CN112548010B - 一种钛合金椭圆环材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金椭圆环材的制备方法，包括：制备钛合金铸锭；对钛合金铸锭分别按照相应的工艺在β相区开坯锻造和α+β两相区墩粗和拔长，得到Φ100mm~Φ600mm的棒坯，然后对该棒坯按照相应的工艺要求进行下料，并经过墩粗、冲孔和扩孔后得到钛合金圆环坯料，然后利用钛合金椭圆环材成型模具将钛合金圆环坯料成型为钛合金椭圆环材。本发明的制备方法工艺简单，通过自制的成型模具得到的椭圆环材的性能完全满足要求，同时，成型模具结构简单，易于制作，与锻造压力机配合可以实现中、小批量生产。
Description
技术领域
本发明属于钛合金制备加工技术领域，具体涉及一种钛合金椭圆环材的制备方法。
背景技术
钛合金具有质量轻、比强度高和耐腐蚀性好等优点，广泛应用于航空航天领域。但与传统的钢相比，钛合金的导热性差，加工窗口窄，工艺塑性较差，易在锻件的表面及边角处易产生裂纹，尤其是异形锻件对锻造工艺和加工模具提出了更高的要求。
钛合金圆形环材是一种常见的锻件，制备工艺很成熟。然而近年来，随着新产品更新换代，结构设计亟需钛合金椭圆环材，然而椭圆环材的研制和应用很少。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种钛合金椭圆环材的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种钛合金椭圆环材的制备方法，包括：
步骤1：采用真空自耗熔炼得到钛合金铸锭；
步骤2：对所述钛合金铸锭进行加热，使其内部组织处于β相区，其中，加热温度为950~1200℃，保温时间为150~300min，然后出炉并进行2~4火次开坯锻造，保证坯料β相区变形量达到50~85%，得到规格为Φ300mm~Φ800mm的第一钛合金棒坯；且从开炉门到将锭坯转移到锻造机上的时间≤30s；变形速率为15~50mm/s；终锻温度为750~950℃；
步骤3：将所述第一钛合金棒坯进行加热，使其内部组织处于α+β两相区，其中，加热温度为800℃~980℃，保温时间为150~300min，然后出炉并进行3~10火次镦粗和拔长，保证坯料α+β两相区变形量达到20~65%，得到规格为Φ100mm~Φ600mm的第二钛合金棒坯；且从开炉门到将锭坯转移到锻造机上的时间≤10s；变形速率为10~40mm/s；终锻温度为750~900℃；
步骤4：依据工艺要求的锻件重量对所述第二钛合金棒坯进行下料，并进行加热，加热温度为800~960℃，保温时间为180~300min，然后出炉并进行1~3火次的镦粗变形，保证坯料的变形量达到40~80%，然后对坯料进行1火次冲孔和1~3火次扩孔后得到钛合金圆环坯料，且该过程中坯料的变形量为25~60%；终锻温度为750~900℃；
步骤5：将所述钛合金圆环坯料进行加热，加热温度为800~960℃，保温时间为180~300min，然后利用椭圆环材成型模具进行成型，得到钛合金椭圆环材半成品；
步骤6：对所述钛合金椭圆环材半成品进行热处理，加热温度为600~800℃，保温时间为60~240min，出炉冷却后得到钛合金椭圆环材成品。
进一步地，所述椭圆环材成型模具包括：上模、下模以及芯模；其中，
所述上模与所述下模相对的工作面均为弧形，且弧形的弧度与所述钛合金椭圆环材成品的弧度相同；所述芯模整体为棒状，包括工作段和夹持段，所述工作段为椭圆形，所述夹持段与操作机连接；成型时所述钛合金圆环坯料位于所述上模、下模之间，所述工作段同轴位于所述钛合金椭圆环材坯料的中心，用于成型时对所述钛合金椭圆环材坯料进行定位；通过操作机控制所述芯模，使得所述钛合金椭圆环材成型时，所述工作段始终同轴位于所述钛合金椭圆环材坯料的中心；当所述上模下压与所述下模完全贴合后，得到所述钛合金椭圆环材成品，且所述钛合金椭圆环材成品的内环短轴与所述工作段的短轴长度相等。
进一步地，所述上模与所述下模的弧形工作面两端均设置有半径为30~50mm的圆弧倒角。
进一步地，所述工作段表面带有拔模斜度，斜度为1~3°。
本发明的有益效果：
1、本发明的制备方法工艺简单，通过自制的成型模具得到的钛合金椭圆环材的性能完全满足要求；
2、该成型模具结构简单，易于制作，与锻造压力机配合可以实现中、小批量生产。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为成型模具的下模结构示意图；
图2为成型模具的上模结构示意图；
图3为成型模具的芯模的主视结构示意图；
图4为成型模具的芯模的侧视结构示意图；
图5为椭圆环材的成型示意图；
图6为TC4钛合金椭圆环材的C向金相图；
图7为TA15钛合金椭圆环材的C向金相图；
图8为TA2钛合金椭圆环材的C向金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明实施例提供了一种TC4钛合金椭圆环材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采用真空自耗熔炼得到TC4钛合金铸锭。
步骤2：将TC4钛合金铸锭在天然气炉或电阻炉中进行加热，使其内部组织处于β单相区，其中，TC4铸锭的加热温度为1150℃，保温时间为150~300min，然后将锭坯出炉并进行多火次的开坯锻造，保证坯料β相区变形量达到50~85%，得到规格为Φ600mm的第一TC4钛合金棒坯。
进一步地，每火次从开炉门将锭坯转移到锻造机上的时间≤30s；锻造火次为2~4次，坯料β相区的变形速率为15~50mm/s；终锻温度为950℃。
步骤3：将第一TC4钛合金棒坯进行加热，使其内部组织处于α+β两相区，其中，加热温度为980℃，保温时间为150~300min，然后出炉并进行多火次镦粗和拔长，保证坯料α+β两相区变形量达到20~55%，得到规格为Φ350mm的第二TC4钛合金棒坯；
进一步地，每火次从开炉门到将第一TC4棒坯转移到锻造机上的时间≤10s；锻造火次为3~10次，坯料α+β两相区的变形速率为10~40mm/s；终锻温度为850℃。
步骤4：对第二TC4钛合金棒坯进行锯切下料并倒角，使得下料后的第二TC4钛合金棒坯的高径比为2.5；并对下料后的第二TC4钛合金棒坯进行加热，加热温度为960℃，保温时间为180~300min，然后出炉进行1火次墩粗变形，保证坯料的变形量达到40~60%，然后对坯料进行1火次冲孔和2火次扩孔后得到TC4钛合金圆环坯料，该冲孔和扩孔过程中坯料的变形量分别为25~50%，终锻温度为850℃。
步骤5：对TC4钛合金圆环坯料进行机加工并消除缺陷后进行加热，加热温度为960℃，保温时间为180~300min，然后利用成型模具进行成型，得到TC4钛合金椭圆环材半成品。
其中，椭圆环材成型模具通过热加工工艺制作而成，请参见图1~图5，具体包括：上模1、下模2以及芯模3；其中，上模1与下模2相对的工作面均为弧形，且弧形的弧度与TC4钛合金椭圆环材的弧度相同；芯模3整体为棒状，包括工作段3-1和夹持段3-2，工作段3-1为椭圆形，夹持段3-2通过操作机夹持，成型时TC4钛合金圆环坯料位于上模1与下模2之间，工作段3-1同轴位于TC4钛合金圆环坯料的中心，用于成型时对TC4钛合金圆环坯料进行定位，通过操作机控制芯模3，使得TC4钛合金圆环坯料成型时，工作段3-1始终同轴位于TC4钛合金圆环坯料的中心；当在锻造压力机的作用下，位于上模1和下模2之间的待成型的坯料与工作段3-1接触且上模1和下模2完全贴合后，表明成型过程已经结束；从而得到TC4钛合金椭圆环材半成品，且该TC4钛合金椭圆环材半成品的内环短轴与工作段3-1的短轴长度相等。
进一步地，工作段3-1的长轴外侧与TC4钛合金椭圆环材的长轴内侧的距离为50~100mm，此外，芯模3的工作段3-1表面带有拔模斜度，斜度为1~3°，这种设置均有利于芯模3在坯料内进出。
进一步地，上模1与下模2的弧形工作面两端均设置有半径为50mm的圆弧倒角，该倒圆角的设置是为了避免长时间使用对成型模具造成损害，延长了模具的使用寿命，此外，也保护了坯料不受损害。
需要说明的是，该成型模具的上模1和下模2的弧形部分依据TC4钛合金椭圆环材的椭圆尺寸设计而成，本发明实施例在此不作具体限定。
该成型模具的使用过程：
在上模1通过燕尾槽或者其他连接方式固定在锻造压力机上，下模2放置在压机镦粗平台上，操作机夹持芯模3上的夹持段3-2；将加热到一定成型温度的粗加工后的TC4钛合金圆环坯料放置在上模1与下模2之间，芯模3同轴放置于TC4钛合金圆环坯料的中心，然后将压力机按照一定的速率压下，上模1和下模2贴合成型后得到尺寸精准的TC4钛合金椭圆环材半成品。
除此之外，椭圆环材成型模具需要进行预热，预热温度为300~500℃，预热时间为3~5h，预热的目的是有利于TC4钛合金椭圆环材成型。
步骤6：对TC4钛合金椭圆环材半成品进行热处理，加热温度为700~800℃，保温时间为1~3h，空冷，得到TC4钛合金椭圆环材成品。
步骤7：对TC4椭圆环材成品采用数控铣床进行机加工处理，保证成品的尺寸满足工艺要求。
对TC4钛合金椭圆环材的性能进行检测，依据GB/T5193进行超声探伤，同时依据技术标准取样进行性能检测，其组织性能如图6和表1所示：
表1 TC4钛合金椭圆环材的力学性能测试结果
| 牌号 | 规格(外长轴/内长轴×(外短轴/内短轴×高度) | Rm/MPa | RP0.2/MPa | A/% | Z/% |
| TC4 | 880/800×560/480×60 | 957 | 878 | 16 | 39 |
一般用TC4钛合金椭圆环材的抗拉强度Rm≥895MPa；屈服强度RP0.2≥825MPa；断后伸长率A≥10%；断面收缩率≥25%，由此可见，本发明制备的TC4椭圆环材成品的性能完全满足要求。
图5中，TC4钛合金椭圆环材的C向金相组织为α+β两相区加工组织，晶粒尺寸均匀，满足其相应的检验要求；其中，C向为弦向。
需要说明的是，本发明实施例以及实施例2、实施例3中提到的Φ均表示直径。
实施例2
本发明实施例提供了一种TA15钛合金椭圆环材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采用真空自耗熔炼得到TA15钛合金铸锭。
步骤2：将TA15钛合金铸锭在天然气炉或电阻炉中进行加热，使其内部组织处于β单相区，其中，TA15铸锭的加热温度为1200℃，保温时间为150~300min，然后将锭坯出炉并进行β相区的开坯锻造，保证坯料β相区变形量达到50~80%，得到规格为Φ500mm的第一TA15钛合金棒坯。
进一步地，每火次从开炉门将锭坯转移到锻造机上的时间≤30s；锻造火次为2~4次；坯料β相区的变形速率为10~40mm/s；终锻温度为950℃。
步骤3：将第一TA15钛合金棒坯进行加热，使其内部组织处于α+β两相区，其中，加热温度为980℃，保温时间为150~300min，然后出炉并进行多火次镦粗和拔长，保证坯料α+β两相区总变形量达到20~55%，得到规格为Φ300mm的第二TA15钛合金棒坯；
进一步地，每火次从开炉门到将第一TA15棒坯转移到锻造机上的时间≤10s；锻造火次为3~10次，坯料α+β两相区的变形速率为10~40mm/s；终锻温度为850℃。
步骤4：对第二TA15钛合金进行锯切下料并倒角，使得下料后的第二TA15棒坯的高径比为2，并对下料后的第二TA15钛合金棒坯进行加热，加热温度为960℃，保温时间为180~300min，然后出炉并进行1火次墩粗变形，保证坯料的变形量达到40~60%，然后对坯料进行1火次冲孔和2火次扩孔后得到TA15钛合金圆环坯料，该冲孔和扩孔过程中坯料的变形量分别为25~50%，终锻温度为870℃。
步骤5：对TA15钛合金圆环坯料进行机加工并消除缺陷后进行加热，加热温度为960℃，保温时间为180~300min，然后利用成型模具进行成型，得到TA15钛合金椭圆环材半成品。
其中，椭圆环材成型模具的结构及工作原理与实施例1相同，本发明实施例再次不再赘述。
步骤6：对TA15钛合金椭圆环材半成品进行热处理，加热温度为700~850℃，保温时间为1~4h，空冷，得到TA15钛合金椭圆环材成品。
步骤7：对TA15椭圆环材成品采用数控铣床进行机加工处理，保证成品的尺寸满足工艺要求。
对TA15钛合金椭圆环材的性能进行检测，依据GB/T5193进行超声探伤，同时依据技术标准取样进行性能检测，其组织性能如图7和表2所示：
表2 TA15钛合金椭圆环材的力学性能测试结果
| 牌号 | 规格(外长轴/内长轴×(外短轴/内短轴×高度) | Rm/MPa | RP0.2/MPa | A/% | Z/% |
| TA15 | 960/880×560/480×40 | 979 | 920 | 16 | 41 |
一般用TA4钛合金椭圆环材的抗拉强度Rm≥885MPa；屈服强度RP0.2≥825MPa；断后伸长率A≥8%；断面收缩率≥20%，由此可见，本发明制备的TA15钛合金椭圆环材成品的性能完全满足要求。
图6中，TA15钛合金椭圆环材的C向金相组织为α+β两相区加工组织，晶粒尺寸均匀，满足其相应的检验要求；其中，C向为弦向。
实施例3
本发明实施例提供了一种TA2钛合金椭圆环材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：采用真空自耗熔炼得到TA2钛合金铸锭。
步骤2：将TA2钛合金铸锭在天然气炉或电阻炉中进行加热，使其内部组织处于β单相区，其中，TA2铸锭的加热温度为1000℃，保温时间为150~300min，然后将锭坯出炉并进行多火次的开坯锻造，保证坯料β相区变形量达到50~80%，得到规格为Φ450mm的第一TA2钛合金棒坯。
进一步地，从开炉门将锭坯转移到锻造机上的时间≤30s；锻造火次为2~4次；坯料β相区的变形速率为15~50mm/s；终锻温度为850℃。
步骤3：将第一TA2钛合金棒坯进行加热，使其内部组织处于α+β两相区，其中，加热温度为850℃，保温时间为150~300min，然后出炉并进行多火次镦粗和拔长，保证坯料α+β两相区总变形量达到20~55%，得到规格为Φ250mm的第二TA2钛合金棒坯；
进一步地，从开炉门到将第一TA2钛合金棒坯转移到锻造机上的时间≤10s；锻造火次为3~10次，坯料α+β两相区的变形速率为10~50mm/s；终锻温度为750℃。
步骤4：对第二TA2钛合金棒坯进行锯切下料并倒角，使得下料后的第二TA2钛合金棒坯的高径比为2；并对下料后的第二TA2钛合金棒坯进行加热，加热温度为820℃，保温180~300min后进行1火次墩粗变形，保证坯料的变形量达到40~60%，然后对坯料进行1火次冲孔和2火次扩孔后得到TA2钛合金圆环坯料，该冲孔和扩孔过程中坯料的变形量分别为25~50%，终锻温度为750℃。
步骤5：对TA2钛合金圆环坯料机加工后并进行加热，加热温度为820℃，保温时间为180~300min，然后利用成型模具进行成型，得到TA2钛合金椭圆环材半成品。
其中，椭圆环材成型模具的结构及工作原理与实施例1相同，本发明实施例再次不再赘述。
步骤6：对TA2钛合金椭圆环材半成品进行热处理，加热温度为600~700℃，保温时间为1~3h，空冷得到TA2钛合金椭圆环材成品。
步骤7：对TA2钛合金椭圆环材成品采用数控铣床进行机加工处理，保证成品的尺寸满足工艺要求。
对TA2钛合金椭圆环材的性能进行检测，依据GB/T5193进行超声探伤，同时依据技术标准取样进行性能检测，其组织性能如图8和表3所示：
表3 TA2钛合金椭圆环材的力学性能测试结果
| 牌号 | 规格(外长轴/内长轴×(外短轴/内短轴×高度) | Rm/MPa | RP0.2/MPa | A/% | Z/% |
| TA2 | 880/760×580/460×60 | 458 | 342 | 27 | 58 |
一般用TA2钛合金椭圆环材的抗拉强度Rm≥400MPa；屈服强度RP0.2≥275MPa；断后伸长率A≥20%；断面收缩率≥30%，由此可见，本发明制备的TC4椭圆环材成品的性能完全满足要求。
图7中，TA2钛合金椭圆环材的C向金相组织为α+β两相区加工组织，晶粒尺寸均匀，满足其相应的检验要求；其中，C向为弦向。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种钛合金椭圆环材的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：采用真空自耗熔炼得到钛合金铸锭；
步骤2：对所述钛合金铸锭进行加热，使其内部组织处于β相区，其中，加热温度为950~1200℃，保温时间为150~300min，然后出炉并进行2~4火次开坯锻造，保证坯料β相区变形量达到50~85%，得到规格为Φ300mm~Φ800mm的第一钛合金棒坯；且从开炉门到将锭坯转移到锻造机上的时间≤30s；变形速率为15~50mm/s；终锻温度为750~950℃；
步骤3：将所述第一钛合金棒坯进行加热，使其内部组织处于α+β两相区，其中，加热温度为800℃~980℃，保温时间为150~300min，然后出炉并进行3~10火次镦粗和拔长，保证坯料α+β两相区变形量达到20~65%，得到规格为Φ100mm~Φ600mm的第二钛合金棒坯；且从开炉门到将锭坯转移到锻造机上的时间≤10s；变形速率为10~40mm/s；终锻温度为750~900℃；
步骤4：依据工艺要求的锻件重量对所述第二钛合金棒坯进行下料，并进行加热，加热温度为800~960℃，保温时间为180~300min，然后出炉并进行1~3火次的镦粗变形，保证坯料的变形量达到40~80%，然后对坯料进行1火次冲孔和1~3火次扩孔后得到钛合金圆环坯料，且该过程中坯料的变形量为25~60%；终锻温度为750~900℃；
步骤5：将所述钛合金圆环坯料进行加热，加热温度为800~960℃，保温时间为180~300min，然后利用椭圆环材成型模具进行成型，得到钛合金椭圆环材半成品；所述椭圆环材成型模具包括：上模、下模以及芯模；其中，
所述上模与所述下模相对的工作面均为弧形，且弧形的弧度与所述钛合金椭圆环材成品的弧度相同；所述芯模整体为棒状，包括工作段和夹持段，所述工作段为椭圆形，所述夹持段与操作机连接；成型时所述钛合金圆环坯料位于所述上模、下模之间，所述工作段同轴位于所述钛合金圆环坯料的中心，用于成型时对所述钛合金圆环坯料进行定位；通过操作机控制所述芯模，使得所述钛合金圆环坯料成型时，所述工作段始终同轴位于所述钛合金圆环坯料的中心；当所述上模下压与所述下模完全贴合后，得到所述钛合金椭圆环材半成品，且所述钛合金椭圆环材半成品的内环短轴与所述工作段的短轴长度相等；
步骤6：对所述钛合金椭圆环材半成品进行热处理，加热温度为600~800℃，保温时间为60~240min，出炉冷却后得到钛合金椭圆环材成品。
2.根据权利要求1所述的钛合金椭圆环材的制备方法，其特征在于，所述上模与所述下模的弧形工作面两端均设置有半径为30~50mm的圆弧倒角。
3.根据权利要求1或2所述的钛合金椭圆环材的制备方法，其特征在于，所述工作段表面带有拔模斜度，斜度为1~3°。
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