CN111014527A - 一种tc18钛合金小规格棒材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，制备出的棒材规格为Φ40mm～Φ100mm，主要包括：高温锻造→低温锻造→高温锻造→低温锻造，充分利用精锻设备成型特点和重结晶原理，通过合理设计道次变形量，改善坯料心部和表层组织的均匀性；有效的控制了物料表面质量，加工流程减半，锻造成品率大幅度提高至96％，有效的缩短的加工周期，并降低了加工成本，此外还通过研究累积锻比对材料组织细化和球化的关系，通过组织控制，能够制备出抗裂纹扩展能力较强的结构件用棒材和3D打印用制粉低成本棒材。

Description

一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，涉及一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法。

背景技术

TC18合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，属于近β钛合金，具备高强、高韧、高淬透性，被广泛应用于航空、航天的各类结构件及复杂型腔构件，但传统生产工艺效率低下，成品率较低，交期滞后，导致产品综合竞争力差。因此，提高材料利用率、缩短生产周期一直是材料加工厂企业的一大难题。本发明主要考虑两种用途的棒材制备方法，分别是结构件用低成本小规格棒材的制备方法，和低成本3D打印制粉用棒材的制备方法。

在现已公开的相关资料中，此类小规格棒材有两种制备工艺：一种采用快锻机和相应工装制备成小规格棒材，一种是采用自由锻造制备成中间坯料，然后采用精锻或轧制等锻造方法制备成小规格棒材。以上方法均匀其不足之处，在采用快锻机锻造阶段，物料表面温降较快，可加工窗口较窄，物料容易开裂，为解决上述问题，只能缩小每火次锻比，带来的问题是锻造火次增加，同样因加热和打磨会导致材料的无形损失约为5％-10％，生产效率低、加工成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，能够制备出结构件用或低成本3D打印制粉用TC18的Φ40mm～Φ100mm规格棒材，该棒坯料心部和表层组织的均匀性。

本发明所采用的技术方案是，一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，小规格棒材规格为Φ40mm-Φ100mm，具体按照以下步骤实施：

步骤1、高温锻造：

选取直径为Φ720mm的铸锭，对铸锭进行一火次加热，并通过精锻机进行七道次径向拔长锻造至Φ350mm，在空气中冷却，得到料坯；

步骤2、低温锻造+高温热处理：

对料坯进行一火次加热，通过精锻机进行四道次径向拔长锻造至Φ160mm，锻后进行热料回炉；

热料回炉后，进行热处理，随后在出炉室内分散空气冷却，再结晶获得晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织；

步骤3、低温锻造：

对晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织加热后，采用精锻机锻造至Φ40mm-Φ100mm。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：选取直径为Φ720mm，质量为4600kg-4700kg的铸锭，对该铸锭加热，通过RF100型20MN精锻机进行1火次加热，并经过七道次变形：

Φ690→Φ610→Φ550→Φ510→Φ470→Φ430→Φ390→Φ350，锻后在空气中冷却，得到Φ350mm的料坯。

对该铸锭加热的加热温度为1150℃±20℃，加热系数为0.65-0.80。

步骤2具体过程为：对Φ350mm的料坯进行加热，加热时间＝批料直径×加热系数，通过RF100型20MN精锻机径向拔长锻造，经过一火次加热，单火次分为四个道次，从Φ350mm锻至Φ160mm：Φ350→Φ300→Φ250→Φ200→Φ160，锻后热料回炉；

热料回炉后，调节炉内温度进行热处理，完成热处理后，出炉室内分散空气冷却，此时通过再结晶原理，获得晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织。

对Φ350mm的棒坯加热，加热温度为铸锭相变点以下30℃，加热系数0.65-0.80。

调节炉内温度进行热处理具体为：控制炉内加热温度为铸锭相变点以上60℃，加热系数0.65-0.80。

步骤3具体过程为：对晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织加热至铸锭相变点以下40℃，加热系数0.65-0.80，选用16MN的精锻机，进行径向拔长锻造，设定变形道次，锻后空冷，获得均匀细小的两相组织。

拔长总锻比控制在2.5-17之间。

成品设定变形道次为2-4次，对应规格为Φ40mm-Φ100mm的小规格棒材；

当需求为Φ90～Φ100mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为2次：Φ160→Φ130→Φ90～Φ100mm；

当需求为Φ70～Φ80mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为3次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ70～Φ80mm；

当需求为Φ50～Φ60mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为4次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ70→Φ50～Φ60mm；

当需求为Φ40的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为4次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ60→Φ40mm。

本发明的有益效果是：

本发明的一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，摒弃了传统的高温多火次破碎铸态组织的工艺方案，大型快锻机改锻的工艺路线，充分利用精锻设备成型特点和重结晶原理，通过合理设计道次变形量，改善坯料心部和表层组织的均匀性；能够有效的提高成材率、缩短锻造周期，此外还通过研究累积锻比对材料组织细化和球化的关系，通过组织控制，能够制备出抗裂纹扩展能力较强的结构件用棒材和3D打印用制粉低成本棒材。

附图说明

图1是本发明制备的Φ100mm规格的边部高倍显微组织图；

图2是图1所述结构件用棒材R/2部位的高倍显微组织图；

图3是图1所述棒材心部的高倍显微组织图。

图4是本发明制备的Φ40典型规格的边部高倍显微组织图；

图5是图4所述结构件用棒材R/2部位的高倍显微组织图；

图6是图4所述棒材心部的高倍显微组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，能够制造规格为Φ40mm-Φ100mm的棒材，包括高温锻造→低温锻造+高温热处理→低温锻造，每次锻造设置合理的道次形变量，能够保证坯料表面质量，具体实施方式为：

步骤1、选取直径为Φ720mm，质量为4700kg-5000kg的铸锭，对该铸锭加热，加热温度为1150℃±20℃，加热系数为0.65-0.80，通过RF100型20MN精锻机进行1火次径向拔长锻造，充分利用径向锻造设备的成型特点，设计七道次变形量：Φ690→Φ610→Φ550→Φ51→Φ470→Φ430→Φ390→Φ350，利用此方法避免了物料表面出伤和折叠，获得工艺塑性较好，表面质量良好的精锻棒坯，比传统的锻造方式成品率节约5％，同时生产周期缩短一半，表面质量较好；锻后在空气中冷却，得到Φ350mm的料坯；

步骤2、对Φ350mm的料坯进行加热，加热温度为铸锭相变点以下30℃，加热系数0.65-0.80，加热时间＝批料直径×加热系数，通过RF100型20MN精锻机径向拔长锻造，经过四道次变形量：Φ350→Φ300→Φ250→Φ200→Φ160，锻后进行热料回炉；

热料回炉后，调节炉内温度进行热处理，控制炉内加热温度为铸锭相变点以上60℃，加热系数0.65-0.80，完成热处理后，出炉室内分散空气冷却，此时通过利用再结晶原理，获得晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织。

低温锻造的温度为Tβ-30℃，高温锻造过程的回炉加热温度为Tβ+60℃，充分利用Tβ-30℃下，通过精锻机径向穿透变形所形成的细小等轴的α相，作为再结晶形核点，将坯料加热到再结晶温度以上(加热温度Tβ+60℃)，利用再结晶原理，形成细小等轴的β晶粒，此方法合理利用了精锻设备的穿透力和金属的再结晶原理，属于设备和原理结合的技术创新，同时通过合理的工艺道次设计：Φ350→Φ300→Φ250→Φ200→Φ160，保证了心部锻透性和避免了表面出伤，提高了成材率，此过程较传统方法成品率节约3％。

步骤3、对晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织加热至铸锭相变点以下40℃，加热系数0.65-0.80，选用16MN的精锻机，进行径向拔长锻造，锻比为2.5-17，设定变形道次为2-4次，锻后在空气中冷却，获得均匀细小的两相组织。

设定变形道次为设定变形道次为2-4次，对应规格为Φ40mm-Φ100mm的小规格棒材；

当需求为Φ90～Φ100mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为2次：Φ160→Φ130→Φ90～Φ100mm；

当需求为Φ70～Φ80mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为3次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ70～Φ80mm；

当需求为Φ50～Φ60mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为4次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ70→Φ50～Φ60mm；

当需求为Φ40的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为4次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ60→Φ40mm。

将锻比有效控制在2.5～17之间，最小锻比保证了晶界α的破碎，获得介于等轴和网篮组织之间的两相组织，有利于提高锻件的抗裂纹扩展寿命，最大锻比可满足3D打印棒材的要求，同时兼顾了结构件用棒材和3D打印用低成本棒材的技术要求，采用精锻的棒材表面机加余量小，通常需要3mm，而传统机加余量需要10mm，通过此成型方法，机加成品率可结省约6％。

实施例1

选定铸锭规格Ф720mm，铸锭相变点865℃，毛坯单重4650kg，根据产品的技术要求，本发明使用的铸锭的成分构成如表1所示：

表1

Ti	Al	Mo	V	Cr	Fe
						标准要求	4.4-5.7	4.0-5.5	4.0-5.5	0.5-1.5	0.5-1.5
基	5.30	5.0	4.9	1.0	1.1

对铸锭加热，加热温度1150℃，加热时间470min～570min，进行径向拔长锻造，采用RF100型20MN精锻机锻造，道次变形量工艺如下：Φ690→Φ610→Φ550→Φ510→Φ470→Φ430→Φ390→Φ350，锻后空气中冷却，锯切三均分。

加热温度835℃，加热时间230min-280min，进行径向拔长锻造，设备采用RF100型20MN精锻机锻造，道次变形量工艺如下：Φ350→Φ300→Φ250→Φ200→Φ160，锻后热料回炉；

热料回炉后，加热温度925℃，加热时间105min-128min，完成热处理后，出炉室内分散空气中冷却，此时通过利用再结晶原理，获得晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织。

加热温度825℃，加热时间105min-128min，选用16MN的精锻机，进行径向拔长锻造，Φ160→Φ130→Φ103，锻后在空气中冷却，成品机加后尺寸为Φ100mm。

在室温中测定该棒材的力学性能如表2所示：

表2

Φ100规格棒材的不同部位高倍显微组织图如图1、图2、及图3所示，由图1、图2、及图3可知，其组织状态介于网篮组织与等轴组织之间，且边部、心部以及R/2部位三个位置均组织均匀良好。

实施例2

铸锭规格Ф720mm，铸锭相变点870℃，毛坯单重4700kg，本发明的铸锭的化学成分如表3所示：

表3

加热温度1150℃，加热时间470min～570min，进行径向拔长锻造，采用RF100型20MN精锻机锻造，道次变形量工艺如下：Φ690→Φ610→Φ550→Φ510→Φ470→Φ430→Φ390→Φ350，锻后空气中冷却，锯切三均分。

低温锻造，加热温度840℃，加热时间230min～280min，进行径向拔长锻造，设备采用RF100型20MN精锻机锻造，道次变形量工艺如下：Φ350→Φ300→Φ250→Φ200→Φ160，锻后热料回炉。

热料回炉后，加热温度925℃，加热时间105min～128min，完成热处理后，出炉室内分散空气中冷却，此时通过利用再结晶原理，获得晶粒尺寸为1～3mm的均匀细小的β组织。

加热温度830℃，加热时间105min～128min，选用16MN的精锻机，进行径向拔长锻造，Φ160→Φ130→Φ100→Φ60→Φ43，锻后空气中冷却，成品机加后尺寸为Φ40mm。

Φ40规格棒材的不同部位高倍显微组织图如图4、图5、及图6所示，由图4、图5、及图6可知，其组织状态介于网篮组织与等轴组织之间，且边部、心部以及R/2部位三个位置均组织均匀良好。

通过上述方式，本发明为一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，摒弃了传统的高温多火次结合大型快锻机改锻的工艺路线，充分利用精锻设备成型特点和重结晶原理，通过合理设计道次变形量，改善坯料心部和表层组织的均匀性；能够有效的提高成材率、缩短锻造周期，此外还通过研究累积锻比对材料组织细化和球化的关系，通过组织控制，能够制备出抗裂纹扩展能力较强的结构件用棒材和3D打印用制粉低成本棒材。

Claims (9)

1.一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述小规格棒材规格为Φ40mm-Φ100mm，具体按照以下步骤实施：

步骤1、高温锻造：

选取直径为Φ720mm的铸锭，对铸锭进行一火次加热，并通过精锻机进行七道次径向拔长锻造至Φ350mm，在空气中冷却，得到料坯；

步骤2、低温锻造+高温热处理：

对料坯进行一火次加热，通过精锻机进行四道次径向拔长锻造至Φ160mm，锻后进行热料回炉；

热料回炉后，进行热处理，随后在出炉室内分散空气冷却，再结晶获得晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织；

步骤3、低温锻造：

对晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织加热后，采用精锻机锻造至Φ40mm-Φ100mm。

2.根据权利要求1所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤1具体过程为：选取直径为Φ720mm，质量为4600kg-4700kg的铸锭，对该铸锭加热，通过RF100型20MN精锻机进行1火次加热，并经过七道次变形：

Φ690→Φ610→Φ550→Φ510→Φ470→Φ430→Φ390→Φ350，锻后在空气中冷却，得到Φ350mm的料坯。

3.根据权利要求2所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述对该铸锭加热的加热温度为1150℃±20℃，加热系数为0.65-0.80。

4.根据权利要求1所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤2具体过程为：对Φ350mm的料坯进行加热，加热时间＝批料直径×加热系数，通过RF100型20MN精锻机径向拔长锻造，经过一火次加热，单火次分为四个道次，从Φ350mm锻至Φ160mm：Φ350→Φ300→Φ250→Φ200→Φ160，锻后热料回炉；

热料回炉后，调节炉内温度进行热处理，完成热处理后，出炉室内分散空气冷却，此时通过再结晶原理，获得晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织。

5.根据权利要求4所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述对Φ350mm的棒坯加热，加热温度为铸锭相变点以下30℃，加热系数0.65-0.80。

6.根据权利要求4所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述调节炉内温度进行热处理具体为：控制炉内加热温度为铸锭相变点以上60℃，加热系数0.65-0.80。

7.根据权利要求1所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤3具体过程为：对晶粒尺寸为1-3mm的均匀细小的β组织加热至铸锭相变点以下40℃，加热系数0.65-0.80，选用16MN的精锻机，进行径向拔长锻造，设定变形道次，锻后空冷，获得均匀细小的两相组织。

8.根据权利要求7所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述拔长总锻比控制在2.5-17之间。

9.根据权利要求7所述一种TC18钛合金小规格棒材的制备方法，其特征在于，所述成品设定变形道次为2-4次，对应规格为Φ40mm-Φ100mm的小规格棒材；

当需求为Φ90～Φ100mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为2次：Φ160→Φ130→Φ90～Φ100mm；

当需求为Φ70～Φ80mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为3次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ70～Φ80mm；

当需求为Φ50～Φ60mm的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为4次：Φ160→Φ130→Φ100→Φ70→Φ50～Φ60mm；

当需求为Φ40的小规格棒材时，加热一火次，设定变形道次为4次：

Φ160→Φ130→Φ100→Φ60→Φ40mm。

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