CN112108606A - 一种钛合金锻件制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料科学技术加工制造领域，涉及一种钛合金锻件制备方法；首先将合格的铸锭在1000℃～1150℃进行1～2火次2镦2拔变形，得到初级方坯；再将初级方坯在相变点以下30℃～60℃进行2火次短流程轧制得到110mm厚成品板材；然后利用水刀切割机或者电火花线切割进行下料直接得到平衡肘中间坯后，再将平衡肘中间坯在相变点以下35℃～40℃进行弯曲和模锻，得到平衡肘模锻件；最后将平衡肘模锻件进行热处理后，得到平衡肘锻件成品。该制备方法通过采用全流程低成本控制思路，并引入不同温度两相区大变形量短流程轧制工艺，达到快速细化和均匀组织的目的，既降低了锻件制造成本，又提高了锻件疲劳性能。

Description

一种钛合金锻件制备方法
技术领域
本发明属于材料科学技术加工制造领域，涉及一种钛合金锻件制备方法。
背景技术
平衡肘是一种类“Z”字形曲臂阶梯轴，一端与平衡肘轴相连，另一端与负重轮轴相连，它是各类履带车辆中连接行动装置和悬挂装置的关键构件，平衡肘一旦出现断裂，就会严重影响车辆正常行驶。车辆在行驶的过程当中，由于地面环境复杂多变，平衡肘主要受到弯曲扭转应力、弯曲疲劳应力、冲击等多种载荷，因此平衡肘材料需要较高的强度、刚度和抗疲劳性能。大量试车实验结果和公开文献报道表明，多种因素诱发造成的疲劳断裂是平衡肘最常见的失效形式。常用的材料例如38CrSi、20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA等高强镍铬钢。
当前，为了提高武器装备的机动性和作战性能，履带车辆轻型化已经受到了很多发达国家的高度重视，平衡肘减重是实现履带车辆轻型化的重要途径。钛合金因具有比强度高、韧性好、耐蚀及抗疲劳等综合优异性能，是实现陆军武器装备轻量化、提高武器装备作战性能的理想材料之一。但同时，钛合金的使用成本比钢高数十倍，严重限制了钛合金在陆军装备领域大量应用，因此迫切需要发展低成本钛合金和钛合金低成本制造技术，来降低钛合金的使用成本。钛合金短流程加工制造技术的发展和创新，为钛合金低成本制造带来了新的契机。钛合金短流程加工并不是仅仅减少加工工序或者缩短加工流程，而是在确保产品质量满足要求的前提下的一种高效率、低能耗、低排放和低成本的的创新性工艺。
钛合金平衡肘传统制造工艺主要有铸造热等静压成型和铸锭锻压成型两种方式。前者主要经过石墨制模、熔炼浇筑、热等静压、补焊、热处理等工序，虽然铸件经热等静压后能使大量气孔、疏松缺陷被压合，组织更加致密，但是铸件中体积较大的气孔、缩孔通常难以消除，成为疲劳裂纹源区，并且在后续补焊过程中，若工艺实施不当，容易造成铸件表面存在一定深度的气孔或硬化层，严重降低平衡肘铸件的疲劳性能和冲击性能，降低使用寿命。后者主要经过铸锭开坯、均匀化锻造、棒材制备、制坯、模锻弯曲、模锻成型、热处理等工序，仍然延续航空用钛合金制造工艺流程，造成平衡肘锻件产品成本居高不下。
近年来，钛合金低成本加工制造技术发展迅速，国内科研院所、企事业单位竞相角逐，发展了诸如返回料熔炼、EB炉熔炼、短流程加工、低成本钛合金研发等多种技术和手段来降低钛合金的制造使用成本。沈阳和世泰钛金属应用技术有限公司的宋洪海等在授权公告号为CN 205576252 U中提出了坦克车钛合金平衡肘的低成本制备方法，主要经过电极压制、三次真空熔炼、铸锭三镦三拔开坯后制成板坯、下料、制坯、模锻和热处理调制等工序。但该工序中，铸锭开坯三镦三拔后制成板坯后，板坯组织仍然为晶粒极粗大的魏氏组织，后续制坯以及模锻，变形量过小，由于组织遗传效应，无法细化晶粒，组织仍为片层组织且极不均匀，静强度虽然满足要求，但严重降低锻件的疲劳性能和使用可靠性。另外，该专利也并未对锻造工艺参数作出明确的说明。很显然，该专利方法并不适合制造出低成本、抗疲劳、长寿命的钛合金平衡肘锻件。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种钛合金平衡肘锻件大变形短流程低成本制备方法，从根本上解决了现有技术制造平衡肘成本高、周期长、疲劳性能低、可靠性差等问题。
本发明采用的技术方案是：
步骤一、选取化学成分合格的铸锭(满足GB/T 3620.1-2016)，去除铸锭表面缺陷，同时切除钛合金铸锭冒口和锭底，并对端面进行倒角；
步骤二、将铸锭在800℃～850℃预热保温2～5小时，再升温到1000℃～1150℃保温3～6小时后，在快锻机上进行1～2火次2镦2拔变形，得到初级方坯；
步骤三、将初级方坯在相变点以下20℃～35℃加热保温，保温时间按1.0～2.0min/mm计算，然后送入轧机进行单向轧制，轧制变形量为20％～50％，终轧温度不低于相变点下200℃，得到规格为厚×宽×长＝(200～400mm)×(600～1200mm)×(1500～3500mm)中间板坯；
步骤四、将中间板坯在相变点以下35℃～50℃加热保温，保温时间按0.6～1.5min/mm计算，然后送入轧机进行单向轧制，轧制变形量为50％～80％，终轧温度不低于相变点下200℃，得到110mm厚成品板材；
步骤五、根据平衡肘锻件下料规格，将步骤四制备的成品板材下料进行下料得到平衡肘中间坯，并对平衡肘中间坯进行倒角；
步骤六、将平衡肘中间坯在相变点以下35℃～40℃加热保温，保温时间按1.0min/mm计算，然后进行弯曲，得到平衡肘荒坯；
步骤七、将平衡肘荒坯在相变点以下35℃～40℃加热保温，保温时间按1.0min/mm计算，然后在模锻液压机上进行模锻成型，得到平衡肘模锻件；
步骤八、将平衡肘模锻件进行热处理，得到平衡肘锻件成品。
步骤一中所述钛合金可选用具有中高强度的TC4、TC32、TA15、TC4-DT、TC21、TC11的(α+β)型或近α钛合金中的一种或几种。
步骤一中所述钛合金铸锭需经2～3次真空自耗熔炼，原材料既可以是海绵钛与中间合金经混料后压制焊接所得，也可以是同一牌号合金多炉批次返回料焊接所得。
步骤二中所述钛合金铸锭或方坯料镦粗变形量控制在45％～60％。
步骤三、四中所述轧制道次为3～10个道次，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s。
步骤六中所述平衡肘中间坯弯曲成型，可采用压力机设备和U型槽自由锻弯曲成型或可采用模锻液压机和专用型槽模具模锻成型。
步骤七中所述平衡肘模锻压制速度控制在1mm/s～5mm/s。
步骤八中所述平衡肘模锻件热处理可采用普通退火或双重退火热处理制度。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、该方法生产的平衡肘模锻件制造成本低、生产效率高。该工艺通过采用全流程低成本控制思路，例如返回料熔炼、短流程锻造工艺，适当增加每火次变形量和镦拔次数，并引入不同温度两相区大变形量短流程轧制工艺，达到快速细化和均匀组织的目的。另外，该方法与现行平衡肘制备方法更为先进的地方在于，通过采用中厚规格板坯直接下料成为平衡肘中间坯的方式，避免传统制造工艺大规格铸锭需多火次锻造拔长成中小规格棒材工序，又减少平衡肘棒材制坯锻造工序，从而显著缩短锻件制造周期，增加材料利用率，进一步降低了制造成本。该制备方法的生产周期较传统制备方法缩短50％以上，锻件综合生产成本较传统制备方法降低30％以上。
2、该制备方法生产的平衡肘锻件金相组织为均匀细小的两相区组织，从而使锻件具有更优异的拉伸性能和抗疲劳性能，锻件使用寿命不低于传统制备方法下的平衡肘锻件，可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例制备的平衡肘模锻件实物。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1
材料牌号为TC4的Φ580×1600mm铸锭，经海绵钛与中间合金混料、压制电极焊接以及三次真空自耗熔炼后所得，铸锭化学成分满足“钛及钛合金牌号和化学成分”(GB/T3620.1-2016)的要求，所测相变点为998℃。
步骤一、去除该铸锭表面缺陷，同时切除钛合金铸锭冒口和锭底，并对端面进行倒角；
步骤二、将铸锭在850℃预热保温180分钟，再升温到1150℃保温350分钟后，在快锻机上进行2镦2拔变形后，锻造至□500×1620mm；再将方坯在850℃预热保温150分钟，再升温到1050℃保温240分钟后，在快锻机上进行2镦2拔变形后，锻造拔长至350×750×1540mm，得到初级方坯；
步骤三、将初级方坯在968℃加热保温500分钟，然后送入轧机进行单向轧制，轧制分为3个道次完成，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s，保证终轧温度不低于798℃，得到规格为厚×宽×长＝250×750×2150mm中间板坯；
步骤四、将中间板坯在948℃加热保温250分钟，然后送入轧机进行单向轧制，轧制分为4个道次完成，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s，保证终轧温度不低于798℃，得到110mm厚成品板材；
步骤五、利用水刀切割机对板坯进行下料，得到规格为110×200×1000mm平衡肘中间坯，并对中间坯进行倒角；
步骤六、将平衡肘中间坯在963℃加热保温110分钟，然后利用专用型槽模具在模锻液压机进行弯曲，压制速度为1mm/s，得到平衡肘荒坯；
步骤七、将平衡肘荒坯在963℃加热保温110分钟，然后在模锻液压机上进行模锻成型，压制速度为4mm/s，得到平衡肘模锻件；
步骤八、将平衡肘模锻件进行普通退火热处理，得到平衡肘锻件成品。
对实施案例1的平衡肘模锻件进行常规力学性能检测，其中抗拉强度Rm＝904MPa；屈服强度Rp0.2＝830MPa；延伸率A＝17.3％；断面收缩率Z＝46.8％；疲劳极限σD＝385MPa(kt＝1，R＝-1)。
实施例2
材料牌号为TC4的Φ500×1200mm铸锭，经多炉坯次TC4返回料拼装、加入适量合金Al后焊接、以及三次真空自耗熔炼后所得，铸锭化学成分满足“钛及钛合金牌号和化学成分”(GB/T 3620.1-2016)的要求，所测相变点为993℃。
步骤一、去除该铸锭表面缺陷，同时切除钛合金铸锭冒口和锭底，并对端面进行倒角；
步骤二、将铸锭在850℃预热保温150分钟，再升温到1150℃保温350分钟后，在快锻机上进行2镦2拔变形后，锻造至□450×1050mm；再将方坯在850℃预热保温120分钟，再升温到1050℃保温200分钟后，在快锻机上进行2镦2拔变形后，锻造拔长至300×650×1090mm，得到初级方坯；
步骤三、将初级方坯在968℃加热保温480分钟，然后送入轧机进行单向轧制，轧制分为3个道次完成，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s，保证终轧温度不低于793℃，得到规格为厚×宽×长＝200×650×1630mm中间板坯；
步骤四、将中间板坯在953℃加热保温180分钟，然后送入轧机进行单向轧制，轧制分为4个道次完成，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s，保证终轧温度不低于793℃，得到110mm厚成品板材；
步骤五、利用水刀切割机对板坯进行下料，得到规格为110×200×1000mm平衡肘中间坯，并对中间坯进行倒角；
步骤六、将平衡肘中间坯在955℃加热保温110分钟，然后利用U型槽在快锻机上进行弯曲，得到平衡肘荒坯；
步骤七、将平衡肘荒坯在955℃加热保温110分钟，然后在模锻液压机上进行模锻成型，压制速度为3mm/s，得到平衡肘模锻件；
步骤八、将平衡肘模锻件进行普通退火热处理，得到平衡肘锻件成品。
对实施案例2的平衡肘模锻件进行常规力学性能检测，其中抗拉强度Rm＝893MPa；屈服强度Rp0.2＝790MPa；延伸率A＝16.5％；断面收缩率Z＝52.0％；疲劳极限σD＝368MPa(kt＝1，R＝-1)。
实施例3
材料牌号为TC32的Φ500×1300mm铸锭，经海绵钛与中间合金混料、压制电极、焊接以及三次真空自耗熔炼后所得，铸锭化学成分满足“钛及钛合金牌号和化学成分”(GB/T3620.1-2016)的要求，所测相变点为915℃。
步骤一、去除该铸锭表面缺陷，同时切除钛合金铸锭冒口和锭底，并对端面进行倒角；
步骤二、将铸锭在850℃预热保温150分钟，再升温到1150℃保温350分钟后，在快锻机上进行2镦2拔变形后，锻造至□450×1160mm；再将方坯在850℃预热保温120分钟，再升温到1050℃保温200分钟后，在快锻机上进行2镦2拔变形后，锻造拔长至280×700×1200mm，得到初级方坯；
步骤三、将初级方坯在895℃加热保温500分钟，然后送入轧机进行单向轧制，轧制分为3个道次完成，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s，保证终轧温度不低于690℃，得到规格为厚×宽×长＝200×700×1680mm中间板坯；
步骤四、将中间板坯在870℃加热保温160分钟，然后送入轧机进行单向轧制，轧制分为4个道次完成，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s，保证终轧温度不低于690℃，得到110mm厚成品板材；
步骤五、利用水刀切割机对板坯进行下料，得到规格为110×200×1000mm平衡肘中间坯，并对中间坯进行倒角；
步骤六、将平衡肘中间坯在878℃加热保温110分钟，然后利用专用型槽模具在模锻液压机进行弯曲，压制速度为1mm/s，得到平衡肘荒坯；
步骤七、将平衡肘荒坯在878℃加热保温110分钟，然后在模锻液压机上进行模锻成型，压制速度为2mm/s，得到平衡肘模锻件；
步骤八、将平衡肘模锻件进行双重退火热处理，得到平衡肘锻件成品。
对实施案例3的平衡肘模锻件进行常规力学性能检测，其中抗拉强度Rm＝1080MPa；屈服强度Rp0.2＝1044MPa；延伸率A＝16.0％；断面收缩率Z＝48.0％；疲劳极限σD＝558MPa(kt＝1，R＝-1)。

Claims (8)

1.一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选取化学成分合格的铸锭，去除铸锭表面缺陷，同时切除钛合金铸锭冒口和锭底，并对端面进行倒角；
步骤二、将铸锭在800℃～850℃预热保温2～5小时，再升温到1000℃～1150℃保温3～6小时后，在快锻机上进行1～2火次2镦2拔变形，得到初级方坯；
步骤三、将初级方坯在相变点以下20℃～35℃加热保温，保温时间按1.0～2.0min/mm计算，然后送入轧机进行单向轧制，轧制变形量为20％～50％，终轧温度不低于相变点下200℃，得到规格为厚×宽×长＝(200～400mm)×(600～1200mm)×(1500～3500mm)中间板坯；
步骤四、将中间板坯在相变点以下35℃～50℃加热保温，保温时间按0.6～1.5min/mm计算，然后送入轧机进行单向轧制，轧制变形量为50％～80％，终轧温度不低于相变点下200℃，得到110mm厚成品板材；
步骤五、根据平衡肘锻件下料规格，将步骤四制备的成品板材下料得到平衡肘中间坯，并对平衡肘中间坯进行倒角；
步骤六、将平衡肘中间坯在相变点以下35℃～40℃加热保温，保温时间按1.0min/mm计算，然后进行弯曲，得到平衡肘荒坯；
步骤七、将平衡肘荒坯在相变点以下35℃～40℃加热保温，保温时间按1.0min/mm计算，然后在模锻液压机上进行模锻成型，得到平衡肘模锻件；
步骤八、将平衡肘模锻件进行热处理，得到平衡肘锻件成品。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金可选用具有中高强度的TC4、TC32、TA15、TC4-DT、TC21、TC11的(α+β)型或近α钛合金中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金铸锭需经2～3次真空自耗熔炼，原材料既可以是海绵钛与中间合金经混料后压制焊接所得，也可以是同一牌号合金多炉批次返回料焊接所得。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤二中所述钛合金铸锭或方坯料镦粗变形量控制在45％～60％。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤三、四中所述轧制道次为3～10个道次，且道次变形量控制在1％～25％，轧制速率控制在1m/s～10m/s。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤六中所述平衡肘中间坯弯曲成型可采用压力机设备和U型槽自由锻弯曲成型或采用模锻液压机和专用型槽模具模锻成型。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤七中所述平衡肘模锻压制速度控制在1mm/s～5mm/s。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤八中所述平衡肘模锻件热处理可采用普通退火或双重退火热处理制度。
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