CN110961872A - 一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法，以钛合金棒材为原材料，将钛合金棒材加热至锻造温度并保温后，置于与锻造温度相同并保温后的通用平模进行超塑性等温制钛合金圆饼坯料；将钛合金圆饼坯料加热至锻造温度并保温后，置于与锻造温度相同并保温后的预锻模具内进行等温超塑预制坯成形，出模冷却，获得钛合金预锻坯；将钛合金预锻坯加热至等温成形温度并保温后，置于与等温成形温度相同并保温后的筒体成形终锻模具进行等温成形；对钛合金大规格无缝深孔筒体进行热处理，获得钛合金大规格无缝深孔筒体。本发明的方法工序少、重量轻、强度高、性能好、制造成本低、材料利用率高、机加工量小、成本低、组织均匀、无残余应力，可实现批量生产。
Description
技术领域
本发明属于冶金领域，涉及一种钛合金筒体，具体来说是一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法。
背景技术
钛合金具有高的强度、低的密度在航空航天工业上得到广泛应用。特别是钛合金整体深孔筒体，具有高的强度，良好的综合性能。
但钛合金的成形性不是良好，对成形工艺参数的变化比较敏感，成形温度、变形量、变形速度甚至冷却速度的变化都会引起钛合金组织和性能的明显变化，因此对常规的钛合金自由锻和普通模锻几乎不可能生产这种钛合金大规格无缝深孔筒体。
上述所述的大规格是指直径150～400毫米、长度1米以上的钛合金大规格无缝深孔筒体。
目前生产钛合金大规格无缝深孔筒体工艺主要有二种:
一是“粗锻+机加式”钛合金无缝深孔筒体工艺：
1、采用钛合金自由锻和普通模锻成形钛合金浅孔粗锻坯筒体；
2、机加工打深孔；
3、机加成形。
该工艺的优点是：工装和模具投入成本低，对不考虑产品性能和组织的单件试样件有优势。
缺点是：工序多，机加工量大，材料损耗大，性能和组织不能保证。对于直径150～400毫米、长度1米以上的钛合金大规格无缝深孔筒体，该工艺就无法生产。
二是“机加式”钛合金无缝深孔筒体工艺：
1、按筒体外径、长度尺寸确定钛合金棒材；
2、机加工打深孔；
3、机加成形。
该工艺的优点是：该工艺工序比较简单，直接用钛合金棒材通过机加工打深孔、机加成形工艺生产钛合金大规格无缝深孔筒体。
缺点是：材料损耗大，机加工量大，成本高；生产周期长，无法进行批量生产；筒体组织和性能取决材料的原始组织和性能，无法满足航空航天工业的需求，特别是大规格的筒体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法，所述的这种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法要解决现有技术中制备钛合金大规格无缝深孔筒体的工艺复杂，而且筒体组织和性能无法满足航空航天工业的需求的技术问题。
本发明提供了一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法，包括如下步骤：
1)以钛合金棒材为原材料，将钛合金棒材加热至锻造温度，α+β钛合金加热温度H＝Tβ+(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，并保温，保温时间T(分钟)＝(0.6～0.8)×D(毫米)，D是钛合金棒材的直径，然后置于与锻造温度相同并保温30～60分钟后，采用通用平模进行超塑性等温制钛合金圆饼坯料；
2)将钛合金圆饼坯料加热至锻造温度，α+β钛合金加热温度H＝Tβ+(30～50)℃，并保温，保温时间T(分钟)＝(0.6～0.8)×D(毫米)，然后置于与锻造温度相同并保温30～60分钟，然后在预锻模具内进行等温超塑预制坯成形，出模冷却，获得钛合金预锻坯；
3)将钛合金预锻坯加热至等温成形温度，α+β钛合金加热温度H＝Tβ+(30～50)℃，并保温，保温时间T(分钟)＝(0.6～0.8)×D(毫米)，然后置于与等温成形温度相同并保温30～60分钟，然后在筒体成形终锻模具进行等温成形；
4)对步骤3)获得的钛合金大规格无缝深孔筒体进行热处理，获得钛合金大规格无缝深孔筒体。
进一步的，在通用平模上进行超塑性等温制圆饼坯的步骤如下：
a)将钛合金棒材放在电阻炉内加热，(α+β钛合金)加热温度H1＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，保温时间T1(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)，D1是钛合金棒材坯料的直径；
b)通用平模与热加工成形设备连接；
c)通用平模加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，模具到温后保温30～60分钟；
d)钛合金棒材和通用平模至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金棒材放在模具上进行超塑性等温制坯，锻后空冷，获得钛合金圆饼坯料。
进一步的，在预锻模具内进行等温超塑预制坯成形的步骤如下：
1)将钛合金圆饼坯料在箱式电阻炉内加热，(α+β钛合金)加热温度H2＝Tβ+(30～50)℃，保温时间T2(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)；
2)将无缝深孔筒体预锻模具与热加工成形设备连接；
3)预锻模具加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，模具到温后保温30～60分钟；
4)钛合金圆饼坯料和筒体预锻模具至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金圆饼坯料放在预锻模内进行等温超塑预制坯成形，锻后空冷，获得钛合金预锻坯。进一步的，钛合金筒体等温超塑成形的步骤如下：
1)将钛合金预制坯在箱式电阻炉内加热，(α+β钛合金)加热温度H2＝Tβ+(30～50)℃，保温时间T2(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)；
2)将筒体成形终锻模具与热加工成形设备连接；
3)模具加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，模具到温后保温30～60分钟；
4)将钛合金预制坯和筒体成形终锻模具至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金预制坯放在筒体成形终锻模内进行钛合金筒体等温超塑成形，锻后空冷，，获得钛合金大规格无缝深孔筒体。
进一步的，所述的热处理为退火处理或固溶和时效处理。
本发明和已有技术相比，其技术效果和积极和明显的。
1)采用本发明制备的钛合金大规格无缝深孔筒体，与现有的“粗锻+机加式”钛合金大规格无缝深孔筒体工艺相比，具有工序少、重量轻、强度高、性能好、制造成本低等优点。
2)采用本发明制备的钛合金大规格无缝深孔筒体，与现有的“机加式”钛合金无缝深孔筒体工艺相比，材料利用率高，机加工量小，成本低，可实现批量生产，组织和性能高。
3)可实现“等温超塑式”钛合金大规格无缝深孔筒体的产品生产；
4)材料利用率高，钛合金是价格较贵的材料，为此降低了制造成本；
5)具有高质量性能、组织均匀、无残余应力。
附图说明
图1是采用本发明的方法获得的一种钛合金大规格无缝深孔筒体的组织显微照片。
图2是采用本发明的方法获得的一种钛合金大规格无缝深孔筒体的工艺流程图。
具体实施方式
实施例1钛合金大规格无缝深孔筒体的热成形前准备
1、原材料准备：
1.1、原材料是采用常规工艺生产的TA15钛合金棒材，实例用的TA15钛合金棒材的相转变温度Tβ＝986℃。
1.2、棒材下料：尺寸为G1＝(1.1～1.3)G，高径比H1/D1＝2.2～2.8，G1、H1、D1是钛合金棒材坯料的重量、高度、直径，G是钛合金整体深筒盲孔筒体的重量。(本例：G1＝60公斤，G＝54公斤，D1＝190毫米，H1＝470毫米)
1.3、棒材坯料表面质量要求无肉眼可视的裂纹、折叠缺陷。
2、热加工成形设备：
常规压机，如油压机，压机能量X(单位，吨)与钛合金大规格无缝深孔筒体变形部位的正投影面积S(单位，平方毫米)、材料的抗变形应力F(单位，公斤/平方毫米)有关(常规)：P＞SF，在等温超塑成形条件下，钛合金材料的抗变形应力F＝8～12公斤/平方毫米。(P是压机的压力，单位，公斤)
3、模具准备：
常规设计2种模具，无缝深孔筒体预锻模具、无缝深孔筒体成形终锻模具。
实施例2
钛合金大规格无缝深孔筒体的热成形在热加工成形设备上，采用超塑性等温锻造工艺，将钛合金棒材超塑性等温制坯成钛合金圆饼坯料(荒坯)。
1)将钛合金棒材放在电阻炉内加热，加热温度H1＝Tβ-(30～50)℃＝950℃，钛合金的相转变温度Tβ是986℃，保温时间T1(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)＝120分钟，棒材的直径D1是190毫米。
2)模具(通用平模)与热加工成形设备(油压机)连接。
3)模具(通用平模)加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃＝950℃，钛合金的相转变温度Tβ是986℃。模具到温后保温30～60分钟。
4)钛合金棒材和模具(通用平模)至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金棒材放在模具上进行超塑性等温制坯，锻后空冷。
5)钛合金圆饼坯料(荒坯)车加工、探伤。
2、在热加工成形设备上预制坯等温超塑成形：
1)将钛合金圆饼坯料(荒坯)在箱式电阻炉内加热，加热温度H2＝Tβ+(30～50)℃＝950℃，保温时间T2(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米＝120分钟)。
2)无缝深孔筒体预锻模具与热加工成形设备(油压机)连接。
3)模具加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃＝950℃，钛合金的相转变温度Tβ是986℃。模具到温后保温30～60分钟。
4)钛合金圆饼坯料(荒坯)和筒体预锻模具至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金圆饼坯料放在预锻模内进行等温超塑预制坯成形，锻后空冷。
5)尺寸和形状按设计图。
3、在热加工成形设备上进行钛合金筒体等温超塑成形：
1)将钛合金预制坯在箱式电阻炉内加热，加热温度H2＝Tβ+(30～50)℃＝950℃，钛合金的相转变温度Tβ是986℃，保温时间T2(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)＝120分钟。
2)筒体成形终锻模具与热加工成形设备(油压机)连接。
3)模具加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃＝950℃，钛合金的相转变温度Tβ是986℃。模具到温后保温30～60分钟。
4)钛合金预制坯和筒体成形终锻模具至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金预制坯放在筒体成形终锻模内进行钛合金筒体等温超塑成形，锻后空冷。
5)尺寸和形状按设计图。
实施例3钛合金大规格无缝深孔筒体的热处理
根据不同的钛合金材料牌号、不同的性能和组织要求，无缝深孔筒体锻件采用不同的热处理工艺。
例：TA15钛合金无缝深孔筒体热处理制度
970℃/1h，水淬+830℃/1.5h，空冷。
例：TC4钛合金无缝深孔筒体热处理制度
700℃/1.5h，空冷。
实施例4
如图2所示，利用2000吨油压机、筒体预锻模、筒体成形模，生产出Φ192毫米×Φ152毫米×1010毫米的TA15钛合金无缝深孔筒体产品，满足了特殊用途的应用要求。
生产工序：
工序1、原材料(钛合金棒材坯料)准备：按设计重量及高宽比H1/D1＝2.2～2.8进行钛合金棒材坯料的下料。下料尺寸Φ190毫米×470毫米；检验尺寸及表面质量，表面质量要求无肉眼可视的裂纹、折叠缺陷。
工序2、超塑性等温制坯：采用等温超塑成形工艺，将钛合金棒材超塑性等温制坯成钛合金锻坯料(荒坯)。将棒材在电阻炉内加热，加热温度H1＝950℃(Tβ＝986℃)，保温时间T1(分钟)＝120分钟,。
工序3、在2000吨油压机上进行等温超塑预制坯成形：采用等温超塑预制坯成形工艺，将钛合金锻坯料(荒坯)在箱式电阻炉内加热加至锻造温度并保温一定时间后，置于与锻造温度相同并保温一定时间后的制坯成形模具进行等温超塑预制坯成形。钛合金圆饼坯料(荒坯)H2＝950℃(Tβ＝986℃)，保温时间T2(分钟)＝120分钟。模具加热温度950℃，保温时间1小时，锻后空冷。尺寸和形状按设计图。
工序4、在2000吨油压机上进行等温超塑成形：采用等温超塑成形工艺，将钛合金预制坯在箱式电阻炉内加热至锻造温度并保温一定时间后，置于与锻造温度相同并保温一定时间后的制坯成形模具进行等温超塑预制坯成形。钛合金预制坯加热温度H3＝950℃(Tβ＝986℃)，保温时间T3(分钟)＝120分钟,。模具加热温度950℃，保温时间1小时，锻后空冷
工序5、TA15钛合金无缝深孔锻件采用固溶+时效的热处理制度：
970℃×1小时水冷+830℃×1.5小时空冷。
如图1所示，实施本发明制备出的高质量的钛合金大规格无缝深孔筒体产品，具有重量轻、强度高、产品性能优的特点，其性能、组织为：组织为等轴组织，室拉强度σb＝1090Mpa，冲击韧性aKU＝50J/cm2，高拉强度σb＝815Mpa。尺寸为Φ192毫米×Φ152毫米×1010毫米，能满足特殊用途产品的应用要求。
经实践证明，此项发明技术可行，并有较大的推广前景。
Claims (5)
1.一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)以钛合金棒材为原材料，将钛合金棒材加热至锻造温度，α+β钛合金加热温度H＝Tβ+(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，并保温，保温时间T(分钟)＝(0.6～0.8)×D(毫米)，D是钛合金棒材的直径，然后置于与锻造温度相同并保温30～60分钟后，采用通用平模进行超塑性等温制钛合金圆饼坯料；
2)将钛合金圆饼坯料加热至锻造温度，α+β钛合金加热温度H＝Tβ+(30～50)℃，并保温，保温时间T(分钟)＝(0.6～0.8)×D(毫米)，然后置于与锻造温度相同并保温30～60分钟，然后在预锻模具内进行等温超塑预制坯成形，出模冷却，获得钛合金预锻坯；
3)将钛合金预锻坯加热至等温成形温度，α+β钛合金加热温度H＝Tβ+(30～50)℃，并保温，保温时间T(分钟)＝(0.6～0.8)×D(毫米)，然后置于与等温成形温度相同并保温30～60分钟，然后在筒体成形终锻模具进行等温成形；
4)对步骤3)获得的钛合金大规格无缝深孔筒体进行热处理，获得钛合金大规格无缝深孔筒体。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法，其特征在于，在通用平模上进行超塑性等温制圆饼坯的步骤如下：
a)将钛合金棒材放在电阻炉内加热，(α+β钛合金)加热温度H1＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，保温时间T1(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)，D1是钛合金棒材坯料的直径；
b)通用平模与热加工成形设备连接；
c)通用平模加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，模具到温后保温30～60分钟；
d)钛合金棒材和通用平模至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金棒材放在模具上进行超塑性等温制坯，锻后空冷，获得钛合金圆饼坯料。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法，其特征在于，在预锻模具内进行等温超塑预制坯成形的步骤如下：
1)将钛合金圆饼坯料在箱式电阻炉内加热，(α+β钛合金)加热温度H2＝Tβ+(30～50)℃，保温时间T2(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)；
2)将无缝深孔筒体预锻模具与热加工成形设备连接；
3)预锻模具加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，模具到温后保温30～60分钟；
4)钛合金圆饼坯料和筒体预锻模具至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金圆饼坯料放在预锻模内进行等温超塑预制坯成形，锻后空冷，获得钛合金预锻坯。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金大规格无缝深孔筒体的制备方法，其特征在于，钛合金筒体等温超塑成形的步骤如下：
1)将钛合金预制坯在箱式电阻炉内加热，(α+β钛合金)加热温度H2＝Tβ+(30～50)℃，保温时间T2(分钟)＝(0.6～0.8)×D1(毫米)；
2)将筒体成形终锻模具与热加工成形设备连接；
3)模具加热，加热温度H＝Tβ-(30～50)℃，Tβ是钛合金的相转变温度，模具到温后保温30～60分钟；
4)将钛合金预制坯和筒体成形终锻模具至成形温度并保温30～60分钟后，用操作机把钛合金预制坯放在筒体成形终锻模内进行钛合金筒体等温超塑成形，锻后空冷，获得钛合金大规格无缝深孔筒体。
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