CN111235506B - 一种tc25g钛合金锻件的热加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TC25G钛合金锻件的热加工工艺，包括以下步骤：1)铸锭的开坯锻造：将合金铸锭加热保温后出炉锻造，然后将铸锭加热至一定温度进行镦、拔变形，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℃进行变形；然后加热至β相变点以上15℃～40℃进行高温均匀化处理后再进行变形；降温至β相变点以下100℃～30℃进行变形至目标尺寸棒材；3)模锻成形：将锻坯模锻成形；4)热处理：进行固溶和时效双重热处理，得到TC25G钛合金锻件毛坯。本发明主要通过优化材料的锻坯制备工艺，提高锻件的组织稳定性，缩短了锻件制备流程，提高了材料利用率。制备得到的TC25G锻件组织为双态组织，工艺简单，可操作性强，锻件的组织均匀性和性能稳定性大幅提高。
Description
技术领域
本发明属于钛及钛合金加工领域，具体涉及到可在550℃长时使用的一种高温钛合金TC25G锻件的制备方法。
背景技术
钛合金具有轻质、耐温、高强韧、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用于航空、航天、海洋等领域。航空航天用钛合金结构件要求材料具有良好的持久、蠕变、高低周疲劳等性能，因此对选材料及材料微观组织的要求较高。钛合金的微观组织类型主要包括等轴、双态和片层(网篮和魏氏)组织，由于双态组织具有较好的综合性能，因此高温钛合金多选用双态组织。目前可在550℃长时使用的高温钛合金多为近α型，例如IMI829和TA32等，该类合金高温持久、蠕变和抗氧化性能较好，但强度偏低，限制了合金的应用。TC25G钛合金是在俄罗斯BT25钛合金的基础上增加Zr和Mo元素的含量研制而成的一种α+β两相钛合金。该合金具有耐高温、高强度和高韧性的“三高”特性，长时使用温度达550℃。俄罗斯在新型航空发动机中，大量选用TC25G合金制作高压压气机盘和转子叶片，我国某些在研先进航空发动机的压气机整体叶盘等高端部件拟采用TC25G合金，可以预见该合金在航空发动机结构件中具有广阔的应用前景。
传统工艺一般采用棒材作为坯料，经多火次热加工变形和热处理后得到锻件产品。由于钛合金具有较强的组织遗传性，且其性能受显微组织的影响较大，所以棒材的组织均匀性对锻件的性能及其稳定性的影响较大。受棒材组织均匀性波动的影响，传统工艺制备的锻件其冶金质量稳定性一直无法充分保证，影响了合金的使用性能和产品构件的寿命。基于此，开发出铸锭到锻件的全流程制备工艺，不仅可减少锻件制备工艺流程、提高锻件的冶金质量稳定性，还可以减少棒材冶金质量的检验和验收，提高生产效率，降低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TC25G钛合金锻件的热加工工艺，该工艺采用合金铸锭全流程直接制备出锻件，省去了棒材出入厂检验环节，节省了性能检验成本，减少了锻造火次，提高了从铸锭到锻件的成材率。相比传统工艺，锻件的组织均匀性和冶金质量稳定性显著提高。该工艺操作简单、可控性强、流程短、稳定性高，适用于工业化生产。
本发明提供一种TC25G钛合金锻件的热加工工艺，包括铸锭的开坯锻造、锻坯制备、模锻成形、热处理工序，具体包括如下步骤：
1)铸锭的开坯锻造：合金铸锭加热至1150～1250℃，长时间保温后出炉锻造变形，完成铸锭的均匀化处理和锻造，然后将铸锭加热至β相变点以上10℃～50℃，进行1～3火次的镦、拔变形，得到铸锭开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)中所得坯料在β相变点以下100℃～20℃进行2～5火次的变形；然后将坯料加热至β相变点以上15℃～40℃进行1～2火次的高温均匀化处理后再进行变形；再将坯料在β相变点以下100℃～30℃进行3～7火次的变形至目标尺寸，完成锻坯用棒材的热加工；最后根据锻坯的尺寸下料，得到锻坯。
3)模锻成形：将锻坯在β相变点以下70℃～35℃模锻成形，锻后空冷，得到模锻坯料。
4)热处理：将步骤3)所得到的模锻坯料进行固溶和时效双重热处理，得到TC25G钛合金锻件毛坯。
优选地，步骤1)所述铸锭加热至1150℃～1250℃的保温时间不低于10小时(进一步优选为30～60小时)，出炉后锻造总锻比不小于3(优选不小于4)，终锻温度不低于1000℃。
优选地，步骤1)所述铸锭β相变点以上10℃～50℃的变形，要求每火次的锻比不小于2.6，终锻温度不低于850℃。
优选地，步骤2)所述坯料在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℃。
优选地，步骤2)所述坯料加热至β相变点以上15℃～40℃进行1～2火次高温均匀化处理，坯料保温时间t1＝加热系数η1×δ1，δ1为锻坯截面尺寸的最小值，单位为毫米，加热系数η1＝0.3～0.5分钟/毫米；出炉后进行锻造，每火次的总锻比不小于3，坯料的终锻温度不低于850℃。
优选地，步骤2)所述坯料在β相变点以下100℃～30℃进行3～7火次的变形和整形，坯料的累计总锻比不小于12，每火次终锻温度不低于800℃。
进一步优选地，步骤2)所述坯料在β相变点以下100℃～30℃进行3～7火次的变形和整形，坯料的累计总锻比不小于12，其中β相变点以下80℃～40℃的总锻比不小于10，每火次终锻温度不低于800℃。
优选地，步骤2)所述坯料在β相变点以下100℃～30℃进行3～7火次的变形，锻坯最终的截面形状和尺寸是根据步骤3)中模锻件的要求设计得到的。
优选地，步骤1)和2)所述的坯料的变形在快锻机或水压机上进行。
优选地，步骤3)所述模锻成形，可采用等温或近等温模锻成形工艺，模具在坯料加热温度以下100℃～坯料加热温度范围内，变形速率为0.003s-1～0.03s-1；也可采用热模锻工艺成形，模具加热至200～600℃，变形速率为0.01s-1～0.1s-1，坯料表面可采用石棉包覆，以减小变形过程中的热量损耗。
优选地，步骤3)所述模锻成形在水压机或油压机上进行。
优选地，步骤4)所述模锻坯料进行固溶和时效双重热处理，所述的固溶热处理制度为：在不低于步骤3)模锻坯料加热温度且在β相变点以下45℃～15℃温度范围内进行固溶处理，保温1～4小时，固溶后空冷或风冷；所述的时效热处理为540℃～590℃条件下保温2～10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)本发明合金铸锭经β相区开坯后即进行锻坯制备，省去了棒材制备工序，工艺流程短、成本低；
2)锻坯制备采用“低-高-低”交替变形工艺替代传统的两相区镦拔工艺，提高了合金组织的均匀性；
3)模锻成形后的锻件在高于模锻温度且在β相变点以下45℃～15℃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。
4)本发明制备的TC25G锻件的组织为初生α相体积分数在10％～40％的双态组织，其室温强度在1080Mpa以上、屈服强度在935Mpa以上、延伸率在16％以上、断面收缩率在35％以上、断裂韧性在67Mpa·m1/2以上；其550℃强度在780Mpa以上、屈服强度在630Mpa以上、延伸率在18％以上、断面收缩率在50％以上、断裂韧性在85Mpa·m1/2以上。
附图说明
图1为实施例1制备的TC25G锻件饼坯在D/4位置的金相组织图片；
图2为实施例2制备的TC25G锻件饼坯在D/4位置的金相组织图片；
图3为实施例3制备的TC25G锻件饼坯在D/4位置的金相组织图片；
图4为实施例4制备的TC25G锻件饼坯在D/4位置的金相组织图片；
图5为实施例5制备的TC25G第二级整体叶盘叶片位置的金相组织图片；
图6为实施例5制备的TC25G第二级整体叶盘轮缘位置的金相组织图片；
图7为实施例5制备的TC25G第二级整体叶盘辐板位置的金相组织图片；
图8为实施例6制备的TC25G第一级整体叶盘叶片位置的金相组织图片；
图9为实施例6制备的TC25G第一级整体叶盘轮缘位置的金相组织图片；
图10为实施例6制备的TC25G第一级整体叶盘辐板位置的金相组织图片。
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：6.55％，Sn：2.1％，Zr：4.0％，Mo：4.1％，Si：0.2％，W：1.02％，H：0.009％，O：0.03％，N：0.006％，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相变点为985℃；
1)铸锭开坯锻造：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，完成铸锭的均匀化处理和锻造。然后将铸锭加热至1015℃，进行2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1.7，终锻温度不低于850℃，锻后空冷，得到开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)所得坯料加热至955℃，在水压机上进行3火次的镦粗和拔长变形，每火次完成一镦一拔，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800℃。然后将坯料加热至1010℃进行高温均匀化处理，出炉后在水压机上完成一镦一拔，镦粗和拔长的锻比均为1.67，锻后空冷，终锻温度不低于850℃；再将坯料加热至945℃，在4500吨压机进行3火次的镦粗和拔长变形，每次镦粗和拔长的锻比均为1.7，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，累计锻比约为3.5，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。坯料表面车光后获得直径为350mm的坯料；最后采用锯床切割直径为350mm，高度为300mm的锻坯若干个。
3)模锻成形：将步骤2)所得锻坯采用等温锻造进行模锻成形，平板模具和坯料加热温度均为940℃，变形速率为0.005s-1，变形量为60％，锻后空冷，得到模锻饼坯。
4)热处理：将步骤3)所得到的模锻饼坯进行双重热处理，第一重热处理制度为960℃保温2小时后空冷，第二重热处理制度为540℃保温6小时后空冷。最后表面车光，得到锻件毛坯。
表1实施例1中TC25G锻件的力学性能
实施例2：
实施例2与实施例1所采用的铸锭、铸锭的开坯锻造工艺、锻坯制备工艺、模锻成形工艺和锻件的第一重热处理制度均相同，不同之处是模锻饼坯的第二重热处理制度。实施例2的第二重热处理制度为570℃保温6小时后空冷。最后表面车光，得到锻件毛坯。
表2实施例2中TC25G锻件的力学性能
实施例3：
实施例3与实施例1所采用的铸锭、铸锭的开坯锻造工艺、锻坯制备工艺、模锻成形工艺和锻件的第二重热处理制度均相同，不同之处是模锻饼坯的第一重热处理后的冷却方式。实施例3的第一重热处理制度为960℃保温2小时后风冷。最后表面车光，得到锻件毛坯。
表3实施例3中TC25G锻件的力学性能
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：6.61％，Sn：2.0％，Zr：4.0％，Mo：3.9％，Si：0.21％，W：0.99％，H：0.008％，O：0.015％，N：0.007％，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相变点为987℃；
1)铸锭的开坯锻造：合金铸锭加热至1150℃，保温40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。然后将铸锭加热至1007℃，进行2火次的镦粗和拔长变形，镦粗和拔长的锻比均为1.7，终锻温度不低于850℃，锻后空冷，得到铸锭开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)所得坯料加热至957℃，在水压机上进行2火次的变形，总锻比不小于6，终锻温度不低于800℃。然后将坯料加热至1010℃进行2火次高温均匀化处理，每火次出炉后完成一镦一拔变形，每火次总锻比为3.2，终锻温度不低于850℃；再将坯料加热至957℃，在水压机进行1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937℃，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937℃，进行2火次的拔长和滚圆整形，累计锻比约为2.9，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。坯料表面车光后获得直径为300mm的坯料；最后采用锯床切割直径为300mm，高度为120mm的锻坯若干个。
3)模锻成形：将步骤2)所得锻坯采用等温锻造进行模锻成形，平板模具和坯料加热温度均为940℃，变形速率为0.005s-1，变形量为50％，锻后空冷，得到模锻饼坯。
4)热处理：将步骤3)所得到的模锻饼坯进行双重热处理，第一重热处理制度为，957℃保温2小时后风冷，第二重热处理制度为540℃保温6小时后空冷。最后表面车光，得到锻件毛坯。
表4实施例4中TC25G锻件的力学性能
实施例5：
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：6.68％，Sn：2.0％，Zr：3.8％，Mo：3.9％，Si：0.2％，W：1.00％，H：0.012％，O：0.02％，N：0.007％，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相变点为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1.67，锻后空冷，完成铸锭的均匀化处理。然后将铸锭加热至1010℃，进行2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，终锻温度不低于850℃，锻后空冷，得到铸锭开坯后的坯料。
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1.67，然后在960℃，进行1火次的拔长变形，拔长的锻比均为1.5，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，出炉完成一镦一拔变形，拔长和镦粗的锻比均为1.7，终锻温度不低于850℃；再将坯料加热至945℃，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940℃，进行1火次的拔长和滚圆整形，得到直径为530mm的坯料，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。坯料表面车光后获得直径为515mm的坯料；最后采用锯床切割直径为515mm，高度为160mm的锻坯若干个。
3)模锻成形：将步骤2)所得锻坯采用等温锻造成形，等温锻模具选用某发动机用第二级整体叶盘毛坯专用模具，模具加热温度为950℃，坯料加热温度为950℃，变形初始阶段采用快速下压，变形速率约为0.01s-1，下压行程约为总行程的70％，然后采用慢速下压，变形速率约为0.003s-1，下压行程约为总行程的30％，锻后空冷，得到模锻饼坯。
4)热处理：将步骤3)所得到的模锻饼坯进行双重热处理，第一重热处理制度为960℃保温2.5小时后空冷，第二重热处理制度为540℃保温6小时后空冷。最后表面车光，得到锻件毛坯。
表5实施例5中TC25G锻件的力学性能
实施例6：
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：1.9％，Zr：3.9％，Mo：4.0％，Si：0.22％，W：1.05％，H：0.0075％，O：0.04％，N：0.005％，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，采用金相法检测合金铸锭的β相变点为993℃；
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。然后将铸锭加热至1023℃，进行2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，终锻温度不低于850℃，锻后空冷，得到铸锭开坯后的坯料。
2)锻坯制备：将步骤1)所得坯料加热至953℃，在水压机上进行2火次的镦拔长变形和1火次的拔长变形，总锻比不小于10，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。然后将坯料加热至1003℃进行高温均匀化处理，出炉后完成一镦一拔，拔长和镦粗的锻比均为1.7，终锻温度不低于850℃；再将坯料加热至953℃，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943℃，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1.7，锻后空冷；最后将坯料加热至943℃，进行1火次的拔长和滚圆整形，得到直径为415mm的坯料，锻后空冷，终锻温度不低于800℃。坯料表面车光后获得直径为400mm的坯料；最后采用锯床切割直径为400mm，高度为250mm的锻坯若干个。
3)模锻成形：将步骤2)所得锻坯采用热模锻成形，热模锻模具选用某发动机用第一级整体叶盘毛坯专用模具，模具加热温度为300～500℃，坯料加热温度为948℃，变形初始阶段采用快速下压，变形速率约为0.05s-1，下压行程约为总行程的80％，随后采用慢速下压，变形速率约为0.02s-1，下压行程约为总行程的20％，锻后空冷，得到模锻饼坯。4)热处理：将步骤3)所得到的模锻饼坯进行双重热处理，第一重热处理制度为958℃保温2.5小时后风冷，第二重热处理制度为540℃保温6小时后空冷。最后表面车光，得到锻件毛坯。
表6实施例6中TC25G锻件的力学性能
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 (3)
1.一种TC25G钛合金锻件的热加工工艺，包括铸锭的开坯锻造、锻坯制备、模锻成形、热处理工序，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)铸锭的开坯锻造：将合金铸锭加热至1150～1250℃，保温时间不低于10小时，保温后出炉锻造，总锻比不小于3，终锻温度不低于1000℃，完成铸锭的均匀化处理和锻造；然后将铸锭加热至β相变点以上10℃～50℃，进行1～3火次的镦、拔变形，每火次的总锻比不小于2.6，终锻温度不低于850℃，得到β相区开坯后的坯料；
2)锻坯制备：将步骤1)中所得坯料在β相变点以下100℃～20℃进行2～5火次的变形，累计总锻比不低于5，终锻温度不低于800℃；然后将坯料加热至β相变点以上15℃～40℃进行1～2火次高温均匀化处理后再进行变形，出炉后进行锻造，每火次的锻比不小于3，坯料的终锻温度不低于850℃；再将坯料在β相变点以下100℃～30℃进行3～7火次的变形，坯料的累计总锻比不小于12，每火次终锻温度不低于800℃，变形至目标尺寸棒材，完成锻坯用棒材的热加工；最后根据锻坯的尺寸下料，得到锻坯；
3)模锻成形：将锻坯在β相变点以下70℃～35℃模锻成形，锻后空冷，得到模锻坯料；
采用等温、近等温或热模锻成形工艺；
采用等温或近等温模锻成形工艺时，模具在坯料加热温度以下100℃～坯料加热温度范围内加热保温，变形速率为0.003s-1～0.03s-1；
采用热模锻成形工艺时，模具加热至200～600℃，变形速率为0.01s-1～0.1s-1，坯料表面采用石棉包覆；
4)热处理：将步骤3)得到的模锻坯料进行固溶和时效双重热处理，得到TC25G钛合金锻件毛坯；
所得锻件的组织为初生α相体积分数在10％～40％的双态组织，其室温强度在1080Mpa以上、屈服强度在935Mpa以上、延伸率在16％以上、断面收缩率在35％以上、断裂韧性在67Mpa·m1/2以上；其550℃强度在780Mpa以上、屈服强度在630Mpa以上、延伸率在18％以上、断面收缩率在50％以上、断裂韧性在85Mpa·m1/2以上。
2.按照权利要求1中所述TC25G钛合金锻件的热加工工艺，其特征在于：步骤2)所述坯料加热至β相变点以上15℃～40℃进行1～2火次高温均匀化处理，坯料保温时间t1＝加热系数η1×δ1，δ1为锻坯截面尺寸的最小值，单位为毫米，加热系数η1＝0.3～0.5分钟/毫米。
3.按照权利要求1中所述TC25G钛合金锻件的热加工工艺，其特征在于：步骤4)中，所述的固溶热处理制度为：在不低于步骤3)模锻坯料加热温度且在β相变点以下45℃～15℃温度范围内进行固溶处理，保温1～4小时，固溶后空冷或风冷；所述时效热处理为540℃～590℃保温2～10小时后空冷。
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