CN111809080A - 一种tc2合金薄壁挤压型材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明航空航天用TC2合金型材加工制造技术领域，具体为一种TC2合金薄壁挤压型材的制备方法。该TC2合金的化学成分及质量百分比为：Al为4.0％～5.0％，Mn为1.5％～2.0％，Fe≤0.2％，C≤0.01％，H≤0.008％，O≤0.13％，N≤0.01％，余量为Ti。首先通过三次真空自耗熔炼和锻造工艺制备出尺寸适合的挤压棒坯；然后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂，棒坯加热和挤压模具预热；棒坯保温完成后，迅速移送至挤压模具，挤压速度50～2700mm/s；挤压完成后，进行热张力矫直，随后喷砂、酸洗，最后真空退火，制备出TC2钛合金型材。本发明可以生产出显微组织和力学性能均匀稳定的TC2合金型材，满足航空航天领域钛合金型材的需求。

Description

一种TC2合金薄壁挤压型材的制备方法
技术领域
本发明航空航天用TC2合金型材加工制造技术领域，具体为一种TC2合金薄壁挤压型材的制备方法。
背景技术
钛合金具有高比强度、高温性能好、抗疲劳性能好、耐腐蚀性能优异等优点，被广泛用于航空航天领域。目前，我国已经突破了钛合金板、带、箔、棒材、丝材及锻件等产品的变形加工技术，实现了相关产品的自主供给。但是，由于型材尺寸、形状和表面质量要求极高，且钛合金加工窗口较窄、变形抗力大等原因，致使钛合金型材制备难度大、产品的一致性与稳定性偏低，导致我国大量进口国外型材。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，突破钛合金型材制造加工中存在的关键技术，实现钛合金薄壁型材的挤压制备工艺。通过本发明，可以生产出满足航空航天用钛合金型材的各项指标要求。
本发明采用的技术方案是：
一种TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，TC2合金的化学成分及质量百分比为：Al为4.0％～5.0％，Mn为1.5％～2.0％，Fe≤0.2％，C≤0.01％，H≤0.008％，O≤0.13％，N≤0.01％，余量为Ti；
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用真空自耗三次熔炼制备出TC2合金铸锭；
步骤二、采用快锻机或精锻机锻造出挤压棒坯，并机加表面；
步骤三、对机加后棒坯在300～400℃下预热处理，取出后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂；
步骤四、将棒坯加热，并对挤压模具预热；
步骤五、将加热的棒坯转移至挤压模具，进行挤压成型；
步骤六、对挤压出的型材坯料进行热张力矫直；
步骤七、对热处理后型材坯料进行喷砂处理，随后酸洗；
步骤八、将已酸洗后的型材坯料放入形状与型材匹配的热处理模具中，然后送入真空热处理中进行矫直和退火热处理，从而制备出合格的型材。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤一中要求采用海绵钛、金属Al、中间合金AlMn、金属Fe、化合物TiO2，按照所述合金成分配料，采用真空自耗三次熔炼，获得TC2合金铸锭。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤二中要求在1050℃～1150℃进行开坯锻造，在850℃～950℃进行精锻，将棒坯加工至φ170mm，保温时间控制在2～5小时，每火次变形量控制在40％～80％；随后采用车床将棒坯加工成φ160mm×500mm，表面粗糙度Ra值≤3.2μm。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤三中预热处理保温20～40分钟，出炉。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤四中棒坯温度为950～1050℃，保温1～2小时；挤压模具预热温度为400℃～600℃，保温时间20～40分钟。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤五中将步骤四中加热的棒坯迅速转移至挤压模具中进行挤压，转移时间小于30秒，挤压速度100～200mm/s。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤六中热张力矫直温度小于700℃。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤七中喷砂时选用60～100号砂，酸洗溶液质量配比为：2～4％HF、5～15％HNO3、余量的水，型材坯料在酸洗溶液中浸泡3～6分钟，型材坯料表面呈银灰色即可。
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，步骤八中将酸洗后的型材坯料放入形状尺寸匹配的矫直模具中，一起送入真空热处理炉中进行退火处理，退火温度为700～800℃，保温时间1～3小时，随炉冷却。
本发明的设计思想是：
首先，针对薄壁型材成形工艺和最终拉伸性能的要求，优化TC2合金成分；其中，具体区别于现有TC2的成分和作用如下：在GB/T 3620.1中TC2合金标准成分的基础上，提高了Al和Mn元素的成分范围，可以有效提高成品型材的强度，同时缩小了Fe、O、C、H和N元素的成分范围，可以有效提高成品型材的塑形；第二，采用三次真空自耗熔炼，保证了元素分布的均匀性和一致性；第三，采用“β相区开坯-α+β相区锻造-β相区挤压”工艺，其中，β相区开坯可保证铸锭的较大变形，并有效减小锻造过程产生的裂纹；α+β相区锻造既能实现棒坯的热加工变形，又由于变形时α相和β相共同存在，制约了晶粒的长大；由于前一道次晶粒尺寸细小，最后β相区挤压后的型材晶粒尺寸也偏小，这就能有效提高型材的强度和塑形，保证型材力学性能合格；第四，采用挤压后热张力矫直和成品退火矫直的两步矫直工艺，能够实现型材形状、直度、扭拧度合格；最后，采用真空成品退火工艺，既能实现材料组织均匀、性能合格，还能清除酸洗引入的氢，确保型材综合性能满足标准要求。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
1、本发明既优化了合金成分，又采用真空自耗炉三次熔炼铸锭，能够保证成分的均匀性和一致性，又能满足成形工艺和成品型材性能的要求。
2、本发明采用“单相区开坯-两相区锻造-单相区挤压”工艺，能够有效控制挤压型材的晶粒尺寸，能够确保型材强度与塑形的合理匹配，使型材综合性能最优。
3、本发明采用挤压后热张力矫直和成品退火矫直的两步矫直工艺，既降低了常规单道次矫直工艺的矫直难度，又提高了型材的形状、直度、平直度和扭拧度，确保型材外形尺寸满足标准要求。
附图说明
图1为实施例1和实施例2制备的挤压TC2合金直角L型材示意图。
图2为实施例1制备出的挤压TC2合金直角L型材的显微组织。
图3为实施例2制备出的挤压TC2合金直角L型材的显微组织。
图4为实施例3和实施例4制备出的挤压TC2合金T型材的示意图。
图5为实施例3制备出的挤压TC2合金T型材的显微组织。
图6为实施例4制备出的挤压TC2合金T型材的显微组织。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明首先通过三次真空自耗熔炼和锻造工艺制备出尺寸适合的挤压棒坯；然后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂，棒坯加热和挤压相关模具预热；棒坯保温完成后，迅速移送至挤压模具的挤压筒，挤压速度50～2700mm/s；挤压完成后，进行热张力矫直，随后喷砂、酸洗，最后真空退火，制备出TC2钛合金L型材或T型材。通过本发明可以生产出显微组织和力学性能均匀稳定的TC2合金型材，满足航空航天领域钛合金型材的需求。
下面，结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例中，TC2合金的化学成分按质量百分比为：Al为4.4％，Mn为1.72％，Fe为0.18％，C为0.008％，H为0.0034％，O为0.12％，N为0.005％，余量为Ti。
本实施例中，TC2合金薄壁挤压型材的制备方法如下：
步骤一、采用海绵钛、金属Al、中间合金AlMn、金属Fe、化合物TiO2，按照所述合金成分配料，采用真空自耗三次熔炼，获得成分稳定均匀的铸锭；
步骤二、在1100℃进行开坯锻造，在940℃进行精锻，保温时间控制在4小时，每火次变形量控制在60％，将棒坯加工至φ170mm；冷却至室温后的棒坯机加至φ160mm×500mm，表面粗糙Ra值为1.6μm；
步骤三、在400℃进行棒坯预热，保温0.5小时后出炉，随后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂；
步骤四、在1000℃进行挤压直角L型材(具体见图1)，保温时间为2小时，棒坯转移时间25秒，挤压速度为170mm/s；挤压开始前，预热挤压模具的挤压筒、挤压模、挤压垫至580℃，保温时间0.5小时；
步骤五、采用热张力矫直设备，预矫直型材，矫直温度为680℃；
步骤六、预矫直后的型材采用80号砂子进行喷砂处理，随后酸洗5分钟，酸洗溶液质量配比为3％HF+10％HNO3+余量的水；
步骤七、型材放入矫形模具中，一起送入真空热处理炉进行退火处理，退火温度为720℃，保温2小时，随炉冷却至室温。成品型材显微组织见图2，力学性能见表1。
表1实施例1制备的TC2合金直角L型材力学性能测试结果
样品编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/％
试样1 754 839 18.5
试样2 741 841 21.5
从图2和表1可以看出，经过本发明制备出的TC2合金直角L型材显微组织均匀，力学性能合格，能够满足航空航天用型材的技术要求。
实施例2
本实施例中，TC2合金的化学成分按质量百分比为：Al为4.8％，Mn为1.55％，Fe为0.20％，C为0.006％，H为0.0070％，O为0.11％，N为0.008％，余量为Ti。
本实施例中，TC2合金薄壁挤压型材的制备方法如下：
步骤一、采用海绵钛、金属Al、中间合金AlMn、金属Fe、化合物TiO2，按照所述合金成分配料，采用真空自耗三次熔炼，获得成分稳定均匀的铸锭；
步骤二、在1150℃进行开坯锻造，在920℃进行精锻，保温时间控制在3小时，每火次变形量控制在80％，将棒坯加工至φ170mm；冷却至室温后的棒坯机加至φ160mm×500mm，表面粗糙Ra值1.6μm；
步骤三、在350℃进行棒坯预热，保温0.5小时后出炉，随后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂；
步骤四、在970℃进行挤压直角L型材(具体见图1)，保温时间为2小时，棒坯转移时间23秒，挤压速度为130mm/s；挤压开始前，预热挤压模具的挤压筒、挤压模、挤压垫至500℃，保温时间0.5小时；
步骤五、采用热张力矫直设备，预矫直型材，矫直温度为660℃；
步骤六、预矫直后的型材采用60号砂子进行喷砂处理，随后酸洗4分钟，酸洗溶液质量配比为3％HF+10％HNO3+余量的水；
步骤七、型材放入矫形模具中，一起送入真空热处理炉进行退火处理，退火温度为750℃，保温1.5小时，随炉冷却至室温。成品型材显微组织见图3，力学性能见表2。
表2实施例2制备的TC2合金直角L型材力学性能测试结果
样品编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/％
试样1 674 788 19.5
试样2 680 775 18.5
从图3和表2可以看出，经过本发明制备出的TC2合金直角L型材显微组织均匀，力学性能合格，能够满足航空航天用型材的技术要求。
实施例3
本实施例中，TC2合金的化学成分按质量百分比为：Al为4.2％，Mn为1.92％，Fe为0.19％，C为0.005％，H为0.0056％，O为0.13％，N为0.007％，余量为Ti。
本实施例中，TC2合金薄壁挤压型材的制备方法如下：
步骤一、采用海绵钛、金属Al、中间合金AlMn、金属Fe、化合物TiO2，按照所述合金成分配料，采用真空自耗三次熔炼，获得成分稳定均匀的铸锭；
步骤二、在1070℃进行开坯锻造，在870℃进行精锻，保温时间控制在5小时，每火次变形量控制在40％，将棒坯加工至φ170mm；冷却至室温后的棒坯机加至φ160mm×500mm，表面粗糙Ra值1.6μm；
步骤三、在330℃进行棒坯预热，保温0.5小时后出炉，随后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂；
步骤四、在1030℃进行挤压T型材(具体见图4)，保温时间为1.5小时，棒坯转移时间29秒，挤压速度为190mm/s；挤压开始前，预热挤压模具的挤压筒、挤压模、挤压垫至600℃，保温时间0.5小时；
步骤五、采用热张力矫直设备，预矫直型材，矫直温度为690℃；
步骤六、预矫直后的型材采用100号砂子进行喷砂处理，随后酸洗3分钟，酸洗溶液质量配比为3％HF+10％HNO3+余量的水；
步骤七、型材放入矫形模具中，一起送入真空热处理炉进行退火处理，退火温度为770℃，保温3小时，随炉冷却至室温。成品型材显微组织见图5，力学性能见表3。
表3实施例3制备的TC2合金T型材力学性能测试结果
样品编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/％
试样1 648 746 14.0
试样2 659 757 18.0
从图5和表3可以看出，经过本发明制备出的TC2合金T型材显微组织均匀，力学性能合格，能够满足航空航天用型材的技术要求。
实施例4
本实施例中，TC2合金的化学成分按质量百分比为：Al为4.5％，Mn为1.89％，Fe为0.18％，C为0.009％，H为0.0017％，O为0.12％，N为0.004％，余量为Ti。
本实施例中，TC2合金薄壁挤压型材的制备方法如下：
步骤一、采用海绵钛、金属Al、中间合金AlMn、金属Fe、化合物TiO2，按照所述合金成分配料，采用真空自耗三次熔炼，获得成分稳定均匀的铸锭；
步骤二、在1090℃进行开坯锻造，在900℃进行精锻，保温时间控制在3小时，每火次变形量控制在70％，将棒坯加工至φ170mm；冷却至室温后的棒坯机加至φ160mm×500mm，表面粗糙Ra值1.6μm；
步骤三、在300℃进行棒坯预热，保温0.5小时后出炉，随后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂；
步骤四、在1000℃进行挤压T型材(具体见图4)，保温时间为1小时，棒坯转移时间22秒，挤压速度为150mm/s；挤压开始前，预热挤压模具的挤压筒、挤压模、挤压垫至450℃，保温时间0.5小时；
步骤五、采用热张力矫直设备，预矫直型材，矫直温度为670℃；
步骤六、预矫直后的型材采用80号砂子进行喷砂处理，随后酸洗6分钟，酸洗溶液质量配比为3％HF+10％HNO3+余量的水；
步骤七、型材放入矫形模具中，一起送入真空热处理炉进行退火处理，退火温度为720℃，保温2小时，随炉冷却至室温。成品型材显微组织见图6，力学性能见表4。
表4实施例4制备的TC2合金T型材力学性能测试结果
样品编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/％
试样1 716 813 16.5
试样2 709 803 15.0
从图6和表5可以看出，经过本发明制备出的TC2合金T型材显微组织均匀，力学性能合格，能够满足航空航天用型材的技术要求。
实施例结果表明，本发明提出一种TC2合金挤压薄壁型材的制备方法，利用优化的TC2合金成分和三次真空自耗熔炼获得成分适当均匀的铸锭，利用“单相区开坯-两相区锻造-单相区挤压”工艺控制型材显微组织和力学性能，最后采用挤压后热张力矫直和成品退火矫直的两步矫直工艺，既降低了常规单道次矫直工艺的矫直难度，又提高了型材的形状、直度、平直度和扭拧度，确保型材外形尺寸满足标准要求，通过本发明可以生产出满足航空航天需求的TC2合金型材。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效变化，仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，TC2合金的化学成分及质量百分比为：Al为4.0％～5.0％，Mn为1.5％～2.0％，Fe≤0.2％，C≤0.01％，H≤0.008％，O≤0.13％，N≤0.01％，余量为Ti；
所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用真空自耗三次熔炼制备出TC2合金铸锭；
步骤二、采用快锻机或精锻机锻造出挤压棒坯，并机加表面；
步骤三、对机加后棒坯在300～400℃下预热处理，取出后在棒坯表面涂抹玻璃润滑剂；
步骤四、将棒坯加热，并对挤压模具预热；
步骤五、将加热的棒坯转移至挤压模具，进行挤压成型；
步骤六、对挤压出的型材坯料进行热张力矫直；
步骤七、对热处理后型材坯料进行喷砂处理，随后酸洗；
步骤八、将已酸洗后的型材坯料放入形状与型材匹配的热处理模具中，然后送入真空热处理中进行矫直和退火热处理，从而制备出合格的型材。
2.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤一中要求采用海绵钛、金属Al、中间合金AlMn、金属Fe、化合物TiO2，按照所述合金成分配料，采用真空自耗三次熔炼，获得TC2合金铸锭。
3.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤二中要求在1050℃～1150℃进行开坯锻造，在850℃～950℃进行精锻，将棒坯加工至φ170mm，保温时间控制在2～5小时，每火次变形量控制在40％～80％；随后采用车床将棒坯加工成φ160mm×500mm，表面粗糙度Ra值≤3.2μm。
4.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤三中预热处理保温20～40分钟，出炉。
5.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤四中棒坯温度为950～1050℃，保温1～2小时；挤压模具预热温度为400℃～600℃，保温时间20～40分钟。
6.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤五中将步骤四中加热的棒坯迅速转移至挤压模具中进行挤压，转移时间小于30秒，挤压速度100～200mm/s。
7.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤六中热张力矫直温度小于700℃。
8.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤七中喷砂时选用60～100号砂，酸洗溶液质量配比为：2～4％HF、5～15％HNO3、余量的水，型材坯料在酸洗溶液中浸泡3～6分钟，型材坯料表面呈银灰色即可。
9.按照权利要求1所述的TC2合金薄壁挤压型材的制备方法，其体征在于，步骤八中将酸洗后的型材坯料放入形状尺寸匹配的矫直模具中，一起送入真空热处理炉中进行退火处理，退火温度为700～800℃，保温时间1～3小时，随炉冷却。
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