CN111235505A - 一种高强、高韧性tc25g钛合金环件的制备工艺 - Google Patents
一种高强、高韧性tc25g钛合金环件的制备工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，具体步骤如下：1、铸锭的开坯：将合金铸锭加热至一定温度进行镦拔锻造，然后将铸锭加热至β相变点以上10～50℃进行变形，得到β相区开坯后的坯料。2、锻坯制备：将坯料在β相变点以下100～20℃进行充分变形，再加热至β相变点以上10～40℃进行高温均匀化处理；将坯料在β相变点以下100～30℃充分变形获得锻坯。3、环扎坯制备：将锻坯加热至β转变温度以下60～35℃，完成冲孔和扩孔，得到环扎坯；4、环轧成形：环扎坯在相变点以下60～35℃轧制成形至尺寸；5、热处理：环件通过α+β两相区固溶和时效热处理。采用该工艺制备的TC25G钛合金环件为双态组织，微观组织均匀，性能稳定性好，在室温至550℃均具有较高的强度和韧性。
Description
技术领域
本发明属于钛合金加工领域，具体涉及到一种高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺。
背景技术
TC25G钛合金是前苏联90年代研制成功的一种综合性能优良、可在550℃长时使用的α+β型热强钛合金。据资料介绍该合金500℃以下的工作寿命可达6000h以上，在550℃工作寿命达3000h以上，主要用于制造压气机转子的轮盘(盘鼓电子束焊接结构)和叶片，在俄制其他发动机上用量也较多，除转动件外还用于安装边和机匣等静子零部件。TC25G为俄罗斯先进航空发动机450～550℃高压压气机的必选材料，该合金在航空发动机结构件中有着广阔的应用前景。
钛合金环件一般采用两相区锻造的棒材作为原材料，经1～3火次改锻然后环扎得到环件产品。受棒材冶金质量稳定性的影响，环件往往出现组织不均匀，部分区域存在粗大晶粒的现象，影响了环件产品的质量稳定性和零件的使用寿命。因此有必要开发一种由合金铸锭到环件的全流程制备工艺，这不仅可减少环件制备工艺流程、还减少了环件中间半成品-棒材的检验和验收等环件，提高生产效率，大幅度降低了钛合金环件的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，环件的组织均匀，批次稳定性好，性能优良。
本发明采用以下技术方案予以实现。
一种高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，其特征在于，包括以下工序：
步骤1)、铸锭的开坯：
将合金铸锭加热至1150～1250℃，保温10～60小时后出炉进行镦拔锻造，累计锻比不小于3.5，终锻温度不低于900℃，完成铸锭的均匀化处理；
然后将铸锭加热至β相变点以上10～50℃，进行1～2火次的镦粗和拔长变形，要求每火次的总锻比不小于3，终锻温度不低于850℃，得到β相区开坯后的坯料；
步骤2)、锻坯制备：
将所得坯料在β相变点以下100～20℃进行2～5火次的变形，要求累计总锻比不低于5，终锻温度不低于800℃；
然后将坯料在β相变点以下100～30℃进行4～10火次的变形至目标尺寸，要求坯料的累计总锻比不小于12，每火次终锻温度不低于800℃；
步骤3)、环扎坯制备：
将锻坯加热至β转变温度以下60～35℃，镦粗后冲孔、然后采用马架扩孔至环坯的内径为其外径的30％～55％，最后整形得到环扎坯；
步骤4)、环轧成形：
环扎坯在相变点以下60～35℃轧制成形至尺寸，要求累计环扎锻比不小于1.3；
步骤5)、热处理：
环件通过α+β两相区固溶和低温时效热处理；
所述固溶热处理的温度为不低于步骤4)中环件的轧制温度且在β相变点以下50～20℃范围内，保温1～4小时，固溶后空冷或风冷；所述的时效热处理为530～590℃保温2～10小时后空冷。
作为优选的技术方案：
步骤2)中，坯料在β相变点以下100～20℃进行2～5火次的变形后，将坯料加热至β相变点以上10～40℃进行1～3火次的高温均匀化处理。
进一步优选为：所述坯料在高温均匀化处理后进行变形，每火次的总锻比不小于3，坯料的终锻温度不低于850℃。
坯料在β相变点以下温度的保温时间t1＝加热系数η1×δ1，δ1为坯料的横截面尺寸或高度的最小值，单位为毫米，坯料由室温加热至工艺温度的加热系数η1＝0.6～0.9毫米/分钟，坯料热料回炉的加热系数η1＝0.3～0.5毫米/分钟。
坯料在β相变点以上温度的保温时间t2＝加热系数η2×δ2，δ2为环坯厚度或高度的最小值，单位为毫米，加热系数η2＝0.3～0.5毫米/分钟，坯料热料回炉的加热系数η2＝0.25～0.35毫米/分钟。
步骤5)中，所述固溶热处理制度为β相变点以下40～20℃，保温2.5小时，固溶后空冷或风冷，时效热处理为530～550℃保温4～8小时后空冷。
优选地，本发明所述坯料的加热均采用电炉进行。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
1)本发明采用铸锭经β相区开坯和锻坯制备工序即完成制坯，省去了环件半成品-棒材的制备工序，提高了产品的质量稳定性，工艺流程短、成本低，效率高；
2)环件在高于轧制温度且在β相变点以下20～45℃温度范围内进行固溶处理，保证合金组织的均匀性和材料性能的稳定性。
3)采用本发明所述方法制备的TC25G环件的组织为双态组织，其室温强度在1060Mpa以上、屈服强度在930Mpa以上、延伸率在15％以上、断面收缩率在35％以上；其550℃强度在770Mpa以上、屈服强度在610Mpa以上、延伸率在20％以上、断面收缩率在50％以上。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的TC25G环件的金相组织图片；
图2为本发明实施例2制备的TC25G环件的金相组织图片；
图3为本发明实施例3制备的TC25G环件的金相组织图片；
图4为本发明实施例4制备的TC25G环件的金相组织图片。
具体实施方式
实施例1：
采用直径为710mm的TC25G钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.65％，Sn：2.1％，Zr：3.97％，Mo：4.05％，Si：0.20％，W：0.98％，H：0.006％，O：0.03％，N：0.005％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金铸锭的β转变温度为995℃；
1)铸锭的开坯锻造：合金铸锭加热至1200℃，保温24小时后出炉，在水压机上完成1次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为2，锻后空冷，完成铸锭的均匀化处理，终锻温度不低于900℃。然后将铸锭加热至1025℃，进行1火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为2，锻后空冷，终锻温度不低于850℃，得到开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)所得坯料加热至965℃，在4500吨水压机上进行4火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。然后将坯料加热至965℃，在水压机上进行2火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷；然后将坯料加热至945℃，在水压机上进行4火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷然后将坯料加热至940℃，进行2火次的拔长和滚圆整形，得到坯料，每火次终锻温度不低于800℃。坯料表面车光，采用锯床切割直径为300mm，高度为400mm的锻坯若干个。
3)环扎坯制备：将坯料加热至955℃，保温240min后在2000t水压机依次进行镦粗和冲孔，得到外径为420mm，内径130mm，高度为185mm的环坯，其中镦粗变形量为50％，变形速度为12mm/s；整形后坯料回炉保温90min后采用马架扩孔、整形，得到外径为450mm，内径300mm，高度为250mm的预轧坯；
4)终轧：将预轧坯加热至960℃保温70min后在环扎机上进行成形，得到外径为550mm，内径450mm，高度为270mm的环件。
5)热处理：环件经965℃保温2小时后空冷和540℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为540mm，内径460mm，高度为260mm的环件。
表1实施例1中TC25G环件的力学性能
实施例2：
采用直径为580mm的TC25G钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.55％，Sn：2.0％，Zr：3.8％，Mo：4.05％，Si：0.18％，W：1.0％，H：0.006％，O：0.016％，N：0.008％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金铸锭的β转变温度为993℃；
1)铸锭的开坯锻造：合金铸锭加热至1150℃，保温48小时后出炉，在水压机上完成2次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.67，锻后空冷，终锻温度不低于900℃，完成铸锭的均匀化处理。然后将铸锭先后加热至1043℃和1013℃，分别进行1火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为2，锻后空冷，终锻温度不低于850℃，得到开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)所得坯料加热至973℃，在水压机上进行2火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。然后坯料加热至953℃，在水压机上进行3火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。再将坯料加热至1013℃进行高温均匀化处理，出炉后空冷；将坯料加热至963℃，在水压机上进行2火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.67，锻后空冷；将坯料加热至943℃，在水压机上进行5火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷然后将坯料加热至953℃，进行2火次的拔长和滚圆整形，得到坯料，每火次终锻温度不低于800℃。坯料表面车光，采用锯床切割直径为250mm，高度为450mm的锻坯若干个。
3)环扎坯制备：将坯料加热至958℃，保温200min后在2000t水压机依次进行镦粗和冲孔，得到外径为450mm，内径130mm，高度为135mm的环坯，其中镦粗变形量为78％，变形速度为10mm/s；整形后坯料回炉保温90min后采用马架扩孔、整形，得到外径为450mm，内径260mm，高度为180mm的预轧坯；
4)终轧：将预轧坯加热至958℃保温80min后在环扎机上进行成形，得到外径为600mm，内径500mm，高度为210mm的环件。
5)热处理：环件经963℃保温2小时后空冷和570℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为590mm，内径510mm，高度为200mm的环件。
表2实施例2中TC25G环件的力学性能
实施例3：
采用直径为710mm的TC25G钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.58％，Sn：2.0％，Zr：4.1％，Mo：4.03％，Si：0.22％，W：1.02％，H：0.008％，O：0.025％，N：0.008％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金铸锭的β转变温度为990℃；
1)铸锭的开坯锻造：合金铸锭加热至1200℃，保温48小时后出炉，在水压机上完成2次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于900℃，完成铸锭的均匀化处理。然后将铸锭加热至1015℃，完成两镦两拔，镦粗和拔长的锻比均为1.67，锻后空冷，终锻温度不低于850℃，得到开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)所得坯料加热至960℃，在水压机上进行4火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。然后将坯料加热至1010℃进行高温均匀化处理，出炉后完成一镦一拔后空冷，镦粗和拔长的锻比均为1.67，终锻温度不低于850℃；再将坯料加热至955℃，在水压机上进行3火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.67，锻后空冷；将坯料加热至945℃，在水压机上进行4火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.8，锻后空冷，将坯料加热至955℃，进行2火次的拔长和滚圆整形，得到坯料，每火次终锻温度不低于800℃。坯料表面车光，采用锯床切割直径为300mm，高度为500mm的锻坯若干个。
3)环扎坯制备：将坯料加热至958℃，保温250min后在水压机依次进行镦粗和冲孔，得到外径为465mm，内径120mm，高度为200mm的环坯，其中镦粗变形量为60％，变形速度为12mm/s；整形后坯料回炉保温100min后采用马架扩孔、整形，得到外径为500mm，内径270mm，高度为220mm的预轧坯；
4)终轧：将预轧坯加热至958℃保温80min后在环扎机上进行成形，得到外径为600mm，内径450mm，高度为230mm的环件。
5)热处理：环件经965℃保温2小时后风冷和540℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为590mm，内径460mm，高度为220mm的环件。
表3实施例3中TC25G环件的力学性能
实施例4：
采用直径为540mm的TC25G钛合金铸锭，合金各成分的重量百分比为Al：6.50％，Sn：2.0％，Zr：3.98％，Mo：4.01％，Si：0.22％，W：1.02％，H：0.0075％，O：0.018％，N：0.0068％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金铸锭的β转变温度为984℃；
1)铸锭的开坯锻造：合金铸锭加热至1200℃，保温48小时后出炉，在水压机上完成2次镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于900℃，完成铸锭的均匀化处理。然后将铸锭加热至1014℃，两火次完成三镦三拔，镦粗和拔长的锻比均为1.8，锻后空冷，终锻温度不低于850℃，得到开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)所得坯料加热至964℃，在水压机上进行2火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。加热至944℃，在水压机上进行2火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。然后将坯料加热至1004℃进行2火次高温均匀化处理，出炉后在水压力上完成一镦一拔，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，锻后空冷，终锻温度不低于850℃；再将坯料加热至954℃，在水压机上进行3火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.67，锻后空冷；将坯料加热至939℃，在水压机上进行5火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.8，锻后空冷，然后将坯料加热至944℃，进行2火次的拔长和滚圆整形，得到坯料，每火次终锻温度不低于800℃。坯料表面车光，采用锯床切割直径为250mm，高度为500mm的锻坯若干个。
3)环扎坯制备：将坯料加热至958℃，保温250min后在水压机依次进行镦粗和冲孔，得到外径为400mm，内径120mm，高度为200mm的环坯，其中镦粗变形量为60％，变形速度为12mm/s；整形后坯料回炉保温80min后采用马架扩孔、整形，得到外径为430mm，内径250mm，高度为230mm的预轧坯；
4)终轧：将预轧坯加热至958℃保温80min后在环扎机上进行成形，得到外径为650mm，内径570mm，高度为280mm的环件。
5)热处理：环件经954℃保温2小时后空冷和540℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为640mm，内径580mm，高度为260mm的环件。
表4实施例4中TC25G环件的力学性能
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，其特征在于，包括以下工序：
步骤1)、铸锭的开坯：
将合金铸锭加热至1150～1250℃，保温10～60小时后出炉进行镦拔锻造，累计锻比不小于3.5，终锻温度不低于900℃，完成铸锭的均匀化处理；
然后将铸锭加热至β相变点以上10～50℃，进行1～2火次的镦粗和拔长变形，要求每火次的总锻比不小于3，终锻温度不低于850℃，得到β相区开坯后的坯料；
步骤2)、锻坯制备：
将所得坯料在β相变点以下100～20℃进行2～5火次的变形，要求累计总锻比不低于5，终锻温度不低于800℃；
然后将坯料在β相变点以下100～30℃进行4～10火次的变形至目标尺寸，要求坯料的累计总锻比不小于12，每火次终锻温度不低于800℃；
步骤3)、环扎坯制备：
将锻坯加热至β转变温度以下60～35℃，镦粗后冲孔、然后采用马架扩孔至环坯的内径为其外径的30％～55％，最后整形得到环扎坯；
步骤4)、环轧成形：
环扎坯在相变点以下60～35℃轧制成形至尺寸，要求累计环扎锻比不小于1.3；
步骤5)、热处理：
环件通过α+β两相区固溶和低温时效热处理；
所述固溶热处理的温度为不低于步骤4)中环件的轧制温度且在β相变点以下50～20℃范围内，保温1～4小时，固溶后空冷或风冷；所述的时效热处理为530～590℃保温2～10小时后空冷。
2.按照权利要求1所述高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，其特征在于：步骤2)中坯料在β相变点以下100～20℃进行2～5火次的变形后，将坯料加热至β相变点以上10～40℃进行1～3火次的高温均匀化处理。
3.按照权利要求2所述高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，其特征在于：所述坯料在高温均匀化处理后进行变形，每火次的总锻比不小于3，坯料的终锻温度不低于850℃。
4.按照权利要求1所述高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，其特征在于：坯料在β相变点以下温度的保温时间t1＝加热系数η1×δ1，δ1为坯料的横截面尺寸或高度的最小值，单位为毫米，坯料由室温加热至工艺温度的加热系数η1＝0.6～0.9毫米/分钟，坯料热料回炉的加热系数η1＝0.3～0.5毫米/分钟。
5.按照权利要求1或2所述高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，其特征在于：坯料在β相变点以上温度的保温时间t2＝加热系数η2×δ2，δ2为环坯厚度或高度的最小值，单位为毫米，加热系数η2＝0.3～0.5毫米/分钟，坯料热料回炉的加热系数η2＝0.25～0.35毫米/分钟。
6.按照权利要求1所述高强、高韧性TC25G钛合金环件的制备工艺，其特征在于：所述锻件的组织为双态组织，其室温强度在1060Mpa以上、屈服强度在930Mpa以上、延伸率在15％以上、断面收缩率在35％以上；其550℃强度在770Mpa以上、屈服强度在610Mpa以上、延伸率在20％以上、断面收缩率在50％以上。
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