放入真空炉中，抽真空后，以5～10℃/min的速率升温至固溶处理的温度，进行固溶处理，之后关闭真空炉加热开关，随炉冷却至时效处理的温度，打开加热开关，维持炉温在时效处理的温度，进行时效处理。
本发明的固溶处理，将拉长的α2相、O相、B2相等轴化处理，同时将一定比例的粗大O相固溶进B2相，以减小材料内部总的晶界长度，减小高温断裂时的裂纹萌生点，固溶处理后，Ti2AlNb基合金坯料中的B2相基体上分布的是近等轴的α2和O相。时效处理后，B2相基体上会有细小的针状O相析出，同时也能在α2相周围观察到Rim-O相，细小针状的O相能够大幅提高坯料的高温延伸率，以满足后续热旋压过程的要求，避免多道次旋压时工件开裂，最终成形出壁厚均匀性较好，成形精度高的旋压工件。
完成热处理后，本发明对所述热处理后的旋压坯进行第N+1道次热旋压。
在本发明中，进行第N+1道次热旋压前的操作优选同前述第1道次热旋压前的操作过程，所述热旋压过程的具体条件优选同前述热旋压过程的条件，这里不再赘述。在本发明中，所述第N+1道次热旋压的减薄率优选为10～55％，更优选为10～30％。
完成第N+1道次热旋压后，本发明重复热旋压过程0次以上，直至满足壁厚要求。当第N+1道次热旋压能够减薄到目标厚度时，本发明无需进行第N+2道次热旋压，即重复次数为0；当第N+1道次热旋压后不满足总减薄率的要求时，本发明进行第N+2道次热旋压，即重复次数为1。所述第N+2道次热旋压过程的具体条件优选同前述热旋压过程的条件，这里不再赘述。在本发明中，所述第N+2道次热旋压的减薄率优选为10～55％，更优选为10～30％。
当第N+2道次热旋压后仍不满足总减薄率的要求时，本发明进行第N+3道次热旋压，即重复次数为2，如此重复，直至满足壁厚要求。在重复多道次旋压的过程中，每道次的减薄率优选为10～55％，更优选为10～30％。在本发明中，Ti2AlNb基合金坯料总的减薄率优选在90％以下，进一步优选为55～90％，更优选为60～80％。
下面结合实施例对本发明提供的Ti2AlNb基合金的热旋压成形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
Ti2AlNb基合金选择Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金，板坯原始厚度为6mm，目标厚度为1.5mm，总减薄率为75％。图1为本实施例的成形过程示意图，其中，N＝1，具体步骤如下：
步骤一：将第1道次Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金板坯安装在旋压机的锥形芯轴上。
旋压机的旋轮所用钢的材质为W18Cr4V高速钢，旋压芯轴采用铸造高温合金，Ti2AlNb基合金板坯通过尾顶压紧在芯轴尾端。
步骤二：使用火焰枪预热板坯、旋压机的芯轴和旋轮。
火焰枪采用氧气-丙烷(或乙炔)火焰，芯轴加热至250℃、旋轮加热至250℃，板坯加热至450℃，各保温3min。
步骤三：开动旋压机，使得芯轴转动，Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金板坯在芯轴与尾顶的夹紧力作用下与旋压机芯轴一起转动，但不开启轴向进给。利用火焰加热，将Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金板坯加热至旋压温度900℃，随后开始轴向进给，进行旋压。通过红外热成像仪实时监控旋轮前端待成形区域的温度；当旋轮前端坯料的温度高于或低于900℃时，调节火焰大小，进行修正。旋压机的芯轴转速为200转/分，旋轮以1.0毫米/转沿轴向运动。第1道次旋压后坯料厚度为3mm，减薄率为50％，停止旋压。
步骤四：在开展第2道次旋压之前，需要对第1道次旋压坯进行道次间热处理，依照步骤五到步骤七进行。
步骤五：将第1道次Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金锥形旋压坯在室温下放入真空炉中，抽取真空至10Pa以下，设定升温速率10℃/min，设定固溶温度1020℃，当炉温达到预设温度后，固溶处理4h。
步骤六：固溶4h后，关闭真空炉加热开关，令第1道次Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金锥形旋压坯随炉冷却，打开功率加热开关，维持炉温至680℃，时效处理6h。
步骤七：时效处理结束后，关闭加热炉功率开关，令第1道次Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金锥形旋压坯随炉冷却至室温。
步骤八：更换第2道次芯轴，重复步骤一到三，进行热旋压，减薄率为50％，得到厚度为1.5mm的目标旋压件。
对步骤三第1道次旋压后的坯料和步骤七经时效处理后的旋压坯进行背散射扫描电镜观察，结果如图2所示。图2中(a)为经过第1道次旋压后坯料的背散射扫描图像，其组织中的B2相含量接近100％，坯料的高温(650℃)延伸率只有5～15％。图2中(b)为经过热处理后旋压坯的背散射扫描图像，由(b)可知，经过热处理后，材料内部B2相(白色)含量为48％，O相(灰色针状)含量为40％，α2相(黑色)含量为12％，高温(650℃)延伸率提高到了65～67％，完全满足下一道次减薄率50％的要求。
实施例2
Ti2AlNb基合金选择Ti-22Al-25Nb合金，筒形毛坯原始厚度为7mm，目标厚度为1.8mm，总减薄率为74.3％。图3为本实施例的成形过程示意图，其中，N＝3，具体步骤如下：
步骤一：将第1道次Ti-22Al-25Nb材料筒形毛坯套在旋压机的芯轴上并固定。Ti-22Al-25Nb合金毛坯与旋压机的芯轴之间为过渡配合。
步骤二：使用火焰枪预热毛坯、旋压机的芯轴和旋轮。
火焰枪采用氧气-丙烷(或乙炔)火焰，芯轴加热至250℃、旋轮加热至250℃，毛坯加热至450℃，各保温3min。
步骤三：开动旋压机，使得芯轴转动，Ti-22Al-25Nb合金毛坯与旋压机芯轴一起转动，但不开启轴向进给。利用火焰加热，将Ti-22Al-25Nb合金毛坯加热至旋压温度900℃，随后开始轴向进给，进行旋压。通过红外热成像仪实时监控旋轮前端待成形区域的温度；当旋轮前端坯料的温度高于或低于900℃时，调节火焰大小，进行修正。旋压机的芯轴转速为200转/分，旋轮以2毫米/转沿轴向运动。第1道次旋压后坯料厚度为5.6mm，减薄率为20％。
步骤四：重复步骤三，分别进行第2和第3道次热旋压，第2和第3道次旋压单道次减薄率均为20％，第2道次旋压后坯料厚度为4.48mm，第3道次旋压后坯料厚度为3.58mm，三个道次累计减薄率为48.9％。
步骤五：在开展第4道次旋压之前，需要对第3道次旋压坯料进行道次间热处理，依照步骤六到步骤七进行。
步骤六：将第3道次Ti-22Al-25Nb合金筒形旋压坯在室温下放入真空炉中，抽取真空至10Pa以下,设定升温速率10℃/min,设定固溶温度980℃，当炉温达到预设温度后，固溶处理4h。
步骤七：固溶4h后，关闭真空炉加热开关，令第3道次Ti-22Al-25Nb合金筒形旋压坯随炉冷却，打开功率加热开关，维持炉温至720℃，时效处理6h。
步骤八：时效处理结束后，关闭加热炉功率开关，令第3道次Ti-22Al-25Nb合金筒形旋压坯随炉冷却至室温。
步骤九：将热处理后的第3道次旋压坯重新装回芯轴，重复步骤一到三，进行第4、第5、第6道次热旋压，第4、第5、第6道次旋压的单道次减薄率分别为20％、20％和21.5％，第4、5、6道次累计减薄率为49.8％,，最终得到厚度为1.8mm的目标旋压件，6个道次总减薄率74.3％。
对步骤四第3道次旋压后的坯料和步骤七经时效处理后的旋压坯进行背散射扫描电镜观察，结果与图2相似。经过第3道次旋压后坯料组织中的B2相含量为90％，α2相含量为10％，坯料的高温(650℃)延伸率只有10～15％。经过热处理后，材料内部B2相(白色)含量为38％，O相(灰色针状)含量为52％，α2相(黑色)含量为10％，高温(650℃)延伸率提高到了60～65％，完全满足下一道次减薄率20％的要求。
由以上实施例可知，本发明提供了一种Ti2AlNb基合金材料的热旋压成形方法，在多道次旋压过程中，通过对Ti2AlNb基合金进行道次间热处理以调控组织形貌和相含量比例，可满足后续道次的旋压性能需求并提高旋压件成形质量。
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 (9)

1.一种Ti2AlNb基合金的热旋压成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将Ti2AlNb基合金坯料固定在旋压机的芯轴上，进行热旋压，当第N道次热旋压后的累积减薄率达到45～55％时，停止热旋压；
(2)对第N道次热旋压后的Ti2AlNb基合金坯料进行热处理，得到热处理后的旋压坯；所述热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为900～1200℃，时间为1～4h；所述时效处理的温度为500～850℃，时间为4～12h；
(3)对所述热处理后的旋压坯进行第N+1道次热旋压；
(4)重复进行所述步骤(3)0次以上，直至满足壁厚要求；
其中，N为1以上的整数。
2.根据权利要求1所述的热旋压成形方法，其特征在于，整个热旋压过程，Ti2AlNb基合金坯料总的减薄率在90％以下。
3.根据权利要求1所述的热旋压成形方法，其特征在于，所述热旋压时每道次的减薄率为10～55％。
4.根据权利要求1所述的热旋压成形方法，其特征在于，所述热处理在真空条件下进行，真空度在10Pa以下。
5.根据权利要求1所述的热旋压成形方法，其特征在于，第1道次和第N+1道次热旋压前，还包括：将芯轴和旋压机的旋轮加热至100～350℃，保温3～5min；将Ti2AlNb基合金坯料预热至350～500℃，保温3～5min。
6.根据权利要求1所述的热旋压成形方法，其特征在于，所述热旋压时，Ti2AlNb基合金坯料的温度为900～1000℃。
7.根据权利要求1或6所述的热旋压成形方法，其特征在于，所述热旋压时，旋压机芯轴的转速为50～300转/分钟，旋轮的进给比为0.3～3.3毫米/转。
8.根据权利要求1或6所述的热旋压成形方法，其特征在于，所述热旋压时，采用红外热成像仪监控旋轮前方待旋区的温度情况。
9.根据权利要求1所述的热旋压成形方法，其特征在于，所述Ti2AlNb基合金坯料包括Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金坯料或Ti-22Al-25Nb合金坯料。
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