CN111889598B - Tc4钛合金锻材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锻造技术领域，具体公开了一种横纵向性能组织均匀且晶粒细小的TC4钛合金锻材及其制备方法。该TC4钛合金锻材的制备方法，通过在相变点温度以上加热TC4钛合金锭，再对其进行两镦两拔得到初级锻坯，之后通过在相变点温度以下加热初级锻坯，再对初级锻坯进行两镦两拔并横向展宽为半成品锻坯，最后将半成品锻坯分切再锻造至成品尺寸。制备过程中，TC4钛合金锭在相变点温度以下的横向和纵向的变形量基本一致，横纵向组织充分破碎并再结晶，最终制得的TC4钛合金锻材性能组织均匀、晶粒细小，能实现工业化生产。经检测，采用本发明方法制备的TC4钛合金锻材，性能满足《GJB2218A‑2008‑航空用钛及钛合金棒材和锻坯》的技术要求，且有很大的富余量。

Description

TC4钛合金锻材及其制备方法
技术领域
本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种TC4钛合金锻材及其制备方法。
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。目前，航空航天及军工领域使用的钛合金都要求横纵向性能组织均匀、晶粒等级≥9级或均质钛合金，例如：在发动机底压压气机盘和叶片等关键部位使用的钛合金。但是常规工艺生产的钛合金锻材，由于横纵向强度相差较大，所以钛合金锻材在航空航天及军工领域的应用一直受到制约。
为解决晶粒等级问题，以往常常采镦拔方式生产钛及钛合金锻材，但在钛合金锻材的生产过程经常出现锻材裂纹多、横纵向性能相差大等问题。为克服锻材裂纹较多的问题，常常采用高温、小变、多火次变形的方式加工钛合金锻材，但该工艺生产的锻材由于加热温度高、变形不足导致锻材横纵向性能相差较大、晶粒组织较大，因此横纵向性能组织均匀的钛合金锻材的加工，一直是钛合金锻材生产的瓶颈。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种横纵向性能组织均匀且晶粒细小的TC4钛合金锻材及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：TC4钛合金锻材的制备方法，包括下列步骤：
步骤一，将长度为L的TC4钛合金锭放入加热炉中进行加热并保温，加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度高50～170℃，保温时间按1.5～2mm/min进行控制；
步骤二，TC4钛合金锭加热完成后，将其从加热炉中取出并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，总镦粗高度为2/5L～3/5L，完成TC4钛合金锭的第一次镦锻；然后，将第一次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到原始直径，并放入加热炉中再次加热，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度高50～80℃；将再次加热后的TC4钛合金锭从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，第二次镦锻TC4钛合金锭的变形方式和变形量与第一次镦锻其时相同；最后，将第二次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到原始直径，再冷却到室温，得到初级锻坯；
步骤三，将初级锻坯放入加热炉中进行加热并保温，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度低30～60℃，本次保温时间按1.5～1.8mm/min进行控制；
步骤四，初级锻坯加热完成后，将其从加热炉中取出并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，总镦粗高度为2/5L～3/5L，完成初级锻坯的第一次镦锻；然后，将第一次镦锻后的初级锻坯拔长到TC4钛合金锭的原始直径，并放入加热炉中进行再次加热，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度低30～60℃；将再次加热后的初级锻坯从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L；最后，将第二次镦锻后的初级锻坯拔长到TC4钛合金锭原始直径，之后回炉加热再采用FM法横向展宽锻造开坯，得到半成品锻坯；
步骤五，将半成品锻坯分切后，在TC4钛合金锭的相变点温度以下10～30℃加热并换向锻造至成品尺寸。
进一步的是，步骤一中，在TC4钛合金锭出炉前30～60min对其进行翻面。
进一步的是，步骤二中，TC4钛合金锭出炉后先整形滚圆，消除取样环后在TC4钛合金锭上、下端部垫保温棉，再进行第一次镦锻。
进一步的是，步骤二中，采用八角拔长方式将镦锻后的TC4钛合金锭拔长。
进一步的是，步骤三中，在初级锻坯出炉前30～60min对其进行翻面，同时使加热炉的炉温提高10～40℃。
进一步的是，步骤四中，按照步骤二镦拔锻造的变形方式和变形量完成对初级锻坯的再次锻造。
本发明还提供了一种TC4钛合金锻材，其由上述的TC4钛合金锻材的制备方法制备而成。
进一步的是，上述TC4钛合金锻材的厚度为60～120mm、宽度为40～2000mm。
本发明的有益效果是：该TC4钛合金锻材的制备方法对设备要求较低、可操作性强，容易实现工业化生产；通过在相变点温度以上加热TC4钛合金锭，再对其进行两镦两拔得到初级锻坯，之后通过在相变点温度以下加热初级锻坯，再对初级锻坯进行两镦两拔并横向展宽为半成品锻坯，最后将半成品锻坯分切再锻造至成品尺寸；制备过程中，TC4钛合金锭在相变点温度以下的横向和纵向的变形量基本一致，横纵向组织充分破碎并再结晶，最终制得的TC4钛合金锻材性能组织均匀、晶粒细小，能实现工业化生产。经检测，采用本发明方法制备的TC4钛合金锻材，横纵向抗拉强度均≥930MPa、差值≤50MPa；横纵向抗屈服强度均≥880MPa、差值≤30MPa；横纵向延伸率≥12％、差值≤2％；锻材高倍等轴α+拉长α组织，晶粒度≥8级，达到A级探伤要求，性能满足《GJB2218A-2008-航空用钛及钛合金棒材和锻坯》的技术要求，且有很大的富余量。
附图说明
图1是本发明实施例制得的样品一的横向显微组织图；
图2是本发明实施例制得的样品一的纵向显微组织图；
图3是本发明实施例制得的样品二的横向显微组织图；
图4是本发明实施例制得的样品二的纵向显微组织图。
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钛合金锻材的制备方法，包括下列步骤：
步骤一，将长度为L的TC4钛合金锭放入加热炉中进行加热并保温，加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度高50～170℃，保温时间按1.5～2mm/min进行控制；该步骤中，通常在TC4钛合金锭出炉前30～60min对其进行翻面，以保证TC4钛合金锭加热均匀；
步骤二，TC4钛合金锭加热完成后，将其从加热炉中取出并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，总镦粗高度为2/5L～3/5L，完成TC4钛合金锭的第一次镦锻；该步骤中，TC4钛合金锭出炉后通常先整形滚圆，消除取样环后在TC4钛合金锭上、下端部垫保温棉，再进行第一次镦锻；然后，将第一次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到原始直径，并放入加热炉中再次加热，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度高50～80℃；将再次加热后的TC4钛合金锭从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，第二次镦锻TC4钛合金锭的变形方式和变形量与第一次镦锻其时相同；最后，将第二次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到原始直径，再冷却到室温，得到初级锻坯；得到的初级锻坯，一般需要根据其表面质量，清理缺陷后，才能再次加热锻造；
步骤三，将初级锻坯放入加热炉中进行加热并保温，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度低30～60℃，本次保温时间按1.5～1.8mm/min进行控制；该步骤中，通常在初级锻坯出炉前30～60min对其进行翻面，以保证初级锻坯加热均匀；同时使加热炉的炉温提高10～40℃，避免初级锻坯出炉时坯料表面温度降低过快，镦粗时产生裂纹；
步骤四，初级锻坯加热完成后，将其从加热炉中取出并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，总镦粗高度为2/5L～3/5L，完成初级锻坯的第一次镦锻；然后，将第一次镦锻后的初级锻坯拔长到TC4钛合金锭的原始直径，并放入加热炉中进行再次加热，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度低30～60℃；将再次加热后的初级锻坯从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L；最后，将第二次镦锻后的初级锻坯拔长到TC4钛合金锭原始直径，之后回炉加热再采用FM法横向展宽锻造开坯，得到半成品锻坯；
FM法是Free from Mannesmann effect的英文简称，即无曼内斯曼效应的锻造法；FM法的变形实质是利用上平砧，下平台的非对称变形，下平台对锻件的摩擦阻力较大，变形由上到下逐步进行，使拉应力移到了变形体与下平台接触面附近，增加了锻件心部压应力；
步骤五，将半成品锻坯分切后，在TC4钛合金锭的相变点温度以下10～30℃加热并换向锻造至成品尺寸；该步骤中，一般对分切得到的坯料进行长度宽度换向锻造，可使使坯料在TC4钛合金锭的相变点温度以下的横向和纵向的变形量基本一致，横纵向组织充分破碎并再结晶。
优选的，步骤二中，采用八角拔长方式将镦锻后的TC4钛合金锭拔长。八角拔长方式是指：圆形截面坯料拔长时，先将其锻成方形截面，再拔长到边长接近需拔长直径后，锻成八角形截面，最后倒棱，再滚打成圆形截面；这样拔长的效率高，且能避免引起中心裂纹。
优选的，步骤四中，按照步骤二镦拔锻造的变形方式和变形量完成对初级锻坯的再次锻造。通常使第二次镦锻初级锻坯的变形方式和变形量与第一次镦锻其时相同。
本发明还提供了一种TC4钛合金锻材，其由上述的TC4钛合金锻材的制备方法制备而成。具体的，上述TC4钛合金锻材的厚度为60～120mm、宽度为40～2000mm。
实施例
采用经过3次VAR熔炼的TC4钛合金锭进行制造TC4钛合金锻材；TC4钛合金锭的直径为φ750mm，扒皮后直径为φ730mm，成分满足GB/T3621-2007技术标准；通过金相法，测得该TC4钛合金锭的相变点温度为981.5℃。
制备过程如下：
步骤一，将TC4钛合金锭放入加热炉中，先用800℃保温120min，再用180min升温到1130℃，然后保温200min；到温出炉前30min，将TC4钛合金锭翻转180°继续加热；
步骤二，TC4钛合金锭加热完成后，将其从加热炉中取出，简单整形滚圆，消除取样环，在TC4钛合金锭上、下端部垫保温棉，防止头尾降温太快出现裂纹；然后，将TC4钛合金锭镦粗1/4原始长度，再立即调头镦粗1/4原始长度，总镦粗高度为TC4钛合金锭原始长度的1/2，完成TC4钛合金锭的第一次镦锻；接着，采用八角(倒角)拔长方式将第一次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到φ750mm直径，并放入加热炉中进行再次加热，本次加热温度为1050℃，加热保温时间为120min；将再次加热后的TC4钛合金锭从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/4原始长度，再调头镦粗1/4原始长度，第二次镦锻TC4钛合金锭的变形方式和变形量与第一次镦锻时相同；最后，将第二次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到φ750mm直径，再冷却到室温，得到初级锻坯；得到的初级锻坯，根据其表面质量，清理缺陷；
步骤三，将初级锻坯放入加热炉中，先用800℃保温120min，再用180min升温到930℃，然后保温200min；到温出炉前30min，将TC4钛合金锭翻转180°，同时使加热炉的炉温提高到950℃继续加热，初级锻坯出炉后使加热炉的炉温降低到930℃；
步骤四，初级锻坯加热完成后，将其从加热炉中取出，简单整形滚圆，消除取样环，在初级锻坯上、下端部垫保温棉，防止头尾降温太快出现裂纹；然后，将初级锻坯镦粗1/4的TC4钛合金锭原始长度，再立即调头镦粗1/5的TC4钛合金锭原始长度，总镦粗高度为TC4钛合金锭原始长度的9/20，完成初级锻坯的第一次镦锻；接着，采用八角(倒角)拔长方式将第一次镦锻后的初级锻坯拔长到φ750mm直径，并放入加热炉中再次加热，本次加热温度为930℃，加热保温时间为120min；将再次加热后的初级锻坯从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/4的TC4钛合金锭原始长度，再调头镦粗1/4的TC4钛合金锭原始长度；最后，将第二次镦锻后的初级锻坯拔长到φ750mm直径，之后回炉保温120min再采用FM法横向展宽锻造开坯，得到180mm×1250mm×l的半成品锻坯；
步骤五，将半成品锻坯分切为180mm×350mm×1250mm和180mm×1000mm×1250mm的坯料并进行表面修磨处理；再采用规格为180mm×350mm×1250mm和180mm×1000mm×1250mm的坯料加热锻造；≤800℃装炉按照180min升温到950℃，然后保温120min；采用镦拔后1250mm宽度为成品长度、镦拔后锯切下料的尺寸为成品宽度，进行拔长锻造，道次压下量≤50mm；分别锻造得到样品一和样品二，样品一的规格为60m×620mm×2100mm，样品二的规格为100mm×1000mm×2250mm。
检验样品一和样品二的室温力学性能，结果见下表：
Figure BDA0002622948820000051
可见，采用本发明方法制备的TC4钛合金锻材，横纵向抗拉强度均≥930MPa、差值≤
50MPa；横纵向抗屈服强度均≥880MPa、差值≤30MPa；横纵向延伸率≥12％、差值≤2％；锻材高倍等轴α+拉长α组织，晶粒度≥8级，达到A级探伤要求，性能满足《GJB2218A-2008-航空用钛及钛合金棒材和锻坯》的技术要求。

Claims (8)

1.TC4钛合金锻材的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，将长度为L的TC4钛合金锭放入加热炉中进行加热并保温，加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度高50～170℃，保温时间按1.5～2mm/min进行控制；
步骤二，TC4钛合金锭加热完成后，将其从加热炉中取出并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，总镦粗高度为2/5L～3/5L，完成TC4钛合金锭的第一次镦锻；然后，将第一次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到原始直径，并放入加热炉中再次加热，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度高50～80℃；将再次加热后的TC4钛合金锭从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，第二次镦锻TC4钛合金锭的变形方式和变形量与第一次镦锻其时相同；最后，将第二次镦锻后的TC4钛合金锭拔长到原始直径，再冷却到室温，得到初级锻坯；
步骤三，将初级锻坯放入加热炉中进行加热并保温，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度低30～60℃，本次保温时间按1.5～1.8mm/min进行控制；
步骤四，初级锻坯加热完成后，将其从加热炉中取出并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L，总镦粗高度为2/5L～3/5L，完成初级锻坯的第一次镦锻；然后，将第一次镦锻后的初级锻坯拔长到TC4钛合金锭的原始直径，并放入加热炉中进行再次加热，本次加热温度比TC4钛合金锭的相变点温度低30～60℃；将再次加热后的初级锻坯从加热炉中取出，使其首次镦粗时朝下的一端朝上并镦粗1/5L～1/4L，再调头镦粗1/5L～1/4L；最后，将第二次镦锻后的初级锻坯拔长到TC4钛合金锭原始直径，之后回炉加热再采用FM法横向展宽锻造开坯，得到半成品锻坯；
步骤五，将半成品锻坯分切后，在TC4钛合金锭的相变点温度以下10～30℃加热并换向锻造至成品尺寸。
2.如权利要求1所述的TC4钛合金锻材的制备方法，其特征在于：步骤一中，在TC4钛合金锭出炉前30～60min对其进行翻面。
3.如权利要求1所述的TC4钛合金锻材的制备方法，其特征在于：步骤二中，TC4钛合金锭出炉后先整形滚圆，消除取样环后在TC4钛合金锭上、下端部垫保温棉，再进行第一次镦锻。
4.如权利要求1所述的TC4钛合金锻材的制备方法，其特征在于：步骤二中，采用八角拔长方式将镦锻后的TC4钛合金锭拔长。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的TC4钛合金锻材的制备方法，其特征在于：步骤三中，在初级锻坯出炉前30～60min对其进行翻面，同时使加热炉的炉温提高10～40℃。
6.如权利要求5所述的TC4钛合金锻材的制备方法，其特征在于：步骤四中，按照步骤二镦拔锻造的变形方式和变形量完成对初级锻坯的再次锻造。
7.TC4钛合金锻材，其特征在于：由权利要求1至6中任意一项所述的TC4钛合金锻材的制备方法制备而成。
8.如权利要求7所述的TC4钛合金锻材，其特征在于：该TC4钛合金锻材的厚度为60～120mm、宽度为40～2000mm。
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