CN113182476B - 一种高强tc11钛合金锻件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，该方法包括：一、将TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔；二、1～2火次拔长后分切下料；三、在近T_β温度下进行1火次锻造后水冷；四、在(T_β‑50℃)～(T_β‑30℃)温度下进行多火次镦拔得到TC11钛合金锻件。本发明通过β单相区及两相区进行多火次镦拔后获得均匀的等轴组织，然后在近相变点温度T_β下锻造提高了中间坯料的组织均匀性，并获取“少量等轴α+大量相互交错的次生α片层+β转变体”的三态组织结构，结合较低温度下的成型锻造，最大程度保持原始的次生α片层组织形态，从而提高了TC11钛合金锻件的抗拉强度，满足了航空发动机用要求。

Description

一种高强TC11钛合金锻件的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种高强TC11钛合金锻件的制备方法。

背景技术

TC11合金属于马氏体型的α+β型热强钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。它具有比强度高，中温性能好，耐腐蚀性能好，疲劳强度大等优点，且可热处理强化，是制造航空发动机，高压压气机盘以及叶片等的主要材料，也被用于制造飞机上的重要承力部件。GJB2220-94《航空发动机用钛合金饼、环坯规范》中对于TC11的抗拉强度提出明确指标：在锻态饼、环件切取厚度不小于15mm的试样坯进行热处理，热处理后的抗拉强度应满足1060Mpa～1230MPa。随着我国航空事业的发展，对于锻件指标提出了更高的要求，需要锻件经过整体热处理后满足上述指标要求，即无形中放大了坯料的规格。钛合金中，材料的强度往往对规格存在一定的依赖性，尤其是针对后续采用双重热处理工艺的锻件。通常情况下，伴随坯料规格的增大，材料的强度呈现下降趋势。目前，为了提高锻件整体的强度，往往采取热处理后水冷、油冷等快速冷却的方法。现有技术的问题在于：(1)水冷或油冷后的组织表面会产生极细的针状马氏体结构，这种结构虽然能提高坯料表面强度，但是会损害材料的高温力学性能，尤其是持久性能；(2)钛合金的淬透性较差，若采取热处理后快速冷却的方式，仅仅会提升材料的表面强度，且会造成材料内/外组织的不均匀性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高强TC11钛合金锻件的制备方法。该方法通过将TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔后获得均匀的等轴组织，然后升温至近相变点温度T_β下进行1火次锻造，提高了中间坯料的组织均匀性并获取三态组织结构，结合较低温度下的成型锻造，最大程度保持原始的次生α片层组织形态，提高了TC11钛合金锻件的抗拉强度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔，得到初级坯料；

步骤二、将步骤一中得到的初级坯料进行1～2火次拔长后分切下料，得到中间坯料；

步骤三、将步骤二中得到的中间坯料在近T_β温度下进行1火次锻造后，经水冷得到锻造坯料，其中T_β为相变点温度；

步骤四、将步骤三中得到的锻造坯料在(T_β-50℃)～(T_β-30℃)温度下进行多火次镦拔，得到TC11钛合金锻件；所述TC11钛合金锻件经950℃保温2h、空冷后530℃保温6h的热处理后，抗拉强度达1069MPa～1088MPa。

本发明先将TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔，以破碎原始β晶粒并初步获得较为均匀的等轴组织，将得到的初级坯料分切下料，通常至成品单倍尺得到中间坯料，节省后续分切加工工艺；然后将中间坯料升温至近相变点温度T_β下进行1火次锻造，经水冷得到锻造坯料，首先使得中间坯料中全部次生α相以及大部分初生α相αp回溶至β基体内，减少了中间坯料不同位置处αp含量及尺寸、形态以及次生α形态的差异性，提高了中间坯料的组织均匀性，其次使得热变形主要集中在β相中，在热变形锻造过程中，β相内部会形成大量的空位、位错等亚结构，在冷却过程中次生α片层优选在该亚结构中形核，使得锻造坯料获取“少量等轴α+大量相互交错的次生α片层+β转变体”的三态组织结构，相比于等轴状组织，该三态组织结构具有更大的比表面积，即意味着同体积分数α相条件下，该三态组织结构比等轴状组织具有更大的表面积，即更多的晶界数量，从而起到钉扎位错，提高强度的作用，进而获得更高的抗拉强度；再将锻造坯料在较低温度下进行多火次镦拔，即完成小变形量的成型锻造，得到TC11钛合金锻件，有效避免了较高温度下的镦拔导致前期获得的次生α片层组织回溶、破碎三态组织结构而损害抗拉强度，最大程度保持原始的次生α片层组织形态，从而提高了TC11钛合金锻件的抗拉强度，同时，通过控制多火次镦拔温度，避免成型锻造时间过长使得终锻温度降低、损害锻件组织影响其强度。最终，本发明制备的TC11钛合金锻件经950℃保温2h、空冷后530℃保温6h的热处理后，抗拉强度达1069MPa～1088MPa，满足了航空发动机用TC11锻件的要求。

同时，由于本发明的方法通过改善TC11钛合金的锻后组织，有效提高了TC11钛合金锻件的抗拉强度，该TC11钛合金锻件无需分割，而是直接整体进行热处理，保证了双重热处理工艺后的TC11钛合金锻件的高抗拉强度特性，从而扩大了TC11钛合金锻件的规格，同时无需双重热处理后进行快速冷却，避免了对TC11钛合金锻件高温力学性能的损害。

上述的一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中所述β单相区的镦拔温度为(T_β+50℃)～(T_β+150℃)，两相区的镦拔温度为(T_β-50℃)～(T_β-30℃)；所述初级坯料的单重为1500kg～2500kg。

上述的一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔的次数均为3～4火次，且多火次镦拔的过程中均包含1火次单方向大变形，所述1火次单方向大变形的轴向变形量为80％～90％。该优选的多火次镦拔次数使得TC11钛合金铸锭中的原始β晶粒充分破碎，获得较为均匀的等轴组织；优选在多火次镦拔的过程中均采用1火次单方向大变形及较大的轴向变形量，实现大坯料的镦拔锻造，有效保证了TC11钛合金铸锭的锻透性及心部组织的均匀性，为后期分切下料后锻造过程中小规格坯料的组织改善提供基础。

上述的一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤二中所述中间坯料的重量为50kg～80kg。该优选重量的中间坯料尺寸相对较小，其锻造后热处理的淬透性较好，有效提高了TC11钛合金锻件表面及内部组织的均匀性，同时，该优选重量的中间坯料通常为成品单倍尺，节省了后续分割加工工艺，简化了工艺。

上述的一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤三中所述1火次锻造的温度为(T_β-20℃)～(T_β-10℃)。该优选的近T_β温度实现了均匀化处理，得到更为均匀的锻后组织，且在锻造热变形过程中获取较多的β相，有利于获得“少量等轴α+大量相互交错的α片层+β转变体”的三态组织结构。

上述的一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤三中所述1火次锻造为1次镦拔，所述1次镦拔的速率为15mm/s～30mm/s，冷却方式为水冷。本发明优选采用1次镦拔，以避免镦拔终锻温度的下降降低β相的比例、进而减弱锻后冷却效果；该优选的1次镦拔的速率既避免速率过慢导致终端温度下降，且有效避免了速率过快导致坯料心部发生温升至T_β相变点以上出现魏氏组织、进而严重损害锻件的力学性能；优选采用水冷冷却方式以形成相互交错的α片层，从而有效提升TC11钛合金锻件的强度。

上述的一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤四中所述多火次镦拔的次数为1～2火次。该优选的多火次镦拔次数避免了多次镦拔导致获取的次生α片层产生球化，该球化虽然提升了TC11钛合金锻件的塑性，但降低了TC11钛合金锻件的强度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔后获得均匀的等轴组织，然后升温至近相变点温度T_β下进行1火次锻造，提高了中间坯料的组织均匀性并获取“少量等轴α+大量相互交错的次生α片层+β转变体”的三态组织结构，获得了更高的抗拉强度，结合较低温度下的成型锻造，最大程度保持原始的次生α片层组织形态，从而提高了TC11钛合金锻件的抗拉强度。

2、本发明前期将TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔，在保证大规格坯料在后续镦拔过程中锻透性的同时，有效改善了初级坯料的组织均匀性。

3、相对于常规自由锻成型速率慢、耗时长、终锻温度低无法保证合金中具有足够β相的缺点，本发明在中间坯料获取三态组织结构后后续采用降温、少火次、少变形量的火次镦拔工艺，最大程度保持原始的次生α片层组织形态，避免了次生α片层组织回溶、破碎三态组织结构，保证了TC11钛合金锻件的抗拉强度提高。

4、本发明制备的TC11钛合金锻件经热处理后的组织均匀细小，抗拉强度达1069MPa～1088MPa，满足了航空发动机用TC11锻件的要求。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的TC11钛合金锻件端面的高倍组织图。

图2为本发明实施例2制备的TC11钛合金锻件端面的高倍组织图。

图3为本发明实施例3制备的TC11钛合金锻件端面的高倍组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC11钛合金铸锭依次在β单相区(T_β+50℃)～(T_β+150℃)的温度下及两相区(T_β-50℃)～(T_β-30℃)的温度下均分别进行3火次镦拔，且3火次镦拔过程中的第2火次镦拔均为单方向大变形，该1火次单方向大变形的轴向变形量为85％，得到初级坯料；所述初级坯料的单重为1500kg；

步骤二、将步骤一中得到的初级坯料在T_β-30℃的温度下进行1火次拔长后分切下料，得到中间坯料；所述中间坯料的重量为50kg；

步骤三、将步骤二中得到的中间坯料在T_β-20℃的温度下进行1火次锻造后，经水冷得到锻造坯料；所述镦拔速率为20mm/s；

步骤四、将步骤三中得到的锻造坯料在T_β-35℃的温度下进行1火次镦拔，得到尺寸(直径×长度)为290mm×150mm的TC11钛合金锻件。

将本实施例制备的TC11钛合金锻件经950℃保温2h、空冷后530℃保温6h的热处理，然后对其端面的高倍组织进行观察，并对其力学性能进行检测，结果分别如图1和表1所示。

图1为本实施例制备的TC11钛合金锻件端面的高倍组织图，从图1可看出，本实施例制备的TC11钛合金锻件的组织均匀、细小。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC11钛合金铸锭依次在β单相区(T_β+50℃)～(T_β+150℃)的温度下及两相区(T_β-50℃)～(T_β-30℃)的温度下均进行4火次镦拔，且4火次镦拔过程中的第3火次镦拔均为单方向大变形，该一火次单方向大变形的轴向变形量为80％，得到初级坯料；所述初级坯料的单重为2500kg；

步骤二、将步骤一中得到的初级坯料在T_β-30℃的温度下进行2火次拔长后分切下料，得到中间坯料；所述中间坯料的重量为80kg；

步骤三、将步骤二中得到的中间坯料在T_β-10℃的温度下进行1火次锻造后，经水冷得到锻造坯料；所述镦拔速率为15mm/s；

步骤四、将步骤三中得到的锻造坯料在T_β-50℃的温度下进行1火次镦拔，得到尺寸(直径×长度)为400mm×130mm的TC11钛合金锻件。

将本实施例制备的TC11钛合金锻件经950℃保温2h、空冷后530℃保温6h的热处理，然后对其端面的高倍组织进行观察，并对其力学性能进行检测，结果分别如图2和表1所示。

图2为本实施例制备的TC11钛合金锻件端面的高倍组织图，从图2可看出，本实施例制备的TC11钛合金锻件的组织均匀、细小。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC11钛合金铸锭依次在β单相区(T_β+50℃)～(T_β+150℃)的温度下及两相区(T_β-50℃)～(T_β-30℃)的温度下均进行4火次镦拔，且4火次镦拔过程中的第3火次镦拔均为单方向大变形，该一火次单方向大变形的轴向变形量为90％，得到初级坯料；所述初级坯料的单重为2000kg；

步骤二、将步骤一中得到的初级坯料在T_β-30℃的温度下进行1火次拔长后分切下料，得到中间坯料；所述中间坯料的重量为74kg；

步骤三、将步骤二中得到的中间坯料在T_β-10℃的温度下进行1火次锻造后，经水冷冷却得到锻造坯料；所述镦拔速率为30mm/s；

步骤四、将步骤三中得到的锻造坯料在T_β-30℃温度下进行2火次镦拔，得到尺寸(直径×长度)为330mm×170mm的TC11钛合金锻件。

将本实施例制备的TC11钛合金锻件经950℃保温2h、空冷后530℃保温6h的热处理，然后对其端面的高倍组织进行观察，并对其力学性能进行检测，结果分别如图3和表1所示。

图3为本实施例制备的TC11钛合金锻件端面的高倍组织图，从图3可看出，本实施例制备的TC11钛合金锻件的组织均匀、细小。

表1

从表1可知，本发明实施例1～实施例3制备的TC11钛合金锻件经950℃保温2h、空冷后530℃保温6h的热处理后，抗拉强度Rm为1069MPa～1088MPa，屈服强度R_p0.2为946MPa～1004MPa，延伸率A为14.5％～19.0％，断面收缩率为40％～46％，具有优异的高温力学性能，符合GJB2220-94《航空发动机用钛合金饼、环坯规范》中的规定，满足航空发动机用TC11锻件的要求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔，得到初级坯料；所述两相区的镦拔温度为（T_β-50℃）~（T_β-30℃）；所述TC11钛合金铸锭依次在β单相区及两相区进行多火次镦拔的次数均为3~4火次，且多火次镦拔的过程中均包含1火次单方向大变形，所述1火次单方向大变形的轴向变形量为80%~90%；

步骤二、将步骤一中得到的初级坯料进行1~2火次拔长后分切下料，得到中间坯料；所述中间坯料的重量为50kg~80kg；

步骤三、将步骤二中得到的中间坯料在近T_β温度下进行1火次锻造后，经水冷得到锻造坯料，其中T_β为相变点温度；所述1火次锻造为1次镦拔，所述1次镦拔的速率为15mm/s~30mm/s；所述1火次锻造的温度为（T_β-20℃）~（T_β-10℃）；

步骤四、将步骤三中得到的锻造坯料在（T_β-50℃）~（T_β-30℃）温度下进行1火次镦拔，得到TC11钛合金锻件；所述TC11钛合金锻件经950℃保温2h、空冷后530℃保温6h的热处理后，抗拉强度达1069MPa~1088MPa。

2.根据权利要求1所述的一种高强TC11钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中所述β单相区的镦拔温度为（T_β+50℃）~（T_β+150℃）；所述初级坯料的单重为1500kg~2500kg。