CN112719179B - 一种tc1钛合金棒材的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金加工技术领域，涉及一种TC1钛合金棒材的锻造方法，先对铸锭进行1～2火次开坯锻造，再对坯料采用连续回炉和反复镦拔的方式进行2～4火次中间锻造，最后在相变点以下50～100℃进行成形锻造。本发明在开坯锻造过程增加β相区变形量，总锻比不小于8，充分破碎铸态晶粒；在中间锻坯锻造时一方面增加锻比，缩小棒材组织的差异，另一方面采用连续回炉的锻造方式，提高中间坯料温度场的均匀性，缩小整支中间坯料温度差造成坯料边缘和心部组织的差异；成形锻造采用对角拔长的变形方式，严格控制压下量、压下速率和送进量，提高棒材横截面组织均匀性，获得低倍组织均匀模糊，高倍组织均匀细小，强度和塑性高匹配的钛合金棒材。

Description

一种TC1钛合金棒材的锻造方法

技术领域

本发明属于钛合金加工技术领域，涉及TC1钛合金棒材，尤其涉及一种TC1钛合金棒材的锻造方法。

背景技术

TC1(Ti-Al2％-Mn1.5％)钛合金属于Ti-Al-Mn系钛合金，是中等强度、高塑性的合金。在室温平衡状态下由α相和少量β相组成。钛合金具有较高的强度、良好的塑性、焊接性，并且有良好的热稳定性，主要用于使用温度在400℃以下的零件。通常加工成零件并经过焊接制成飞机蒙皮、前进气罩帽、横向结构件、隔热板等构件，已在航空航天工业中得到广泛应用。

为满足航空零部件服役要求，TC1钛合金棒材要求具有高组织均匀性，同时具有良好的强度、塑性和热稳定性的综合匹配。传统的工艺往往会造成TC1钛合金塑性加工过程中形成织构，进而导致棒材或者最终零部件力学性能各向异性，并且其强度和塑性得不到良好的匹配，最终不能满足服役要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种TC1钛合金棒材的锻造方法，利用该锻造方法锻造的TC1钛合金棒材，整体高低倍组织得到明显改善，棒材组织性能得到更好的匹配。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

这种TC1钛合金棒材的锻造方法，该方法包括以下步骤：

1)开坯锻造：对TC1钛合金铸锭进行1～2火次开坯锻造得到初级锻坯，每火次始锻温度均为β相变点以上150℃～250℃，终锻温度均为β相变点以下20℃～80℃，每火次锻造完成2～3个镦拔，累计总锻比不小于8，使物料铸态晶粒得到充分破碎；

2)中间锻造：对所述初级锻坯进行中间锻造，空冷后得到中间锻坯，所述中间锻造采用连续回炉方式进行2～4火次的反复镦拔，每火次始锻温度均为β相变点以上30℃～80℃，终锻温度均为β相变点以下50℃～100℃，每火次锻比控制在3.5～8之间；采用连续回炉的方式可快速补温，缩短锻造周期；终锻温度均为相变点以下50℃～100℃，以保证最终成品棒坯性能均匀性；

3)成形锻造：对所述中间锻坯进行成形锻造得到棒坯，所述成形锻造采用对角拔长的变形方式，共2～3火次；每次成形锻造的始锻温度均为β相变点以下50℃～100℃，终锻温度均为β相变点以下100℃～200℃，累计总锻比控制在4～8之间；其中，成形锻造工艺中，先将正方坯料在平型砧下采用对角拔长方式进行反复锻造，然后将坯料在加热温度下拔长为成品棒坯。

进一步，所述步骤1)中初级锻坯的截面呈正方形，边长为460mm～480mm。

进一步，所述步骤1)中开坯锻造具体为：

采用快锻机对规格为Φ400mm～Φ450mm的TC1钛合金铸锭进行开坯锻造。

进一步，所述步骤2)中中间锻坯的截面呈正方形，边长为380mm～460mm。

进一步，所述步骤1)、2)分别采用4500吨的快锻机进行对应的开坯锻造、中间锻造。

进一步，所述步骤3)中棒坯直径为150mm～300mm。

进一步，所述步骤3)采用1600吨的快锻机进行成形锻造。

进一步，所述步骤3)中将所述中间锻坯在平型砧下锻造为小截面正方坯料时，，每道次的压下速率为15mm/s～40mm/s，每道次的压下量为20mm～60mm，每道次的送进量为100mm～200mm。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：该锻造方法，首先通过控制开坯锻造始锻温度和终锻温度，增加β相区锻造变形量，提高锻比，累计总锻比不小于8，实现充分破碎TC1钛合金开坯物料边缘和中部大尺寸铸态晶粒，减小钛合金开坯物料的心部晶粒尺寸，改善组织均匀性的目的；然后采用连续回炉、反复镦拔的锻造方式，一方面增加变形量，缩小棒材组织的差异，另一方面采用连续回炉的锻造方式，可提高中间坯料温度场的均匀性，缩小整支中间坯料温度差造成坯料边缘和心部组织的差异；最后中间坯料采用高锻比进行锻造，通过反复镦拔破碎长条状α晶粒，使其等轴化，棒材的组织均匀性更高。由于晶粒的细化及组织的均匀性提高，使TC1棒材的力学性能及均匀程度均得到了提高；其中，成形锻造采用对角拔长的变形方式，可协调中间坯料棱角与侧面的变形程度，提高棒材横截面的组织均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的TC1钛合金棒材的高倍组织图；

图2为本发明实施例1提供的TC1钛合金棒材的低倍组织图；

图3为本发明实施例2提供的TC1钛合金棒材的高倍组织图；

图4为本发明实施例2提供的TC1钛合金棒材的低倍组织图；

图5为本发明实施例3提供的TC1钛合金棒材的高倍组织图；

图6为本发明实施例3提供的TC1钛合金棒材的低倍组织图；

图7为本发明实施例4提供的TC1钛合金棒材的高倍组织图；

图8为本发明实施例4提供的TC1钛合金棒材的低倍组织图；

图9为对比例1提供的TC1钛合金棒材的高倍组织图；

图10为对比例1提供的TC1钛合金棒材的低倍组织图；

图11为对比例2提供的TC1钛合金棒材的高倍组织图；

图12为对比例2提供的TC1钛合金棒材的低倍组织图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例

本发明提供了一种TC1钛合金棒材的锻造方法，该方法包括以下步骤：

1)开坯锻造：对TC1钛合金铸锭进行1～2火次开坯锻造得到初级锻坯，每火次始锻温度均为β相变点以上150℃～250℃，终锻温度均为β相变点以下20℃～80℃，每火次锻造完成2～3个镦拔，累计总锻比不小于8，使物料铸态晶粒得到充分破碎；

2)中间锻造：对所述初级锻坯进行中间锻造，空冷后得到中间锻坯，所述中间锻造采用连续回炉方式进行2～4火次的反复镦拔，每火次始锻温度均为β相变点以上30℃～80℃，终锻温度均为β相变点以下50℃～100℃，每火次锻比控制在3.5～8之间；采用连续回炉的方式可快速补温，缩短锻造周期；终锻温度均为相变点以下50℃～100℃，以保证最终成品棒坯性能均匀性；

3)成形锻造：对所述中间锻坯进行成形锻造得到棒坯，所述成形锻造采用对角拔长的变形方式，共2～3火次；每次成形锻造的始锻温度均为β相变点以下50℃～100℃，终锻温度均为β相变点以下100℃～200℃，累计总锻比控制在4～8之间；其中，成形锻造工艺中，先将正方坯料在平型砧下采用对角拔长方式进行反复锻造，然后将坯料在加热温度下拔长为成品棒坯。

进一步，所述步骤1)中初级锻坯的截面呈正方形，边长为460mm～480mm。

进一步，所述步骤1)中开坯锻造具体为：

采用快锻机对规格为Φ400mm～Φ450mm的TC1钛合金铸锭进行开坯锻造。

进一步，所述步骤2)中中间锻坯的截面呈正方形，边长为380mm～460mm。

进一步，所述步骤1)、2)分别采用4500吨的快锻机进行对应的开坯锻造、中间锻造。

进一步，所述步骤3)中棒坯直径为150mm～300mm。

进一步，所述步骤3)采用1600吨的快锻机进行成形锻造。

进一步，所述步骤3)的成型锻造工艺中，先将步骤2)中的正方坯料在平型砧下采用对角拔长方式进行反复锻造，然后将坯料在加热温度下拔长为成品棒坯；其中，在将所述正方坯料在平型砧下锻造为小截面正方坯料时，每道次的压下速率为15mm/s～40mm/s，每道次的压下量为20mm～60mm，每道次的送进量为100mm～200mm。

实施例1

本实施例提供了一种TC1钛合金棒材的锻造方法，具体包括以下步骤：

S1、采用4500吨快锻机对规格为Φ420mm的TC1钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后得到第一锻坯，所述开坯锻造采用反复镦粗和拔长的锻造方式，1火次完成，开坯锻造的始锻温度为β相变点以上250℃，开坯锻造的终锻温度为β相变点以下20℃，开坯锻造的累计总锻比为9.5，该步骤加工得到的第一锻坯为正方截面，边长为470mm；

S2、采用4500吨快锻机对步骤一中的第一锻坯进行中间锻造，空冷后得到第二锻坯，所述中间锻造采用连续回炉和反复镦拔的锻造方式，共分两火次完成，中间锻造每火次的始锻温度均为β相变点以上80℃，终锻温度均为β相变点以下50℃，每火次锻比为8，该步骤加工得到的第二锻坯为正方截面，边长为450mm；

S3、采用1600吨快锻机对步骤二中所述第二锻坯进行成形锻造，得到棒坯，所述成形锻造采用对角拔长的锻造方式，共分三火次完成，成形锻造的始锻温度为β相变点以下50℃，成形锻造的终锻温度为β相变点以下100℃，成形锻造的累计锻比为6，该步骤加工得到的第三锻坯为直径为200mm的棒坯。

利用本实施例提供的锻造方法加工而成的TC1钛合金棒材的高、低倍组织如图1-2所示，性能数据参见表1。

实施例2

本实施例提供了一种TC1钛合金棒材的锻造方法，具体包括以下步骤：

S1、采用4500吨快锻机对规格为Φ420mm的TC1钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后得到第一锻坯，所述开坯锻造采用反复镦粗和拔长的锻造方式，1火次完成，开坯锻造的始锻温度为β相变点以上150℃，开坯锻造的终锻温度为β相变点以下80℃，开坯锻造的累计总锻比为8，该步骤加工得到的第一锻坯为正方截面，边长为470mm；

S2、采用4500吨快锻机对步骤一中的第一锻坯进行中间锻造，空冷后得到第二锻坯，所述中间锻造采用连续回炉和反复镦拔的锻造方式，共分两火次完成，中间锻造每火次的始锻温度均为β相变点以上80℃，终锻温度均为β相变点以下50℃，每火次锻比为8，该步骤加工得到的第二锻坯为正方截面，边长为450mm；

S3、采用1600吨快锻机对步骤二中所述第二锻坯进行成形锻造，得到棒坯，所述成形锻造采用对角拔长的锻造方式，共分三火次完成，成形锻造的始锻温度为β相变点以下50℃，成形锻造的终锻温度为β相变点以下100℃，成形锻造的累计锻比为6，该步骤加工得到的第三锻坯为直径为200mm的棒坯。

利用本实施例提供的锻造方法加工而成的TC1钛合金棒材的高低倍组织如图3-4所示，性能数据参见表1。

实施例3

本实施例提供了一种TC1钛合金棒材的锻造方法，具体包括以下步骤：

S1、采用4500吨快锻机对规格为Φ420mm的TC1钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后得到第一锻坯，所述开坯锻造采用反复镦粗和拔长的锻造方式，共分两火次完成，每火次锻造的始锻温度为β相变点以上200℃，终锻温度为β相变点以下40℃，累计总锻坯为10，该步骤加工得到的第一锻坯为正方截面，边长为470mm；

S2、采用4500吨快锻机对步骤一中的第一锻坯进行中间锻造，空冷后得到第二锻坯，所述中间锻造采用连续回炉和反复镦拔的锻造方式，共分三火次完成，中间锻造每火次的始锻温度均为β相变点以上50℃，终锻温度均为β相变点以下70℃，每火次锻比为5，该步骤加工得到的第二锻坯为正方截面，边长为450mm；

S3、采用1600吨快锻机对步骤二中所述第二锻坯进行成形锻造，得到棒坯，所述成形锻造采用对角拔长的锻造方式，共分三火次完成，成形锻造的始锻温度为β相变点以下50℃，成形锻造的终锻温度为β相变点以下100℃，成形锻造的累计锻比为6，该步骤加工得到的第三锻坯为直径为200mm的棒坯。

利用本实施例提供的锻造方法加工而成的TC1钛合金棒材的高低倍组织如图5-6所示，性能数据参见表1。

实施例4

本实施例提供了一种TC1钛合金棒材的锻造方法，具体包括以下步骤：

S1、采用4500吨快锻机对规格为Φ420mm的TC1钛合金铸锭进行开坯锻造，空冷后得到第一锻坯，所述开坯锻造采用反复镦粗和拔长的锻造方式，共分两火次完成，每火次锻造的始锻温度为β相变点以上200℃，终锻温度为β相变点以下40℃，累计总锻坯为10，该步骤加工得到的第一锻坯为正方截面，边长为470mm；

S2、采用4500吨快锻机对步骤一中的第一锻坯进行中间锻造，空冷后得到第二锻坯，所述中间锻造采用连续回炉和反复镦拔的锻造方式，共分三火次完成，中间锻造每火次的始锻温度均为β相变点以上50℃，终锻温度均为β相变点以下70℃，每火次锻比为5，该步骤加工得到的第二锻坯为正方截面，边长为380mm；

S3、采用1600吨快锻机对步骤二中所述第二锻坯进行成形锻造，得到棒坯，所述成形锻造采用对角拔长的锻造方式，共分三火次完成，成形锻造的始锻温度为β相变点以下70℃，成形锻造的终锻温度为β相变点以下150℃，成形锻造的累计锻比为8，该步骤加工得到的第三锻坯为直径为150mm的棒坯。

利用本实施例提供的锻造方法加工而成的TC1钛合金棒材的高低倍组织如图7-8所示，性能数据参见表1。

对比例1

本对比例采用传统的β相变点以下的成形锻造工艺。本对比例TC1钛合金棒材的加工方法与实施例1的不同之处在于，步骤三中每火次采用V型砧锻造，未采用对角拔长锻造方式。

经本对比例加工而成的TC1钛合金棒材的高低倍组织如图9-10所示，性能测试数据见表1。

对比例2

本对比例采用传统的β相变点以上的中间坯锻造工艺。本对比例TC1钛合金棒材的加工方法与实施例4的不同之处仅在于，步骤二中的多火次未采用连续回炉方式锻造。

经本对比例加工而成的TC1钛合金棒材的高低倍组织如图11-12所示，性能测试数据见表1。

表1 TC1钛合金棒材的性能测试数据

由表1可知，与对比例1和对比例2的传统工艺相比，采用本发明提供的锻造方法锻造的TC1钛合金棒材，其整体性能得到明显改善，平均抗拉强度提高32.75MPa，平均屈服强度提高29.75MPa，延伸率和端面收缩率差异不大。

由图1～图12可知，与对比例1和对比例2的传统工艺相比，采用本发明锻造的TC1钛合金棒材低倍组织均匀模糊，高倍组织均匀细小，初生α相呈等轴或短棒状，组织均匀性明显改善。

以上仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (3)

1.一种TC1钛合金棒材的锻造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）开坯锻造：对TC1钛合金铸锭进行1~2火次开坯锻造得到初级锻坯，每火次始锻温度均为β相变点以上150℃～250℃，终锻温度均为β相变点以下20℃～80℃，每火次锻造完成2～3个镦拔，累计总锻比不小于8；

2）中间锻造：对所述初级锻坯进行中间锻造，空冷后得到中间锻坯，所述中间锻造采用连续回炉方式进行2～4火次的反复镦拔，每火次始锻温度均为β相变点以上30℃~80℃，终锻温度均为β相变点以下50℃～100℃，每火次锻比控制在3.5～8之间；

3）成形锻造：对所述中间锻坯进行成形锻造得到棒坯，所述成形锻造采用对角拔长的变形方式，共2～3火次；每次成形锻造的始锻温度均为β相变点以下50℃～100℃，终锻温度均为β相变点以下100℃～200℃，累计总锻比控制在4~8之间；其中，成形锻造工艺中，先将中间锻坯在平型砧下采用对角拔长方式进行反复锻造，然后将坯料在加热温度下拔长为成品棒坯；

所述步骤1）中初级锻坯的截面呈正方形，边长为460mm~480mm；所述步骤1）中开坯锻造具体为：采用快锻机对规格为Φ400mm~Φ450mm的TC1钛合金铸锭进行开坯锻造；

所述步骤2）中中间锻坯的截面呈正方形，边长为380mm~460mm；

所述步骤3）中棒坯直径为150mm~300mm，所述步骤3）中将所述中间锻坯在平型砧下锻造为小截面正方坯料时，每道次的压下速率为15mm/s~40mm/s，每道次的压下量为20mm~60mm，每道次的送进量为100mm~200mm。

2.根据权利要求1所述的TC1钛合金棒材的锻造方法，其特征在于，所述步骤1）、2）分别采用4500吨的快锻机进行对应的开坯锻造、中间锻造。

3.根据权利要求1所述的TC1钛合金棒材的锻造方法，其特征在于，所述步骤3）采用1600吨的快锻机进行成形锻造。

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