CN111318581B - 一种网篮组织钛合金大规格环件的制造方法 - Google Patents

一种网篮组织钛合金大规格环件的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，特别涉及一种α+β两相钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将钛合金坯料加热至β相变点以下20～50℃，镦粗、冲孔和整形，得到环轧轧坯；2)然后环轧轧坯在相变点以下20～50℃扩孔至工艺尺寸；3)接着将环轧轧坯在相变点以上25～80℃环轧轧成形；最后进行固溶+时效双重热处理，得到钛合金环件。采用该工艺制备的钛合金环件为网篮组织，具有较高的断裂韧性和持久、蠕变抗力，更符合航空航天发动机用机匣、加力筒体等环形构件对钛合金材料高损伤容限和高持久、蠕变抗力的设计要求。

Description

一种网篮组织钛合金大规格环件的制造方法
技术领域
本发明属于钛及钛合金加工领域，具体涉及到一种网篮组织钛合金大规格环件的制造方法。
背景技术
高温钛合金包括近α型和α+β两相钛合金，近α型钛合金高温蠕变和持久性能优异，但强度、断裂韧性和塑性较低；α+β两相钛合金塑性好，强度高，但高温蠕变、持久抗力较低。此外钛合金的性能受显微组织的影响也较大，钛合金典型的微观组织类型主要包括等轴、双态、网篮和魏氏组织。等轴组织具有良好的拉伸塑性和疲劳强度，但是持久和蠕变强度较低；网篮组织蠕变、持久抗力和断裂韧性较高，室温塑性略低；双态组织介于等轴组织和网篮组织之间，可通过控制初生α相含量调节材料的性能。魏氏组织的室温塑性和强度均偏低，一般不采用。为了平衡合金的综合性能，对于塑性较差的高温钛合金锻件，特别是近α型高温钛合金一般选用双态组织，例如Ti60，Ti1100等；而塑性较好的高温钛合金锻件一般通过β锻造得到网篮组织，例如TC4，TC17、Ti6246等。
此外，不同构件对材料性能的要求存在较大差异。机匣和加力筒体为静止受力件，对材料高温蠕变和持久性能的要求较高，因此网篮组织的钛合金环件更适合用于制备机匣和加力筒体。但由于理想的网篮组织对β相区成形工艺的要求较高，因此高温钛合金环件多采用可控性强的α+β相区轧制工艺。这显然不能充分发挥出机匣和加力筒体等高温受力件对持久和蠕变性能的需求。
本发明公开一种适用于钛合金环件在β相区成形的热加工工艺，本发明制备的钛合金环件为网篮组织，各项性能均满足相应发动机型号标准和行业标准的规定，且其蠕变和持久抗力均优于双态组织或等轴组织的钛合金环件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于钛合金环件在β相区成形的热加工工艺，采用该工艺制备的钛合金环件为网篮组织，与传统双态组织环件相比，其高温蠕变、持久抗力和断裂韧性较传统工艺大幅提升，更符合航空航天发动机用机匣、加力筒体等环形构件对钛合金材料高损伤容限和高持久、蠕变抗力的设计要求。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
1）环轧坯制备：将钛合金坯料加热至β相变点以下50~30℃，镦粗后冲孔、整形，得到环轧坯；
2）扩孔：环轧坯在β相变点以下50~20℃扩孔至工艺尺寸；
3）终轧：锻坯加热至β相变点以上40~60℃后在环轧机上轧制成形；
4）热处理：环件通过α+β两相区固溶和低温时效热处理，得到网篮组织的钛合金环件。
优选地，步骤1）所选用的钛合金为α+β两相钛合金，其平衡组织在室温的β相含量不低于8%。
优选地，步骤1）所述钛合金坯料是经过α+β两相区多火次热变形得到的。
进一步优选地，坯料的低倍组织为模糊晶，高倍组织为两相区变形组织，其中初生α相的体积分数≥20%。
优选地，步骤2）中坯料的镦粗变形量不低于30%，变形速率在0.05~0.1s-1。
优选地，步骤1）和步骤2）中，坯料在工艺温度的保温时间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=0.6~0.9分钟/毫米。
优选地，步骤3）终轧工艺要求一次轧制完成变形，环轧变形量在30~80%，变形后风冷或空冷。
进一步优选地，步骤3）终轧温度低于β相变点且不低于合金β相变点以下15℃。
进一步优选地，步骤3）环件在β相变点以上的变形量应大于总变形量的70%，且在β相变点以下的变形量不低于总变形量的10%。
进一步优选地，步骤3）环轧后环件的单边加工余量大于表面极冷层的厚度，一般要求在7~15mm，保证合金环件组织的均匀性。
优选地，步骤3）中，坯料的加热方式为：坯料在β相变点以下30~20℃保温，保温时间的加热系数按照0.6~0.9分钟/毫米计算，保温后随炉升温至工艺温度，保温时间的加热系数按照0.1~0.5分钟/毫米计算。
进一步优选地，步骤3）坯料的加热方式为：坯料在β相变点以下30~20℃保温，保温时间的加热系数按照0.6~0.9分钟/毫米计算，然后随炉升温至β相变点以上5~15℃，保温时间的加热系数按照0.3~0.5分钟/毫米计算，最后坯料随炉升温至工艺温度，保温时间的加热系数按照0.15~0.25分钟/毫米计算，炉温的升温速率不小于2℃/min。
优选地，步骤4）所述锻件经α+β两相区固溶和时效热处理，在固溶温度下合金组织中α相的体积分数不小于15%。合金的固溶温度为：β相变点以下60~15℃，保温1~3h；时效温度为：470℃~780℃，保温4~30h。
进一步优选地，步骤4）所述锻件经α+β两相区固溶热处理，在固溶温度下合金组织中α相的体积分数在25%~50%之间。
优选地，本发明所述步骤4）中得到的网篮组织的钛合金环件为外径不小于450mm，内径不小于300mm，高度不小于150mm的大规格环件。
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）本发明通过提高环轧加热温度确保环件在β相区的变形量，通过工艺的控制得到网篮组织。
2）本发明采用分级加热，缩短终轧时坯料在工艺温度的保温时间，减小原始β晶粒的尺寸，提高环件的综合性能。
3）本发明制备的钛合金环件的组织为网篮组织，不存在连续的晶界α相。与传统双态组织的锻件相比，材料的蠕变、持久抗力大幅提升。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的大规格TC17环件的高倍组织照片。
图2为本发明实施例2制备的大规格TC17环件的高倍组织照片。
图3为本发明实施例3制备的大规格Ti6246环件的高倍组织照片。
图4为本发明实施例4制备的大规格Ti6246环件的高倍组织照片。
具体实施方式
实施例1：
原材料采用规格为Ф300×400mm的TC17钛合金棒材，合金各成分的重量百分比为Al：5.00%，Cr：4.01%，Zr：1.98%，Mo：3.81%，Sn：2.00%， Fe：0.06%，C：0.02%，H：0.005%，O：0.056%，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905℃；棒材组织为双态组织，初生α相的体积分数约为40%，低倍组织为模糊晶。环件的制备过程如下：
1）环轧坯制备：将坯料加热至875℃，保温240min后在水压机上依次进行镦粗和冲孔，得到外径为410mm，内径130mm，高度为200mm的环坯，其中镦粗变形量为50%，变形速率为0.067s-1；冲孔后对坯料进行整形；
2）扩孔：将坯料加热至875℃，保温130min后采用马架扩孔、整形，得到外径为500mm，内径250mm，高度为155mm的预轧坯；
3）终轧：将预轧坯加热至955℃保温25min后在环轧机上进行成形，得到外径为640mm，内径500mm，高度为170mm的环件。其中预轧坯的加热方式为：坯料在885℃保温100min后，然后随炉升温至915℃，保温时间为50min，最后坯料随炉升温至955℃保温25min，炉温的升温速率为3℃/min。
4）热处理：环件经865℃保温2小时后空冷和630℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为615mm，内径525mm，高度为150mm的环件。
表1 实施例1中TC17环件的力学性能
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实施例2：
原材料采用规格为Ф300×500mm的TC17钛合金棒材，合金各成分的重量百分比为Al：5.05%，Cr：3.98%，Zr：2.00%，Mo：3.86%，Sn：1.98%， Fe：0.05%，C：0.017%，H：0.008%，O：0.07%，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相变点为905℃；棒材组织为双态组织，初生α相的体积分数约为40%，低倍组织为模糊晶。环件的制备过程如下：
1）环轧坯制备：将坯料加热至875℃，保温240min后在水压机依次进行镦粗和冲孔，得到外径为470mm，内径130mm，高度为200mm的环坯，其中镦粗变形量为60%，变形速率为0.08s-1；优选地，冲孔后对坯料进行整形；
2）扩孔：将坯料加热至875℃，保温150min后采用环轧机进行扩孔、整形，得到外径为530mm，内径350mm，高度为250mm的预轧坯；
3）终轧：将预轧坯加热至965℃保温25min后在环轧机上进行成形，得到外径为630mm，内径520mm，高度为300mm的环件。其中预轧坯的加热方式为：步骤2）得到预锻直接回炉在875℃保温60min后，然后随炉升温至915℃，保温时间为40min，最后坯料随炉升温至965℃保温25min，炉温的升温速率为3℃/min。
4）热处理：环件经855℃保温2小时后空冷和630℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为615mm，内径545mm，高度为285mm的环件。
表2 实施例2中TC17环件的力学性能
Figure 102398DEST_PATH_IMAGE002
实施例3：
原材料采用规格为Ф300×400mm的Ti6246钛合金棒材，合金各成分的重量百分比为Al：6.1%，Sn：2.0%，Zr：4.01%，Mo：6.02%，Fe：0.04%，C:0.005%，H：0.006%，O：0.07%，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相变点为937℃；棒材组织为双态组织，初生α相的体积分数约为40%，低倍组织为模糊晶。环件的制备过程如下：
1）环轧坯制备：将坯料加热至907℃，保温240min后在2000t水压机依次进行镦粗和冲孔，得到外径为410mm，内径130mm，高度为200mm的环坯，其中镦粗变形量为50%，变形速率为0.07s-1；优选地，冲孔后对坯料进行整形；
2）扩孔：将坯料加热至907℃，保温130min后采用马架扩孔、整形，得到外径为500mm，内径250mm，高度为155mm的预轧坯；
3）终轧：将预轧坯加热至977℃保温25min后在环轧机上进行成形，得到外径为640mm，内径500mm，高度为170mm的环件。其中预轧坯的加热方式为：坯料在907℃保温100min后，然后随炉升温至942℃，保温时间为50min，最后坯料随炉升温至977℃保温25min，炉温的升温速率为4℃/min。
4）热处理：环件经900℃保温2小时后空冷和593℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为615mm，内径525mm，高度为150mm的环件。
表3 实施例3中Ti6246环件的力学性能
Figure DEST_PATH_IMAGE003
实施例4：
原材料采用规格为Ф300×500mm的Ti6246钛合金棒材，合金各成分的重量百分比为Al：6.07%，Sn：1.98%，Zr：3.99%，Mo：6.03%，Fe：0.03%，C:0.008%，H：0.004%，O：0.067%，N：0.0042%，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935℃；棒材组织为双态组织，初生α相的体积分数约为35%，低倍组织为模糊晶。环件的制备过程如下：
1）环轧坯制备：将坯料加热至905℃，保温240min后在水压机依次进行镦粗和冲孔，得到外径为470mm，内径130mm，高度为200mm的环坯，其中镦粗变形量为60%，变形速率为0.1s-1；优选地，冲孔后对坯料进行整形；
2）扩孔：将坯料加热至905℃，保温150min后采用环轧机进行扩孔、整形，得到外径为530mm，内径350mm，高度为250mm的预轧坯；
3）终轧：将预轧坯加热至995℃保温20min后在环轧机上进行成形，得到外径为630mm，内径520mm，高度为300mm的环件。其中预轧坯的加热方式为：坯料加热至905℃保温60min后，然后随炉升温至947℃，保温时间为40min，最后坯料随炉升温至995℃保温20min，炉温的升温速率为4℃/min。
4）热处理：环件经905℃保温2小时后空冷和593℃保温6h后空冷得到环件毛坯，最后经粗加工得到外径为615mm，内径545mm，高度为285mm的环件。
表4 实施例4中Ti6246环件的力学性能
Figure 81855DEST_PATH_IMAGE004
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 (8)

1.一种网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1）环轧坯制备：将钛合金坯料加热至β相变点以下50~30℃，镦粗后冲孔、整形，得到环轧坯；
2）扩孔：环轧坯在β相变点以下50~20℃扩孔至工艺尺寸；
3）终轧：锻坯加热至β相变点以上40~60℃后在环轧机上轧制成形；终轧工艺要求一次轧制完成变形，环轧变形量在30~80%，终轧温度低于β相变点且不低于合金β相变点以下15℃，环件在β相变点以上的变形量大于总变形量的70%，且在β相变点以下的变形量不低于总变形量的10%；变形后风冷或空冷；
4）热处理：环件通过α+β两相区固溶和低温时效热处理，得到网篮组织的钛合金环件。
2.按照权利要求1所述网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于：所选用的钛合金为α+β两相钛合金，其平衡组织在室温下β相的含量不低于8%。
3.按照权利要求1所述网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于：步骤1）所述钛合金坯料是经过α+β两相区多火次热变形得到的；坯料的低倍组织为模糊晶，高倍组织为两相区变形组织，其中初生α相的体积分数≥20%。
4.按照权利要求1所述网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于：步骤1）所述环轧坯坯料的镦粗变形量不低于30%，变形速率在0.05~0.1s-1。
5.按照权利要求1所述网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于：步骤1）和步骤2）中，坯料在工艺温度的保温时间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=0.6~0.9分钟/毫米。
6.按照权利要求1所述网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于：步骤3）中，坯料的加热方式是采用分级加热，首先坯料在β相变点以下30~20℃保温，保温后随炉升温至工艺温度，且在工艺温度的保温时间t2=加热系数η2×δ2，δ2为锻坯截面尺寸的最小值，单位为毫米，加热系数η2=0.1~0.5 分钟/毫米。
7.按照权利要求1所述网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于：步骤4）中，锻件经α+β两相区固溶和时效热处理，在固溶温度下合金组织中α相的体积分数不小于15%；合金的固溶温度为：β相变点以下60~15℃，保温1~3h；时效温度为：470℃~780℃，保温4~30h。
8.按照权利要求1所述网篮组织钛合金大规格环件的制造方法，其特征在于：所述步骤4）中得到的网篮组织的钛合金环件的尺寸为外径不小于450mm，内径不小于300mm，高度不小于150mm。
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