CN113118349A

CN113118349A - 一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法

Info

Publication number: CN113118349A
Application number: CN201911395986.6A
Authority: CN
Inventors: 雷锦文; 任勇; 薛祥义; 杨楠; 巨彪; 王晓亮; 张晓园; 李少强; 王凯旋
Original assignee: Northwestern Polytechnical University; Western Superconducting Technologies Co Ltd
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Western Superconducting Technologies Co Ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN113118349B

Abstract

本发明公开了一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，包括开坯锻造、多倍尺锻造、单倍尺锻造、成品锻造，制备的饼坯厚度范围为180mm～300mm，其探伤要求如下：厚度＞200mm厚的饼坯的探伤要求为Φ0.8～9dB以上，对于厚度≤200mm的饼坯的探伤要求为Φ0.8～12dB以上，均为目前国内该规格饼坯的最好水平，经模锻后的锻件均满足相应的探伤要求，其力学性能和组织满足AMS4975的要求，超声波探伤稳定性好；另外还能够减少由于棒坯的机加以及棒坯的改锻造成的材料浪费。

Description

一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法

技术领域

本发明属于有色金属加工工艺技术领域，具体涉及一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法。

背景技术

Ti～6Al～2Sn～4Zr～2Mo(以下简称Ti6242)合金是一种高蠕变抗力的近α型合金，使用温度在470～550℃，主要应用于航空发动机高压压气机盘和叶片。整体叶盘结构是西方发达国家上世纪80年代提出的一种新型整体化结构，目前已广泛用于军、民用先进航空发动机中。EJ200是第一种采用整体叶盘的航空发动机，其3级低压压气机全部采用了钛合金整体叶盘，5 级高压压气机中的3级采用了高温合金整体叶盘。其中，Ti6242合金的整体叶盘在Trent XWB、GEnx、PW6000等商用航空发动机压气机盘上均已得到成熟应用。整体叶盘类锻件采用Ti6242钛合金大规格棒材整体锻造加工而成，其需要经历棒坯→饼坯→锻件的制备过程，在国外通常由一家生产厂商完成，其可以大量减少从棒坯到锻件的材料浪费。目前，国外大尺寸Ti6242 钛合金大规格棒材及整体叶盘锻件已有成熟的制备技术，并具备批量生产的能力。

在国内，随着我国航空技术的进步，尤其是“大型飞机”及其配套动力装置研制计划的实施，大尺寸钛合金锻件先进生产技术的应用需求越来越迫切。由于大客发动机整体叶盘相对于军用发动机而言，尺寸更大、精度更高，生产发动机高压压气机整体叶盘所需的Ti6242钛合金棒材的最大尺寸已达到Ф350mm。对于Ф350mm规格的Ti6242钛合金棒材，国内无论是熔炼还是锻造，已形成小批量生产能力；但Ф350mm直径棒坯并不能直接用于锻件的生产，通常锻件厂为了确保锻件的探伤满足要求，要对棒坯进行多火次的改锻制备为饼坯，再模锻为最终的锻件。其中，从棒坯的机加以及棒坯的改锻，会造成大量的材料浪费。同时，由于模锻的稳定性较好，而不同锻件厂对棒坯的改锻水平及改锻火次有所差异，因此，造成最终锻件的质量稳定性较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，解决了现有技术制备的大厚度饼坯超声波探伤稳定性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，制备的饼坯厚度为180mm～300mm，超声波探伤不低于Φ0.8～9dB，具体按照以下步骤实施：

步骤1、开坯锻造

选择4～5吨级、规格为Φ680mm～700mm化学成分符合要求的Ti6242 钛合金铸锭，加热保温，进行1火次锻造，得到料坯；

步骤2、多倍尺锻造

将料坯加热保温，进行9火次锻造，得到棒坯；

步骤3、单倍尺锻造

对棒坯进行单倍体锯切，得到长度为315mm～480mm的棒坯，对315mm ～480mm的棒坯进行4～6火次锻造，得到中间坯；

步骤4、成品锻造

对中间坯加热保温，进行1火次锻造，镦粗整形得到厚度为190mm ～310mm的锻坯，锻坯经车床扒皮成厚度为180mm～300mm的Ti6242钛合金饼坯。

本发明的特点还在于：

步骤1具体过程为：选择4～5吨级、规格为Φ680mm～700mm化学成分符合AMS4975要求的Ti6242钛合金铸锭，将该铸锭加热至变相点以上 150℃～200℃，保温5h～7h，进行1火次锻造，终锻温度不低于900℃，锻后将坯料在空气中冷却，得到料坯。

步骤1中1火次锻造具体过程为：将该铸锭加热保温后进行1镦1拔，锻比控制控制在1.5～1.8之间。

步骤2具体过程为：将料坯在相变点以上100℃至相变点以下40℃加热保温，分进行9火次锻造，其中1～8火次锻造为2镦2拔，锻比控制控制在 1.3～1.7之间，直拔时形变量为40％～50％，终锻温度不低于800℃，每次锻造完成后将坯料在空气中冷却。

步骤2中9火次锻造具体为：第1火次加热温度为相变点以上70℃～100℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第2火次加热温度为相变点以上30℃～50℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第3、4火次加热温度均为相变点以下10℃～30℃，保温时间均为360min ～540min后，每次保温后均进行2镦2拔；第5火次加热温度为相变点以上 40℃～60℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第6～8火次加热温度均为相变点以下10℃～30℃，保温时间均为360min～540min后，每次保温后均进行2镦2拔；第9火次加热温度为相变点以下20℃～40℃，保温360min～480min后直接进行拔长。

步骤3、4～6火次锻造具体为：每次锻造加热温度为相变点以下50℃，每次保温时间210min～450min，每次保温后进行2镦2拔，每次镦拔时的锻比控制在1.3～1.7之间，终锻温度不低于800℃，每次锻造完成后将坯料在空气中冷却。

步骤4中1火次锻造具体过程为：将中间坯加热至相变点以下40℃～60℃，保温时间210min～450min后，进行直接镦粗整形至厚度为190mm ～310mm，锻比控制在1.5～2.0之间，终锻温度不低于800℃。

本发明的有益效果是：

本发明就是提供一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，制备的饼坯厚度范围为180mm～300mm，其探伤要求如下：厚度＞200mm厚的饼坯的探伤要求为Φ0.8～9dB以上，对于厚度≤200mm的饼坯的探伤要求为Φ0.8 ～12dB以上，均为目前国内该规格饼坯的最好水平，经模锻后的锻件均满足相应的探伤要求，其力学性能和组织满足AMS4975的要求，超声波探伤稳定性好；另外还能够减少由于棒坯的机加以及棒坯的改锻造成的材料浪费；还具有低倍组织无明显的冶金缺陷，组织均匀，呈模糊晶的优点。

附图说明

图1是实施例1制备的Φ560×180mm饼坯的低倍组织示意图；

图2(a)实施例1中Φ560×180mm饼坯边部锻态的显微组织图；

图2(b)实施例1中Φ560×180mm饼坯R/2处锻态的显微组织图；

图2(c)实施例1中Φ560×180mm饼坯心部锻态的显微组织图；

图3是Φ560×180mm饼坯超声波探伤图；

图4是实施例2制备的Φ600×300mm饼坯的低倍组织示意图

图5(a)是Φ600×300mm饼坯边部锻态的显微组织图；

图5(b)是Φ600×300mm饼坯R/2处锻态的显微组织图；

图5(c)Φ600×300mm饼坯心部锻态的显微组织图；

图6是Φ600×300mm饼坯一个超声波探伤图；

图7是Φ600×300mm饼坯另一个超声波探伤图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，制备的饼坯厚度为 180mm～300mm，超声波探伤不低于Φ0.8～9dB，具体按照以下步骤实施：

步骤1、开坯锻造

选择4～5吨级、规格为Φ680mm～700mm化学成分符合AMS4975要求的Ti6242钛合金铸锭，进行1火次锻造：将该铸锭加热至变相点以上150℃～200℃，保温5h～7h，将该铸锭加热保温后进行1镦1拔，锻比控制控制在 1.5～1.8之间，终锻温度不低于900℃，锻后将坯料在空气中冷却，得到料坯。

步骤2、多倍尺锻造

将料坯在相变点以上100℃至相变点以下40℃加热保温，分进行9火次锻造，其中1～8火次锻造为2镦2拔，锻比控制控制在1.3～1.7之间，直拔时形变量为40％～50％，终锻温度不低于800℃，每次锻造完成后将坯料在空气中冷却，得到棒坯；

9火次锻造具体为：第1火次加热温度为相变点以上70℃～100℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第2火次加热温度为相变点以上 30℃～50℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第3、4火次加热温度均为相变点以下10℃～30℃，保温时间均为360min～540min后，每次保温后均进行2镦2拔；第5火次加热温度为相变点以上40℃～60℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第6～8火次加热温度均为相变点以下10℃～30℃，保温时间均为360min～540min后，每次保温后均进行2镦 2拔；第9火次加热温度为相变点以下20℃～40℃，保温360min～480min 后直接进行拔长。

步骤3、单倍尺锻造

4～6火次锻造具体为：每次锻造加热温度为相变点以下50℃，每次保温时间210min～450min，每次保温后进行2镦2拔，每次镦拔时的锻比控制在 1.3～1.7之间，终锻温度不低于800℃，每次锻造完成后将坯料在空气中冷却。

步骤4、成品锻造

将中间坯加热至相变点以下40℃～60℃，保温时间210min～450min后，进行直接镦粗整形至厚度为190mm～310mm，锻比控制在1.5～2.0之间，终锻温度不低于800℃，得到厚度为190mm～310mm的锻坯，锻坯经车床扒皮成厚度为180mm～300mm的Ti6242钛合金饼坯。

本发明一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法产生超声波探伤稳定性好的原理分析：

钛合金铸锭具有粗大的晶粒，工艺塑性差，但当经过1火开坯锻造后，粗大的铸态组织已得到一定程度的破碎，内部组织得到了改善，提高了工艺塑性。在规定的锻造温度范围内，用适当变形速度使锭坯总变形达到 70％～80％时，钛合金铸锭铸态粗晶可以得到较好的破碎，获得细小，均匀的纤维状组织，其强度与塑性指标得到较大的提高，可进一步获得更好的性能。因此，步骤1中温度的选择和变形量的选择极为重要。

对于α型合金，一般应在β相变点以下加热，在两相区加工，变形量不宜低于50％，力求变形均匀，以求获得均匀、细小的内部组织和良好的综合性能。钛合金的临界变形量为2％～12％，在临界变形量时，钛合金内部晶粒会发生显著的长大，力学性能急剧降低。变形量大于85％时，由于晶粒的取向接近，容易发生聚合再结晶产生晶粒粗大。因此，在步骤2中，应选择合适的变形量，使得其既能得到细小的两相区组织，又可以避免在临界变形量之外。

步骤3是将步骤2锻造后的料坯进行改锻，使其的组织均匀性和细化程度进一步得到提升，为最终成品火次前得到组织细小均匀的两相区组织奠定基础。

步骤4的温度选择非常关键，如果温度过高，则会使得细小的组织进一步长大，破坏前3步骤得到的组织。而变形量选择也尤为重要，当在温度较低的情况下，采用大变形量，会使得最终饼坯的表面产生裂纹，影响最终饼坯的形状。

选用相变点为1010℃的钛合金进行以下实施例：

实施例1

一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，选择4.5吨级、规格为Φ 680mm化学成分符合AMS4975要求的Ti6242钛合金铸锭，进行1火次锻造：加热温度为1160℃，保温5h后，进行1镦1拔，锻比控制在1.5，锻后的规格为550×550×L，终锻温度控制在900℃，锻后物料采用空冷的方式进行冷却。

多倍尺锻造共分9火完成。第1火的加热温度为1080℃，保温260min 后进行2镦2拔；第2火的加热温度为1040℃，保温260min后进行2镦2 拔；第3～4火加热温度为980℃，保温6h后进行2镦2拔；第5火加热温度为1050℃，保温260min后进行2镦2拔；第6～8火加热温度为980℃，保温6h后进行2镦2拔；第1～8火锻后的规格均为550×550×L，以上每火次的锻比控制在1.5，终锻温度控制在800℃以上。每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。第9火的加热温度为970℃，保温6h后直接进行拔长；第9火锻后的规格均为Φ450×L，该火次的变形量为47％，终锻温度控制在 800℃以上，锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。

完成9火次后进行单倍尺锯切，棒坯长度L＝315mm，单倍尺锻造共分4 火完成。第1～4火加热温度为960℃，保温210min后进行2镦2拔；第1～4 火锻后的规格均为Φ450×(315)，以上每火次的锻比控制在1.5，终锻温度控制在800℃以上。每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。

成品锻造：成品锻造分1火完成。第1火的加热温度为960℃，保温 210min后进行直接镦粗整形至Φ580±5mm×190±5mm。以上火次的变锻比为 1.60，终锻温度控制在800℃以上。成品锻造火次结束后采用空冷的方式进行冷却。

锻坯经过车床扒皮后成为Φ560mm×180mm的饼坯。

实施例2

一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，选择4.5吨级、规格为Φ 690mm化学成分符合AMS4975要求的Ti6242钛合金铸锭，进行1火次锻造：加热温度为1170℃，保温360min后，进行1镦1拔，锻比控制在1.6，锻后的规格为550×550×L，终锻温度控制在900℃以上，锻后物料采用空冷的方式进行冷却。

多倍尺锻造共分9火完成。第1火的加热温度为1100℃，保温320min 后进行2镦2拔；第2火的加热温度为1050℃，保温320min后进行2镦2 拔；第3～4火加热温度为980℃，保温420min后进行2镦2拔；第5火加热温度为1060℃，保温320min后进行2镦2拔；第6～8火加热温度为980℃，保温420min后进行2镦2拔；第1～8火锻后的规格均为550×550×L，以上每火次的锻比控制在1.6，终锻温度控制在800℃以上。每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。第9火的加热温度为970℃，保温420min后直接进行拔长；第9火锻后的规格均为Φ480×L，该火次的变形量为47％，终锻温度控制在800℃以上，锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。

完成9火次后进行单倍尺锯切，棒坯长度L＝420mm。单倍尺锻造共分5 火完成。第1～5火加热温度为960℃，保温270min后进行2镦2拔；第1～4 火锻后的规格均为Φ480×(420)，以上每火次的锻比控制为1.5，终锻温度控制在800℃以上。每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。

成品锻造分1火完成。第1火的加热温度为960℃，保温270min后进行直接镦粗整形至Φ598±1mm×270mm。以上火次的变锻比为1.6，终锻温度控制在800℃以上。成品锻造火次结束后采用空冷的方式进行冷却。

锻坯经过车床扒皮后成为Φ590mm×255mm的饼坯。

实施例3

一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，选择4.5吨级、规格为Φ700mm化学成分符合AMS4975要求的Ti6242钛合金铸锭，进行1火次锻造：加热温度为1210℃，保温420min后，进行1镦1拔，锻比控制在1.7，锻后的规格为600×600×L，终锻温度控制在900℃以上，锻后物料采用空冷的方式进行冷却。

多倍尺锻造：多倍尺锻造共分9火完成。第1火的加热温度为1110℃，保温420min后进行2镦2拔；第2火的加热温度为1060℃，保温420min 后进行2镦2拔；第3～4火加热温度为1000℃，保温540min后进行2镦2 拔；第5火加热温度为1060℃，保温420min后进行2镦2拔；第6～8火加热温度为990℃，保温540min后进行2镦2拔；第1～8火锻后的规格均为 600×600×L，以上每火次的锻比控制在1.7，终锻温度控制在800℃以上。每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。第9火的加热温度为980℃，保温480min后直接进行拔长；第9火锻后的规格均为Φ500×L，该火次的变形量为45％，终锻温度控制在800℃以上，锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。完成9火次后进行单倍尺锯切，棒坯长度L＝480mm。

单倍尺锻造共分6火完成。第1～6火加热温度为960℃，保温450min 后进行2镦2拔；第1～6火锻后的规格均为Φ500×(480)，以上每火次的锻比控制在1.5左右，终锻温度控制在800℃以上。每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。

成品锻造分1火完成。第1火的加热温度为970℃，保温450min后进行直接镦粗整形至Φ620±10mm×310mm。以上火次的变锻比为1.60，终锻温度控制在800℃以上。成品锻造火次结束后采用空冷的方式进行冷却。

锻坯经过车床扒皮后成为Φ600±2mm×300mm的饼坯。

针对上述实施例1和实施例3进行以下数据分析：

一、力学性能

实施例1Φ560mm×180mm的饼坯经990℃/1h，风冷+593℃/8h，空冷后的力学性能如表1所示：

表1

实施例2Φ600mm×300mm的饼坯经990℃/1h，风冷+593℃/8h，空冷后的力学性能如表2所示：

根据表1和表2中的数据可知，在制备的饼坯中心截取20mm厚试样经 990℃/1h，风冷+593℃/8h，空冷热处理后得到的强度满足AMS4975的要求，且有一定的富余量。

二、显微组织分析

实施例1Φ560mm×180mm的饼坯和实施例2Φ600mm×300mm的饼坯进行显微组织观察，

根据图1和图4可知，实施例1和实施例2饼坯的低倍组织未见裂纹、夹杂、偏析、缩孔、气孔及其他冶金缺陷，未见明显的肉眼可见的清晰晶粒，均为均匀的模糊晶，满足AMS4975的要求。

根据图2和图5可知，实施例1和实施例2饼坯的高倍组织显微组织为α～β相区加工的组织，在转变β基体上为等轴和拉长的初生α，原始β晶界上无连续的α网，满足AMS4975的要求。

根据图3可知，实施例1饼坯的超声波探伤结果均匀一致，达到了Φ0.8 ～12dB以上的要求。根据图6可知，实施例2饼坯的超声波探伤结果均匀一致，达到了Φ0.8～9dB以上的要求。

通过上述方式，本一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，制备的厚度为180mm～300mm的Ti6242钛合金饼坯低倍组织无明显的冶金缺陷，组织均匀，呈模糊晶；不同位置的锻态组织为均匀的等轴组织，经990℃/1h，风冷+593℃/8h，空冷处理后的组织为双态组织，满足标准要求；在不同位置进行室温性能检测，同样满足标准要求；180mm厚饼坯的超声波探伤达到Φ0.8～12dB以上，300mm厚饼坯的超声波探伤达到Φ0.8～9dB以上，均为目前国内该规格饼坯的最好水平，经模锻后的锻件均满足相应的探伤要求。因此，通过铸锭直接制备饼坯不但可以减少饼坯在制备过程中的材料损失，而且有利于提升饼坯制备的稳定性。

Claims

1.一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，其特征在于，制备的饼坯厚度为180mm～300mm，超声波探伤不低于Φ0.8～9dB，具体按照以下步骤实施：

步骤1、开坯锻造

选择4～5吨级、规格为Φ680mm～700mm化学成分符合要求的Ti6242钛合金铸锭，加热保温，进行1火次锻造，得到料坯；

步骤2、多倍尺锻造

将料坯加热保温，进行9火次锻造，得到棒坯；

步骤3、单倍尺锻造

对棒坯进行单倍体锯切，得到长度为315mm～480mm的棒坯，对315mm～480mm的棒坯进行4～6火次锻造，得到中间坯；

步骤4、成品锻造

对中间坯加热保温，进行1火次锻造，镦粗整形得到厚度为190mm～310mm的锻坯，锻坯经车床扒皮成厚度为180mm～300mm的Ti6242钛合金饼坯。

2.根据权利要求1所述一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，其特征在于，步骤1具体过程为：选择4～5吨级、规格为Φ680mm～700mm化学成分符合AMS4975要求的Ti6242钛合金铸锭，将该铸锭加热至变相点以上150℃～200℃，保温5h～7h，进行1火次锻造，终锻温度不低于900℃，锻后将坯料在空气中冷却，得到料坯。

3.根据权利要求1或2所述一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，其特征在于，步骤1中所述1火次锻造具体过程为：将该铸锭加热保温后进行1镦1拔，锻比控制控制在1.5～1.8之间。

4.根据权利要求1所述一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，其特征在于，步骤2具体过程为：将料坯在相变点以上100℃至相变点以下40℃加热保温，分进行9火次锻造，其中1～8火次锻造为2镦2拔，锻比控制控制在1.3～1.7之间，直拔时形变量为40％～50％，终锻温度不低于800℃，每次锻造完成后将坯料在空气中冷却，得到棒坯。

5.根据权利要求1或4所述一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，其特征在于，步骤2中所述9火次锻造具体为：第1火次加热温度为相变点以上70℃～100℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第2火次加热温度为相变点以上30℃～50℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第3、4火次加热温度均为相变点以下10℃～30℃，保温时间均为360min～540min后，每次保温后均进行2镦2拔；第5火次加热温度为相变点以上40℃～60℃，保温时间260min～420min后，进行2镦2拔；第6～8火次加热温度均为相变点以下10℃～30℃，保温时间均为360min～540min后，每次保温后均进行2镦2拔；第9火次加热温度为相变点以下20℃～40℃，保温360min～480min后直接进行拔长。

6.根据权利要求1所述一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，其特征在于，步骤3所述4～6火次锻造具体为：每次锻造加热温度为相变点以下50℃，每次保温时间210min～450min，每次保温后进行2镦2拔，每次镦拔时的锻比控制在1.3～1.7之间，终锻温度不低于800℃，每次锻造完成后将坯料在空气中冷却。

7.根据权利要求1所述一种Ti6242钛合金大厚度饼坯的制备方法，其特征在于，步骤4所述1火次锻造具体过程为：将中间坯加热至相变点以下40℃～60℃，保温时间210min～450min后，进行直接镦粗整形至厚度为190mm～310mm，锻比控制在1.5～2.0之间，终锻温度不低于800℃。