CN111390079A - 一种超大规格tc4合金饼材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大规格TC4合金饼材的制备方法，饼材采用TC4合金铸锭，锻造下料后经过热镦拔加工、滚圆成型、退火处理、机加的方式进行生产，规格可以达到φ（300～700）×（200～700）mm。需要注意的是TC4合金饼材在锻造加工退火后需要进行超声波探伤，做内部质量无损检测，采用发明可以成功实现无损探伤可行性，避免饼材超声波探伤过程中无回波或回波微弱不能达到检测要求的问题。本产品应用在舰船压气叶轮方面，在常温下有910MPa以上的抗拉强度及850MPa以上屈服强度，且延伸率也在20%以上。

Description

一种超大规格TC4合金饼材的制备方法
技术领域
本发明属于钛合金加工制造技术领域，具体涉及一种超大规格TC4合金饼材的制备方法。
背景技术
舰船压气叶轮是轮船驱动力来源，制造过程中技术及资金投入较大，为有效提高其使用寿命，降低舰船压气叶轮在海洋环境中的腐蚀性，采用高性能TC4钛合金饼材作为舰船压气叶轮。本发明介绍了一种超大规格TC4钛合金饼材工业化生产工艺，在常规锻造及热处理工艺的基础上采用新型锻造方式、加热方式和冷却方式，细化加工过程参数控制，从而达到合金饼材超声波探伤可探性提高的目的。室温状态下：Rm≥910MPa，Rp0.2≥850MPa，A≥20%；高低倍组织均匀细小。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种超大规格TC4合金饼材的制备方法，TC4合金饼材采用多次多方向换向自由锻造，锻后采用空冷的冷却方式，配合八方滚圆成型技术，需要注意的是TC4合金饼材在锻造加工退火后需要进行超声波探伤，做内部质量无损检测，采用本发明可以成功实现无损探伤可行性，成功实现饼材内部超声波探伤可行性，成功消除饼材超声波探伤过程中无回波或回波微弱不能达到无损检测的问题。本产品应用在舰船压气叶轮机方面，在同等条件下减轻舰船重量和推动噪声比。在常温下有910MPa以上的抗拉强度及850MPa以上屈服强度，且延伸率也在20%以上。
本发明技术方案如下：
一种超大规格TC4合金饼材的制备方法，该方法通过采用TC4合金真空熔炼铸锭，锻造下料后经过热镦拔加工、空冷、滚圆成型、退火处理、机加、超声波探伤检验、再机加的方式进行生产，得到规格为φ（300～700）×（200～700）mm的超大规格TC4合金饼材。
具体包括以下步骤：
（1）坯料下料：根据目标饼材的规格进行锯切下料；
下料重量根据锻造熟练度、车削余量、是否预留试样等条件一般控制在成品重量的1.5～2.0倍。根据下料的重量及锻造高径比对坯料的直径、高度（长度）进行计算，计算后设置此直径为铸锭开坯锻造的目标直径。
下料重量计算：
重量（Kg）=（成品饼材半径+15mm）2×3.14×4.5×（成品饼材长度+100mm）/1000/1000。
下料规格计算：
（坯料直径/2）2×3.14×坯料长度×4.5/1000/1000=重量kg，且满足：坯料重量/坯料直径=2.0～2.5。
铸锭化学成分要求： Al：5.5～6.75%，V：3.5～4.5%，其余杂质含量符合ASM 4928N航空材料标准要求。
（2）坯料加热：将坯料放入电加热炉中加热，坯料采用800℃热装炉，升温及到温后保温时间均控制在0.5～0.8min/mm；TC4钛合金相变点温度Tβ在990～995℃之间，将坯料放入电加热炉中加热，坯料在相变点温度Tβ+100℃单相区加热开坯锻造和Tβ-（30-40）℃两相区成型锻造。
（3）坯料镦拔：采用初始形状为四方，换向三镦三拔的方式细化坯料晶粒，改善材料内部组织和性能；
采用坯料四方（微倒棱）换向三镦三拔的方式细化坯料晶粒，改善材料内部组织、性能。具体实现方式：从长度方向（坯料原始周向：X轴）对坯料进行镦粗，然后从Y轴方向对坯料进行拔长；从Y轴方向进行镦粗，从Z轴方向进行拔长；从Z轴方向进行镦粗，从X轴方向进行拔长。保证每次拔长后坯料规格一致，通常钛材锻造的高径比设置在2.0～2.5之间，镦粗过程压下量均控制在40～50%的范围内。冷却、修磨，往复3～4次，且后一火次的加热温度不能高于前一火次的加热温度。由此多次换向三镦三拔可充分细化晶粒，去除锻造变形死区，使组织均匀，消除材料的各向异性。
饼材成型：将坯料放入电加热炉中，加热温度控制在Tβ-40℃两相区内，到温后保温时间控制在0.5～0.8min/mm以内，在最后一个火次坯料形状上加工成品规格并留有冷加工余量10～15%。
（4）饼材无应力退火：将饼材成品坯料放入温度为700±10℃电加热退火炉中加热，保温时间按每50mm轴向长保温60min计算，后出炉空冷；
（5）探伤尺寸机加：车光至成品直径预留3～5mm探伤余量进行机加工，饼材表面粗糙度不大于3.2μm，超声波探伤检验，执行标准MIL-STD-2154。车去探伤余量得到超大规格TC4合金饼材；成品机加：车光至成品饼材直径，粗糙度≤3.2μm。
本发明有益效果：
本发明以自由锻造、无应力退火、机加工、超声探伤的工艺流程，成功生产出直径φ（300～700）×（200～700）mm特大规格TC4钛合金饼材。本发明主要突破了特大规格TC4钛合金饼材在锻造加工过程中组织均匀性控制、无应力退火后无法进行超声波探伤的问题，成功解决特大规格TC4钛合金饼材内部无损检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1：实施例1中Ф670×360mm饼材边部高倍组织图（200×）；
图2：实施例1中Ф670×360mm饼材二分之一半径处高倍组织图（200×）；
图3：实施例1中Ф670×360mm饼材心部高倍组织图（200×）；
图4：实施例2中Ф485×230mm饼材边部高倍组织图（200×）；
图5：实施例2中Ф485×230mm饼材二分之一半径处高倍组织图（200×）；
图6：实施例2中Ф485×230mm饼材心部高倍组织图（200×）。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明进一步的阐述。
本发明公开了一种超大规格TC4合金饼材的制备方法，总体流程：TC4钛合金坯料下料、TC4合金坯料单相区镦拔、TC4合金坯料两相区多次换向镦拔锻造、饼材成型锻造、无应力退火、成品机加（有探伤余量）、超声波探伤、成品机加。
实施例1
本发明公开了一种超大规格TC4合金饼材的制备方法，具体实施如下：
（1）原料选择：TC4钛合金铸锭化学元素百分比重量%见下表：
元素 百分含量%
Al 6.5
V 4.1
Fe 0.15
C 0.02
O 0.165
N 0.02
H 0.005
原料密度4.5g/cm3，相变点温度Tβ为995℃。坯料规格：重量约800kg，坯料直径640mm，坯料长度550mm。
（2）锻造工艺：单相区在Tβ+100℃温度下保温，3火次单向镦拔；两相区在Tβ-30℃温度下保温，换向镦拔：从长度方向（坯料原始周向：X轴）对坯料进行镦粗，然后从Y轴方向对坯料进行拔长；从Y轴方向进行镦粗，从Z轴方向进行拔长；从Z轴方向进行镦粗，从X轴方向进行拔长。每火次换2个方向镦拔，镦粗过程压下量均为40～45%。每火次锻造结束后采用空冷方式冷却、表面修磨后再加热锻造，往复4次。最后1火次锻造，在两镦两拔后将坯料拔长至八方690×430mm棒坯。
（3）饼材成型锻造：在Tβ-40℃温度下加热保温后，将690×430mm棒坯加工成Ф690×430mm的饼坯。
（4）无应力退火工艺：在电加热退火炉中保持温度在700±10℃，把Ф690×430mm饼坯放入电加热炉中进行无应力退火，到温后保温500min，空冷。
（5）机加工：饼材车至Ф680×370mm，表面粗糙度≤3.2μm。
（6）内部质量检验：超声波探伤，执行标准MIL-STD-2154。
（7）成品机加工：将饼材车光至成品规格：外径Ф670±2mm，长度360±5mm。
检测结果：
TC4合金饼材经过无应力退火后，取饼材边部横向力学性能如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
TC4合金饼材高倍组织图如1、图2、图3所示：高倍组织应是а+β两相区加工的均匀组织，所有饼材原始β晶粒边界应充分破碎，无连续的、平直的晶界а相，退火态饼材初生а相含量控制在50-70%。
TC4合金饼材无损探伤水平：饼材上下两端面探伤未发现单个反射信号超标（2.0mm）缺陷，杂波水平≤Ф3.2-9dB。
实施例2
本发明公开了一种超大规格TC4合金饼材的制备方法，具体实施如下：
（1）原料选择：TC4钛合金铸锭化学元素百分比重量%见下表：
元素 百分含量%
Al 6.5
V 4.1
Fe 0.15
C 0.02
O 0.165
N 0.02
H 0.005
原料密度4.5g/cm3，相变点温度Tβ为995℃。坯料规格：重量约300kg，坯料直径640mm，坯料长度210mm。
（2）锻造工艺：单相区在Tβ+100℃温度下保温，3火次单向镦拔；两相区在Tβ-30℃温度下保温，换向镦拔：从长度方向（坯料原始周向：X轴）对坯料进行镦粗，然后从Y轴方向对坯料进行拔长；从Y轴方向进行镦粗，从Z轴方向进行拔长；从Z轴方向进行镦粗，从X轴方向进行拔长。每火次换2个方向镦拔，镦粗过程压下量均为40～45%。每火次锻造结束后采用空冷方式冷却、表面修磨后再加热锻造，往复4次。最后1火次锻造，在两镦两拔后将坯料拔长至八方500×260mm棒坯。
（3）饼材成型锻造：在Tβ-40℃温度下加热保温后，将500×260mm棒坯加工成Ф500×260mm的饼坯。
（4）无应力退火工艺：在电加热退火炉中保持温度在700±10℃，把Ф500×260mm饼坯放入电加热炉中进行无应力退火，到温后保温320min，空冷。
（5）机加工：饼材车至Ф490×240mm，表面粗糙度≤3.2μm。
（6）内部质量检验：超声波探伤，执行标准MIL-STD-2154。
（7）成品机加工：将饼材车光至成品规格：外径Ф485±2mm，长
度230±5mm。
检测结果：
TC4合金饼材经过无应力退火后，取饼材边部横向力学性能如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
TC4合金饼材高倍组织图如图4、图5、图6所示：高倍组织应是а+β两相区加工的均匀组织，所有饼材原始β晶粒边界应充分破碎，无连续的、平直的晶界а相，退火态饼材初生а相含量控制在50-70%。
TC4合金饼材无损探伤水平：饼材上下两端面探伤未发现单个反射信号超标（2.0mm）缺陷，杂波水平≤Ф3.2-9dB。

Claims (7)

1.一种超大规格TC4合金饼材的制备方法，其特征在于，该方法通过采用TC4合金真空熔炼铸锭，坯料下料后经过热镦拔加工、空冷、滚圆成型、退火处理、机加、超声波探伤检验、再机加的方式进行生产，得到规格为φ（300～700）×（200～700）mm的超大规格TC4合金饼材。
2.根据权利1所述的超大规格TC4合金饼材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）坯料下料：根据目标饼材的规格进行锯切下料；
（2）坯料加热：将坯料放入电加热炉中加热，坯料采用800℃热装炉，升温及到温后保温时间均控制在0.5～0.8min/mm；
（3）坯料镦拔：采用初始形状为四方，换向三镦三拔的方式细化坯料晶粒，改善材料内部组织和性能；
（4）饼材无应力退火：将饼材成品坯料放入温度为700±10℃电加热退火炉中加热，保温时间按每50mm轴向长保温60min计算，后出炉空冷；
（5）探伤尺寸机加：车光至成品直径预留3～5mm探伤余量进行机加工，饼材表面粗糙度不大于3.2μm，车去探伤余量得到超大规格TC4合金饼材。
3.根据权利2所述的超大规格TC4合金饼材的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）下料中，下料的重量为成品重量的1.5～2.0倍。
4.根据权利2所述的超大规格TC4合金饼材的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）坯料加热中，坯料在相变点温度Tβ+100℃单相区加热开坯锻造和Tβ-（30-40）℃两相区成型锻造。
5.根据权利2所述的超大规格TC4合金饼材的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）坯料镦拔具体为：从长度X轴方向对坯料进行镦粗，然后从Y轴方向对坯料进行拔长；从Y轴方向进行镦粗，从Z轴方向进行拔长；从Z轴方向进行镦粗，从X轴方向进行拔长。
6.根据权利2所述的超大规格TC4合金饼材的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）坯料镦拔中，镦粗过程压下量为40～50%。
7.一种如权利要求1-6任一所述方法制备得到的TC4合金饼材的应用，其特征在于，应用于舰船压气叶轮机。
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