CN111889597A - Tc4钛合金大规格棒材的锻造方法 - Google Patents

Tc4钛合金大规格棒材的锻造方法 Download PDF

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李露
伍海滨
黎江
谢炜
代广霖
李昌高
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Abstract

本发明属于锻造技术领域，具体公开了一种能够提高TC4钛合金大规格棒材的组织均匀性的锻造方法。TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，所述TC4钛合金大规格棒材的直径为200～300mm，该锻造方法包括将TC4钛合金中间坯料加热保温后进行径向锻造的精锻步骤；精锻步骤中，锻造加热温度为910±10℃，开锻温度为850±10℃；锻造频次控制在120±3次/min或180±3次/min，锻造速度控制在3.0～4.0m/min；共进行6～8道次间歇式单向锻造，初道次和末道次的变形量小于5％，其余每道次的变形量控制在5～20％，总变形量为45～65％。采用该锻造方法生产TC4钛合金大规格棒材，利于控制棒材的温度，使锻造的棒材的内外温度均匀性更高，保证了棒材的组织均匀性，并提高了棒材的组织性能。

Description

TC4钛合金大规格棒材的锻造方法
技术领域
本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种TC4钛合金大规格棒材的锻造方法。
背景技术
TC4钛合金是牌号为TC4的钛合金，其材料的组成为Ti-6Al-4V，属于α+β型钛合金。TC4钛合金具有优良的耐蚀性、小的密度、高的比强度及较好的韧性和焊接性，广泛应用于航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等领域。TC4钛合金棒材是钛合金中的一种重要材型，随着需求的提升，人们对TC4钛合金棒材的规格要求也随之增大，特别是对于直径为200mm～300mm的大规格棒材的需求。
目前，TC4钛合金大规格棒材的锻造工艺流程为：圆柱体钛锭→镦粗→纵向拔长→成品棒材；这种工艺下，因为TC4钛合金比热容小，大规格棒材的心部温度较难向外传递，且大规格棒材本身积累的热量比小规格棒材的热量更多，更加难以控制棒材的温度，锻造过程中非常容易超过TC4钛合金β相的转变温度，导致组织不均、晶粒粗大等问题，从而降低TC4钛合金大规格棒材的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高TC4钛合金大规格棒材的组织均匀性的锻造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，所述TC4钛合金大规格棒材的直径为200～300mm，该锻造方法包括将TC4钛合金中间坯料加热保温后进行径向锻造的精锻步骤；精锻步骤中，锻造加热温度为910±10℃，开锻温度为850±10℃；锻造频次控制在120±3次/min或180±3次/min，锻造速度控制在3.0～4.0m/min；共进行6～8道次间歇式单向锻造，初道次和末道次的变形量小于5％，其余每道次的变形量控制在5～20％，总变形量为45～65％。
进一步的是，精锻步骤中，采用精锻机对TC4钛合金中间坯料进行径向锻造。
进一步的是，所述TC4钛合金中间坯料为方坯，其横截面的边长为280～420mm。
进一步的是，精锻步骤中，初道次对TC4钛合金中间坯料进行对角倒角，其余道次对倒角后的TC4钛合金中间坯料进行滚圆；末道次的滚圆直径为200～300mm。
进一步的是，精锻步骤中，成材总锻比控制在1.9～3.0。
进一步的是，精锻过程中，若TC4钛合金中间坯料的表面温度超过开锻温度，则向TC4钛合金中间坯料喷洒水雾，使其表面温度不再上升且小于等于850℃后，再继续锻造。
本发明的有益效果是：利用该锻造方法将TC4钛合金中间坯料径向锻造为符合要求的TC4钛合金大规格棒材过程中，通过严格有效地控制锻造温度、锻造频次、锻造速度及各道次变形量，不仅利于控制棒材的温度，使锻造的棒材的内外温度均匀性更高，防止锻造过程中棒材温度超过TC4钛合金β相的转变温度，保证了棒材的组织均匀性，而且适当大小的道次变形量可以使得晶粒破碎更完全，有效改善了棒材的组织；另外，通过保证棒材具有足够的变形量，能够使其变形更充分，提高了棒材的组织性能。
附图说明
图1是本发明实施例1锻造棒材的边缘处的显微组织图；
图2是本发明实施例1锻造棒材的1/2R处的显微组织图；
图3是本发明实施例1锻造棒材的中心处的显微组织图；
图4是本发明实施例2锻造棒材的边缘处的显微组织图；
图5是本发明实施例2锻造棒材的1/2R处的显微组织图；
图6是本发明实施例2锻造棒材的中心处的显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，所述TC4钛合金大规格棒材的直径为200～300mm，该锻造方法包括将TC4钛合金中间坯料加热保温后进行径向锻造的精锻步骤，精锻步骤中，锻造加热温度为910±10℃，开锻温度为850±10℃；锻造频次控制在120±3次/min或180±3次/min，锻造速度控制在3.0～4.0m/min；共进行6～8道次间歇式单向锻造，初道次和末道次的变形量小于5％，其余每道次的变形量控制在5～20％，总变形量为45～65％。
精锻步骤中，一般采用锻压设备对TC4钛合金中间坯料进行径向锻造，锻压设备优选为精锻机；精锻机是一种快速精密锻压设备，主要由锻压箱、齿轮箱、A夹头、B夹头、锤头调节装置、输送辊道、倾翻装置以及电气、液压、压缩空气、冷却水等系统组成。
TC4钛合金大规格棒材的径向锻造的控制，与小规格棒材径向锻造的控制有着明显的区别；因钛合金的热传导率低，TC4钛合金大规格棒材的心部温度较难向外传递，且由于TC4钛合金大规格棒材本身积累的热量远远多于小规格棒材，因此TC4钛合金大规格棒材的温度难以控制。本发明通过将锻造加热温度控制为910±10℃，并将开锻温度控制为850±10℃；同时，将锻造频次控制在120±3次/min或180±3次/min，锻造速度控制在3.0～4.0m/min；能够有效控制锻造棒材的温度，并采用间歇式单向锻造进一步使棒材温度分布均匀，可使锻造的棒材的内外温度均匀性更高，且可使得棒材的纵向组织的均匀性也得到了很大的改善。
间歇式单向锻造是指道次与道次之间间隔一定时间，且每道次锻造过程TC4钛合金大规格棒材的运动方向为其一端至其另一端，例如：将TC4钛合金大规格棒材的两端标记为A和B，每道次锻造过程TC4钛合金大规格棒材的运动方向始终为A→B。
各道次通过控制适当大小的变形量可以使得晶粒破碎更完全，有效改善了棒材的组织；另外，通过保证棒材具有足够的变形量，能够使其变形更充分，提高了棒材的组织性能。除初道次和末道次外，其余每道次的变形量一般均匀分配并尽量的大。
为了使得锻造的棒材的内外温度更加均匀，在精锻过程中，若TC4钛合金中间坯料的表面温度超过开锻温度，则向TC4钛合金中间坯料喷洒水雾，使其表面温度不再上升且小于等于850℃后，再继续锻造。一般在道次间隔期间进行喷洒水雾操作。
TC4钛合金中间坯料一般由自由锻造得到，其可以为多种，优选为横截面边长280～420mm的方坯。锻造前保温的目的是为了使TC4钛合金中间坯料的内外温度均匀，以保证锻造棒材的组织均匀。选择的TC4钛合金中间坯料为方坯时，精锻步骤中，初道次对TC4钛合金中间坯料进行对角倒角，其余道次对倒角后的TC4钛合金中间坯料进行滚圆；末道次的滚圆直径为200～300mm，即滚圆直径为待锻造的TC4钛合金大规格棒材的直径。
优选的，精锻步骤中，成材总锻比控制在1.9～3.0。通过合适的总锻比能改变棒材的内部组织、细化金属晶粒，因而可以提高棒材的机械性能，并防止棒材机械性能的异向性增大。
实施例1
以尺寸为280mm×280mm×2000mm、重量为700kg的TC4钛合金中间坯料径向锻造直径为200mm、长度为5000mm的TC4钛合金大规格棒材，锻造的精锻过程如下：
将TC4钛合金中间坯料加热保温后进行径向锻造，锻造加热温度为900℃，开锻温度为850℃；锻造频次控制在120次/min，锻造速度控制在3.8m/min；共进行6道次间歇式单向锻造，初道次对TC4钛合金中间坯料进行对角倒角，倒角尺寸(对角线)设定为330mm；第二道次对倒角后的TC4钛合金中间坯料进行滚圆，滚圆直经为290mm；第三道次的滚圆直经为260mm；第四道次的滚圆直经为230mm；第五道次的滚圆直经为205mm；末道次的滚圆直径为200mm。
显微观察锻造的TC4钛合金大规格棒材的边缘处、1/2R处和中心处的α+β两相区变形的组织分别为图1、图2和图3；根据图1～图3可见，该TC4钛合金大规格棒材无完整的原始β晶界，均由等轴α+晶界β组成，初始α的含量约占60％。
检验锻造的TC4钛合金大规格棒材的力学性能见下表1；
表1：实施例1锻造棒材的力学性能表
Figure BDA0002622758740000031
Figure BDA0002622758740000041
可见，采用本发明方法锻造的TC4钛合金大规格棒材，晶粒破碎完全、各处组织均匀，且各项性能指标均优于标准要求。
实施例2
以尺寸为420mm×420mm×2000mm、重量为1600kg的TC4钛合金中间坯料径向锻造直径为300mm、长度为5000mm的TC4钛合金大规格棒材，锻造的精锻过程如下：
将TC4钛合金中间坯料加热保温后进行径向锻造，锻造加热温度为910℃，开锻温度为855℃；锻造频次控制在180次/min，锻造速度控制在3.3m/min；共进行8道次间歇式单向锻造，初道次对TC4钛合金中间坯料进行对角倒角，倒角尺寸(对角线)设定为500mm；第二道次对倒角后的TC4钛合金中间坯料进行滚圆，滚圆直经为440mm；第三道次的滚圆直经为426mm；第四道次的滚圆直经为392mm；第五道次的滚圆直经为361mm；第六道次的滚圆直经为332mm；第七道次的滚圆直经为305mm；末道次的滚圆直径为300mm。
显微观察锻造的TC4钛合金大规格棒材的边缘处、1/2R处和中心处的α+β两相区变形的组织分别为图4、图5和图6；根据图4～图6可见，该TC4钛合金大规格棒材无完整的原始β晶界，均由等轴α+晶界β组成，初始α的含量约占50％。
检验锻造的TC4钛合金大规格棒材的力学性能见下表2；
表2：实施例2锻造棒材的力学性能
炉号 Rm/Mpa Rp0.2/Mpa A/％ Z/％
标准要求 ≥896 ≥825 ≥10 ≥25
边缘 920 891 12.5 33
1/2R处 917 870 12 31
中心 907 887 12 33
。
可见，采用本发明方法锻造的TC4钛合金大规格棒材，晶粒破碎完全、各处组织均匀，且各项性能指标均优于标准要求。
将实施例1和实施例2的边缘、1/2R和中心三个部位的显微组织各自对比，它们的差异相对较小，组织均由等轴α+晶界β组成，进一步说明采用本发明方法锻造的生产的TC4钛合金大规格棒材的组织均匀性好。

Claims (6)

1.TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，所述TC4钛合金大规格棒材的直径为200～300mm，该锻造方法包括将TC4钛合金中间坯料加热保温后进行径向锻造的精锻步骤；其特征在于：精锻步骤中，锻造加热温度为910±10℃，开锻温度为850±10℃；锻造频次控制在120±3次/min或180±3次/min，锻造速度控制在3.0～4.0m/min；共进行6～8道次间歇式单向锻造，初道次和末道次的变形量小于5％，其余每道次的变形量控制在5～20％，总变形量为45～65％。
2.如权利要求1所述的TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，其特征在于：精锻步骤中，采用精锻机对TC4钛合金中间坯料进行径向锻造。
3.如权利要求1所述的TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，其特征在于：所述TC4钛合金中间坯料为方坯，其横截面的边长为280～420mm。
4.如权利要求3所述的TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，其特征在于：精锻步骤中，初道次对TC4钛合金中间坯料进行对角倒角，其余道次对倒角后的TC4钛合金中间坯料进行滚圆；末道次的滚圆直径为200～300mm。
5.如权利要求4所述的TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，其特征在于：精锻步骤中，成材总锻比控制在1.9～3.0。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的TC4钛合金大规格棒材的锻造方法，其特征在于：精锻过程中，若TC4钛合金中间坯料的表面温度超过开锻温度，则向TC4钛合金中间坯料喷洒水雾，使其表面温度不再上升且小于等于850℃后，再继续锻造。
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