CN112974700B - 一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法 - Google Patents

Abstract

一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法，成形过程包括β/(α+β)相区多段式热处理、(α+β)相区拔长预变形和(α+β)相区低速等温锻造工序，充分利用近β型钛合金高温变形过程因片层α、基体β相交互作用诱发产生的层级结构实现粗大β晶粒的细化；以大塑性变形驱动的强烈晶体旋转加速α片层组织形态转变、弱化基体取向集中程度获得弱织构组织，最终实现近β钛合金薄壁结构件整体性能的跃升。本发明能够有效实现微观组织调控的近β型钛合金薄壁结构件成形方法，并具有工艺流程简短、设备要求低、工艺稳定性好、成形效率及材料利用率高的特点，能够实现量产化生产。

Description

一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法

技术领域

本发明属于塑性成形制造技术领域，特别涉及一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法。

背景技术

钛合金因其轻量、高强高韧的特性在航空航天、医疗化工、舰船兵器等领域的应用需求日益广泛，其中，以近β型钛合金薄壁件为典型代表的一类结构件在提升飞行器装备运载能力、实现整体效能跃升等方面具有不可比拟的作用。

对于此类高性能薄壁构件的成形，关键在于对其宏观成形质量、微观组织性能和整体制造成本的协调控制。近β型钛合金初始β晶粒粗大，一般需通过不同工艺参数下多火次的β单相区和(α+β)两相区热变形并辅以热处理来达到细化β晶粒、调控α相形态的目的。然而，β晶粒的静态粗化和动态细化同时存在于β单相区热变形过程中，热变形后的组织细化效果并不理想。两相区热变形主要发生α相的晶格旋转和形态转化，β基体晶体取向稳定，难以破碎细化。此外，相变过程无析出区的产生、两相晶体结构差异、α相组织演变的多因素敏感性和加载条件相关性所导致的非均质变形现象显著。受限于此，在实现此类薄壁构件成形制造的同时获得理想的细晶化组织是十分困难的，而这种基于多目标的薄壁构件形性一体化热力制造是破除其深入应用发展桎梏之关键。

在现有钛及钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法中，中国专利(专利号：201110023157)公开了一种细晶钛合金的复合制备方法，其制作方法是将材料粉末经冷等静压、真空烧结后，进行β单相区高温等温锻造和(α+β)两相区低温等温锻造，最后通过热处理获得细晶化的钛合金。该方法涉及多种工艺过程累加，多火次加载增加了制造周期和成本，对模具和生产条件等要求较高，成形效率低且材料利用率不足。此外，中国专利(专利号：201611043934)公开了一种钛质药型罩的热模锻造成形方法，其工艺路径主要包括通过预锻、终锻、热处理等工序。该方法要求坯料的初始组织晶粒相对细小，且在普通氛围中进行热模锻成形易导致构件表面出现严重的氧化层，温降的存在易加剧构件各部分微观组织和力学性能的不均匀性。等温锻造能够有效消除冷模效应、大幅降低变形抗力，提高成形过程金属流动性，最大程度地减小了锻件加工余量，甚至达到近净成形，因此，等温锻造经有针对性地开发是制备钛合金薄壁结构件的一种行之有效的方法。

但通过等温锻造成形方法来制备出理想的近β型钛合金薄壁结构件，还存在以下关键问题：薄壁结构件在形状结构上具有壁厚薄的特性，需经历较大的变形量，成形稳定性不易控制；近β型钛合金热加载过程中易出现晶粒过度长大的现象，微观组织调控难。因此，为在稳定成形的同时获得细晶化的近β型钛合金薄壁结构件，需结合近β钛合金的材料特点及结构件几何结构特征对等温锻造成形技术进行合理开发及应用。

发明内容

为克服现有技术中存在的成形稳定性不易控制、微观组织调控难的不足,本发明提出了一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，β/(α+β)相区多段式热处理：

采用β型钛合金棒材，相变温度为805～850℃。将该β型钛合金棒材放入真空热处理炉中进行多段式热处理以获得片层组织，热处理制度为：将所述β型钛合金棒材加热到β相变点以上40～60℃保温30～50min；保温结束后以1℃/min的冷却速度对棒材进行炉冷至650～750℃，并继续保温30～50min；保温结束后对棒材进行炉冷至室温。得到经过多段式热处理的β型钛合金棒材。

所述经过多段式热处理的β型钛合金棒材的微观组织中β平均晶粒尺寸为213～230μm，晶界α平均尺寸为2～2.5μm，β晶粒内部α片层平均厚度为0.8～1μm。

步骤2，(α+β)相区拔长预变形：

所述(α+β)相区拔长预变形是在锻造压机上经过2火次旋转锻造实现。每火次变形量均为10～15％。每火次拔长变形中锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

将所述经过多段式热处理的β型钛合金棒材放入箱式电阻炉加热到760～825℃保温60～90min。

保温结束后进行第1火次拔长变形。

将经过第1火次拔长变形的棒材进行回炉加热保温处理，回炉加热温度为回炉加热温度为780～820℃，保温时间为60～90min。

保温结束后进行第2火次拔长变形。

第2火次拔长变形结束后，得到轴向拔长预变形的β型钛合金棒材。

步骤3，制备坯料：

在得到的轴向拔长预变形的β型钛合金棒材上切取坯料。所述坯料为柱状；该坯料的高径比为1.3。

步骤4，(α+β)相区低速等温锻造成形：

将得到的坯料放入箱式电阻炉中加热到760～820℃保温50min。将模具安装在液压机上，通过液压机加热系统对模具进行加热。将完成保温的坯料转移至下模的型腔底部；转移时间≤10s。启动液压机，使上模以0.5～3mm/s的速度下行对该坯料进行锻压，当坯料变形量达到80％时，上模停止运动，等温锻造成形过程结束，完成近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形。

所述模具包括上模和下模；升温前对与坯料接触的上模表面与下模表面分别均匀涂覆玻璃润滑剂，并对所述上模和下模进行对中校准。

本发明的成形过程中包括β/(α+β)相区多段式热处理、(α+β)相区拔长预变形和(α+β)相区低速等温锻造工序，能够有效实现微观组织调控的近β型钛合金薄壁结构件成形方法，并具有工艺流程简短、设备要求低、工艺稳定性好、成形效率及材料利用率高的特点。

本发明中所述的近β型钛合金材料包括TB6、Ti-55531及Ti-7333亚稳态β钛合金。

本发明通过改变加热温度和保温时间来调控初始β晶粒的尺寸；通过调整冷却速度来获得不同厚度、轴比等结构参量的α片层，依据近β型钛合金结构件的形状结构特点和目标组织要求，设计合理的β/(α+β)相区多段式热处理制度。

步骤2中的拔长中，每火次变形量为10％～15％，预处理变形能够调整片层α的几何/晶体取向使之朝有利于球化的软取向发展，在片层内部累积形成一定数量的亚结构，加速后续热变形过程中片层α的组织形态转化效率，且在一定程度上避免因多尺度缺陷导致的变形失稳现象。

步骤4中等温锻造成形的变形量为80％，在预变形累积的大量亚结构的基础上通过大塑性变形加速片层α的球化，同时使β基体取向混乱化、促进β层级结构的形成。在所述等温锻造成形的过程中，控制上模下行速度≤3mm/s；低速变形能够有效避免坯料失稳，且为α片层的球化、β层级结构的形成提供充分的时间，根据构件壁厚、初始组织特征结构参量确定合理的加工窗口。

与现有技术相比，本发明取得的优点和实现的有益效果为：

本发明充分利用近β型钛合金高温变形过程因片层α、基体β相交互作用诱发产生的层级结构实现粗大β晶粒的细化；以大塑性变形驱动的强烈晶体旋转加速α片层组织形态转变、弱化基体取向集中程度获得弱织构组织，最终实现近β钛合金薄壁结构件整体性能的跃升。

本发明产生的有益效果是：轴向拔长预变形调整了片层α的几何及晶体学取向，使之朝向利于变形的方向发展，且预变形过程累积的内部α/α亚结构在低速等温锻造成形过程中能够通过吸收位错进一步发展成为大角度晶界从而加速片层α球化和β晶粒的细化；(α+β)相区等温低速锻造成形的温度在β相变点以下25～50℃，该温度范围β钛合金塑性变形能力较强，低速等温锻造利于其稳定成形，且变形前的保温过程促进β相发生部分再结晶，避免发生粗化；通过拔长预变形结合(α+β)两相区等温低速锻造成形实现构件的高效制造。其中，材料初始组织尺寸粗大，β晶粒尺寸＞200μm，如图3、图5和图7所示；构件成形后的微观组织晶粒细小、分布均匀，片层α实现了充分的等轴化，α相晶粒尺寸＜5μm，如图4、图6和图8所示。该工艺过程有效缩短了钛合金薄壁结构件的研制周期，使此类构件的成形制造突破了成形设备和制造成本的限制，使之量产化成为可能。

附图说明

图1为本发明的成形工艺流程图；

图2为本发明实施例一中所用TB6钛合金棒材的初始片层组织；

图3为本发明实施例一、实施例二和实施例三中钛合金薄壁结构件锻件图；

图4为本发明实施例一中成形锻件的微观组织图；

图5为本发明实施例二中所用Ti-55531钛合金棒材的初始片层组织；

图6为本发明实施例二中成形锻件的微观组织图；

图7为本发明实施例三中所用Ti-7333钛合金棒材的初始片层组织；

图8为本发明实施例三中成形锻件的微观组织图；

图9为本发明的流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例是一种实现壁厚小于0.8mm的TB6近β型钛合金结构件组织细晶化的成形方法，具体过程是：

步骤1，β/(α+β)相区多段式热处理：

采用Φ90mm规格的TB6钛合金棒材，相变温度为805℃。将该TB6钛合金棒材放入真空热处理炉中进行多段式热处理以获得片层组织，热处理制度为：首先将其加热到β相变点以上40℃保温50min；保温结束后以1℃/min的冷却速度对棒材进行炉冷至750℃，在此温度条件下继续保温40min；保温结束后对棒材进行炉冷至室温。

得到经过多段式热处理的TB6钛合金棒材。其微观组织如图2所示，其中β平均晶粒尺寸为213μm，晶界α平均尺寸为2.5μm，β晶粒内部α片层平均厚度为1μm。

步骤2，(α+β)相区拔长预变形：

所述(α+β)相区拔长预变形是在锻造压机上经过2火次旋转锻造实现。每火次变形量均为15％。

所述旋转锻造采用带有上平砧和下平砧的锻造压机。

将所述经过多段式热处理的TB6钛合金棒材放入箱式电阻炉加热到760℃保温60min。

保温结束后，用绝热棉包覆经过保温处理的钛合金棒材，用四爪锻钳夹持住钛合金棒材的一端，在锻造压机上进行第1火次拔长变形。

第1火次变形量为15％，锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

将经过第1火次拔长变形的棒材进行回炉加热保温处理，回炉加热温度为回炉加热温度为780℃，保温时间为60min。

保温结束后，用绝热棉包覆经过保温处理的钛合金棒材，用四爪锻钳夹持住钛合金棒材的一端，在锻造压机上进行第2火次拔长变形。

第2火次变形量为15％，锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

得到轴向拔长预变形的TB6钛合金棒材。

步骤3，制备坯料：

钛合金薄壁结构件的热成形锻件如图3所示，该锻件为弧锥形、薄壁、大口径罩体。根据锻件体积和体积不变原理，计算柱状坯料的直径和高度尺寸，其中坯料高径比为1.3。通过机加工在得到的轴向拔长预变形的钛合金棒材上切取Φ50×65mm的坯料。

步骤4，(α+β)相区低速等温锻造成形：

将经过机加工得到的坯料放入箱式电阻炉中加热到760℃保温50min。将模具安装在液压机上，通过液压机加热系统对模具进行加热，所述模具包括上模和下模。升温前对与坯料接触的上模表面与下模表面分别均匀涂覆TXY-5玻璃润滑剂，并对所述上模和下模进行对中校准。将完成保温的坯料转移至下模的型腔底部；转移时间≤10s。启动液压机，使上模以0.5mm/s的速度下行对该坯料进行锻压，当坯料变形量达到80％时，上模停止运动，等温锻造成形过程结束。得到TB6钛合金薄壁结构件，其微观组织如图4所示，细小等轴α晶粒均匀分布在β基体中，表明锻造后组织细晶化效果好。

所述等温锻造模具采用现有技术，包括上模、导向套、下模和顶出块。所述锻压设备选用200吨的液压机。

实施例二

本实施例是一种实现壁厚小于0.8mm的Ti-55531近β型钛合金结构件组织细晶化的成形方法，具体过程是：

步骤1，β/(α+β)相区多段式热处理：

采用Φ90mm规格的Ti-55531钛合金棒材，相变温度为845℃。将该Ti55531钛合金棒材放入真空热处理炉中进行多段式热处理以获得片层组织，热处理制度为：首先将其加热到β相变点以上60℃保温40min；保温结束后以1℃/min的冷却速度对棒材进行炉冷至650℃，在此温度条件下继续保温50min；保温结束后对棒材进行炉冷至室温。

得到经过多段式热处理的Ti-55531钛合金棒材。其微观组织如图5所示，其中β平均晶粒尺寸为225μm，晶界α平均尺寸为2μm，β晶粒内部α片层厚度为0.8μm。

步骤2，(α+β)相区拔长预变形：

所述(α+β)相区拔长预变形是在锻造压机上经过2火次旋转锻造实现。每火次变形量均为10％。

所述旋转锻造采用带有上平砧和下平砧的锻造压机。

将所述经过多段式热处理的Ti-55531钛合金棒材放入箱式电阻炉加热到810℃保温90min。

保温结束后，用绝热棉包覆经过保温处理的钛合金棒材，用四爪锻钳夹持住钛合金棒材的一端，在锻造压机上进行第1火次拔长变形。

第1火次变形量为15％，锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

将经过第1火次拔长变形的棒材进行回炉加热保温处理，回炉加热温度为回炉加热温度为820℃，保温时间为75min。

保温结束后，用绝热棉包覆经过保温处理的钛合金棒材，用四爪锻钳夹持住钛合金棒材的一端，在锻造压机上进行第2火次拔长变形。

第2火次变形量为10％，锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

得到轴向拔长预变形的Ti-55531钛合金棒材。

步骤3，制备坯料：

根据锻件体积和体积不变原理，计算柱状坯料的直径和高度尺寸，其中坯料高径比为1.3。通过机加工在得到的轴向拔长预变形的Ti-55531钛合金棒材上切取Φ50×65mm的坯料。

步骤4，(α+β)相区低速等温锻造成形：

将经过机加工得到的坯料放入箱式电阻炉中加热到820℃保温50min。将模具安装在液压机上，通过液压机加热系统对模具进行加热，所述模具包括上模和下模。升温前对与坯料接触的上模表面与下模表面分别均匀涂覆TXY-5玻璃润滑剂，并对所述上模和下模进行对中校准。将完成保温的坯料转移至下模的型腔底部；转移时间≤10s。启动液压机，使上模以3mm/s的速度下行对该坯料进行锻压，当坯料变形量达到80％时，上模停止运动，等温锻造成形过程结束。得到Ti-55531钛合金薄壁结构件，其微观组织如图6所示，细小等轴α晶粒均匀分布在β基体中，表面锻造后组织细晶化效果好。

所述等温锻造模具采用现有技术，包括上模、导向套、下模和顶出块。所述锻压设备选用200吨的液压机。

实施例三

本实施例是一种实现壁厚小于0.8mm的Ti-7333亚稳态β型钛合金结构件组织细晶化的成形方法，具体过程是：

步骤1，β/(α+β)相区多段式热处理：

采用Φ90mm规格的Ti-7333钛合金棒材，相变温度为850℃。将该Ti-7333钛合金棒材放入真空热处理炉中进行多段式热处理以获得片层组织，热处理制度为：首先将其加热到β相变点以上50℃保温30min；保温结束后1℃/min的冷却速度对棒材进行炉冷至700℃，在此条件下继续保温30min；保温结束后对棒材进行炉冷至室温。

得到经过多段式热处理的Ti-7333钛合金棒材。其微观组织如图7所示，其中β平均晶粒尺寸为230μm，晶界α平均尺寸为2.1μm，β晶粒内部α片层平均厚度为0.9μm。

步骤2，(α+β)相区拔长预变形：

所述(α+β)相区拔长预变形是在锻造压机上经过2火次旋转锻造实现。每火次变形量均为12％。

所述旋转锻造采用带有上平砧和下平砧的锻造压机。

将所述经过多段式热处理的Ti-7333钛合金棒材放入箱式电阻炉加热到825℃保温75min。

保温结束后，用绝热棉包覆经过保温处理的钛合金棒材，用四爪锻钳夹持住钛合金棒材的一端，在锻造压机上进行第1火次拔长变形。

第1火次变形量为12％，锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

将经过第1火次拔长变形的棒材进行回炉加热保温处理，回炉加热温度为回炉加热温度为810℃，保温时间为90min。

保温结束后，用绝热棉包覆经过保温处理的钛合金棒材，用四爪锻钳夹持住钛合金棒材的一端，在锻造压机上进行第2火次拔长变形。

第2火次变形量为12％，锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

得到轴向拔长预变形的Ti-7333钛合金棒材。

步骤3，制备坯料：

根据锻件体积和体积不变原理，计算柱状坯料的直径和高度尺寸，其中坯料高径比为1.3。通过机加工在得到的轴向拔长预变形的Ti-7333钛合金棒材上切取Φ50×65mm的坯料。

步骤4，(α+β)相区低速等温锻造成形：

将经过机加工得到的坯料放入箱式电阻炉中加热到800℃保温50min。将模具安装在液压机上，通过液压机加热系统对模具进行加热，所述模具包括上模和下模。升温前对与坯料接触的上模表面与下模表面分别均匀涂覆TXY-5玻璃润滑剂，并对所述上模和下模进行对中校准。将完成保温的坯料转移至下模的型腔底部；转移时间≤10s。启动液压机，使上模以1mm/s的速度下行对该坯料进行锻压，当坯料变形量达到80％时，上模停止运动，等温锻造成形过程结束。得到Ti-7333钛合金薄壁结构件，其微观组织如图8所示，细小等轴α晶粒均匀分布在β基体中，表面锻造后组织细晶化效果好。

所述等温锻造模具采用现有技术，包括上模、导向套、下模和顶出块。所述锻压设备选用200吨的液压机。

Claims (5)

1.一种实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，β/(α+β)相区多段式热处理：

采用β型钛合金棒材，相变温度为805～850℃；将该β型钛合金棒材放入真空热处理炉中进行多段式热处理以获得片层组织；

将所述β型钛合金棒材加热到β相变点以上40～60℃保温30～50min；保温结束后以1℃/min的冷却速度对棒材进行炉冷至650～750℃，并继续保温30～50min；保温结束后对棒材进行炉冷至室温；得到经过多段式热处理的β型钛合金棒材；

所述经过多段式热处理的β型钛合金棒材的微观组织中β平均晶粒尺寸为213～230μm，晶界α平均尺寸为2～2.5μm，β晶粒内部α片层平均厚度为0.8～1μm；

步骤2，(α+β)相区拔长预变形：

所述(α+β)相区拔长预变形是在锻造压机上经过2火次旋转锻造实现；

将所述经过多段式热处理的β型钛合金棒材放入箱式电阻炉加热到760～825℃保温60～90min；

保温结束后进行第1火次拔长变形；

将经过第1火次拔长变形的棒材进行回炉加热保温处理，回炉加热温度为780～820℃，保温时间为60～90min；保温结束后进行第2火次拔长变形；

第2火次拔长变形结束后，得到轴向拔长预变形的β型钛合金棒材；

步骤3，制备坯料：

在得到的轴向拔长预变形的β型钛合金棒材上切取坯料；

步骤4，(α+β)相区低速等温锻造成形：

将得到的坯料放入箱式电阻炉中加热到760～820℃保温50min；将模具安装在液压机上并对模具进行加热；将完成保温的坯料转移至下模的型腔底部，使上模以0.5～3mm/s的速度下行对该坯料进行锻压，当坯料变形量达到80％时，上模停止运动，等温锻造成形过程结束，完成近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形。

2.如权利要求1所述实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法，其特征在于，步骤2中所述(α+β)相区拔长预变形是在锻造压机上经过2火次旋转锻造实现；每火次变形量均为10～15％；每火次拔长变形中锻锤打击速度为80mm/s，拔长变形时长为5min。

3.如权利要求1所述实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法，其特征在于，步骤3中所述坯料为柱状；该坯料的高径比为1.3。

4.如权利要求1所述实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法，其特征在于，在步骤4中的(α+β)相区低速等温锻造成形时，在升温前对与坯料接触的上模表面与下模表面分别均匀涂覆玻璃润滑剂，并对所述上模和下模进行对中校准。

5.如权利要求1所述实现近β型钛合金薄壁结构件组织细晶化的成形方法，其特征在于，将坯料转移至下模型腔底部的转移时间≤10s。

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