CN113305261B - 一种tc4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TC4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的制备方法，包括高温锻造、低温锻造、毛坯管制备及低温成形锻造。本发明摒弃了传统的薄壁高筒环件自由锻多火次成形的工艺方案，通过高低两个温度段的坯料锻造，采用径向成形工艺，有效地实现锻件组织的细化均匀及锻造过程一致性。

Description

一种TC4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的制备方法

技术领域

本发明属于有色金属加工领域，具体涉及一种适用于航空、航天用高性能TC4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的制备方法。

背景技术

TC4钛合金环件主要用于制作法兰、壳体、密封垫片等方面，大的环件还可用作发动机鼓筒，或加工成盘件。通常我们说的环锻件是外径尺寸远大于高度尺寸，一般采用自由锻造或者碾环机轧制成形。该制备方法制备的环件特点是高度尺寸大于外径尺寸，且壁厚较薄，类似于筒类、管类锻件，简称薄壁高筒环件。采用自由锻单件锻造，由于钛合金锻造过程对终锻温度要求较高，单件锻造坯料较小，物料温降较快，成形必须多火次回炉完成。因此，传统采用自由锻时需多火次成形，其缺点为锻件尺寸差异大，加工余量大，且过程可控性较差，质量稳定性差。且由于成形必须多火次回炉完成，对组织性能有一定影响。所以，现有采用自由锻造制备技术制备薄壁高筒环件，存在锻造成本高、成品率低、批次稳定性差、市场核心竞争力差等问题。

发明内容

本发明的目的提出一种钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的新型锻造成形方法，克服传统钛合金薄壁高筒环件的自由端多火次成形锻造的成型工艺，提高钛合金薄壁高筒环件或管类锻件生产效率、降低加工成本、提高组织均匀性和批次稳定性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种TC4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的制备方法，其步骤如下：

1)高温锻造，开坯锻造，使得坯料原始铸态组织得以充分破碎，获得细小的β组织的坯料；

2)低温锻造：在β相变点温度以下低温锻造至所需毛坯尺寸；

3)毛坯管制备：通过冷加工制备满足后续低温成形锻造变形量要求的毛坯管；

4)低温成形锻造：在β相变点温度以下，低温径锻至所需尺寸。

优选地，步骤1)高温锻造：至少2火次镦拔锻造，第1火次加热温度为1150℃～1180℃，第2火次加热温度为1080℃～1100℃。

优选地，步骤1)高温锻造中，累积锻比6～8；其中第1火次镦拔锻造，加热系数为0.65～0.80，锻比1.7～2.0，镦拔锻造完成后空冷；第2火次镦拔锻造，加热系数0.60～0.75，锻比1.8～2.0，镦拔锻造完成后空冷。

优选地，步骤1)中，第1火次采用拔长+镦粗+拔长工艺锻造；第2火次采用镦粗+拔长+镦粗+拔长工艺锻造。

优选地，步骤2)低温锻造：在β相变点温度以下1火次低温锻造，加热系数为0.60～0.80，采用镦拔+拔长工艺，镦拔锻比为1.6～1.8，累计锻比4.5～6，热料回炉保温，锻造至所需尺寸的毛坯后空冷。

优选地，步骤2)低温锻造：在低于β相变点温度30℃温度下锻造，采用连续回炉镦拔+拔长锻造，回炉保温时间为60～120min，镦粗压下速率≤40mm/s。

优选地，步骤3)毛坯管制备中，将毛坯冷加工形成满足后续低温成形锻造变形量要求的毛坯管，及从毛坯中分离出的棒材。毛坯管制备中，毛坯管中空部的同轴度≤Φ2.5mm。进行冷加工时，采用机械设备钻孔的同轴度≤Φ2.5mm。加工出的棒材为原始毛坯心部物料，为多余物料，该棒材可作为用于生产更小规格棒材，提高材料利用率。

优选地，步骤4)低温成形锻造：在β相变点温度以下低温锻造，变形量65％～80％，一道次锻造至所需尺寸管材后空冷。通常一般采用径锻进行锻造，配合专用的不同规格芯棒，将芯棒穿设在毛坯管中进行径锻，可得到不同规格的薄壁高筒环件或管件锻件。将锻件进行后续机加工，去除环件或管件锻件的内表面及外表面部分及所需的长度，成为成品。

优选地，步骤4)低温成形锻造中，在低于β相变点温度50℃的温度下锻造，控制锻造过程时间≤10min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的制备方法，摒弃了传统的薄壁高筒环件自由锻多火次成形的工艺方案，采用高温锻造将原始铸态组织得以充分破碎，获得细小的β组织的坯料；通过不破坏β相的低温锻造使坯料组织更细化且使呈等轴状，改善锻件显微组织；采用深钻孔加工，制备毛坯管同时，将产生的加工余料棒材作为更小规格棒材的原料加以利用，提高材料的利用率，降低生产成本；采用径向成形工艺，利用径锻成形外圆大变形的特点，通过控制锻造温度和径锻变形量，有效地实现锻件组织的细化均匀，并通过控制锻造时间，进一步改善锻件两端组织的均匀性。综上所述，采用本发明的制备方法，成品率提高约10％，锻造成本缩减至原来的40％，生产周期缩短50％。此外，还通过研究径锻成形变形量与前期棒状毛坯锻造变形量匹配关系，确定了单相区和两相区的累计变形量，同样可以减少不必要的锻造火次，有效降低综合成本。

附图说明

图1是实施例1制备的薄壁高筒环件/管类锻件轴向不同位置的高倍显微组织图，其中a为头部，b为中部，c为尾部。

图2是实施例2制备的薄壁高筒环件/管类锻件轴向不同位置的高倍显微组织图，其中a为头部，b为尾部。

图3是实施例3制备的薄壁高筒环件/管类锻件轴向不同位置的高倍显微组织图，其中a为头部的内壁和外壁高倍显微组织图，b为头部的内壁和外壁高倍显微组织图。

具体实施方式

本发明的TC4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的制备方法，其步骤如下：

1)高温锻造：开坯锻造，至少2火次镦拔锻造，累积锻比6～8；其中第1火次镦拔锻造，加热温度1150℃～1180℃，加热系数为0.65～0.80，锻比1.7～2.0，镦拔锻造完成后空冷；第2火次镦拔锻造，加热温度1080℃～1100℃，加热系数0.60～0.75，锻比1.8～2.0，镦拔锻造完成后空冷。经过高温锻造，使得坯料原始铸态组织得以充分破碎，获得细小的β组织的坯料；

可以通过加热系数计算加热保温时间，计算经验公式为：T＝αD，其中α为加热系数，D为锻坯有效厚度。

2)低温锻造：在β相变点温度以下低温锻造至所需毛坯尺寸；具体地，在β相变点温度以下1火次低温锻造，加热系数为0.60～0.80，采用连续回炉镦拔+拔长工艺，镦拔锻比为1.6～1.8，累计锻比4.5～6，热料回炉保温60～120min，镦粗压下速率≤40mm/s，锻造至所需尺寸的毛坯后空冷。

毛坯尺寸根据需加工的锻件成品尺寸，考虑低温成形锻造变形量，反推计算确定毛坯尺寸。

3)毛坯管制备：通过冷加工，比如深孔钻，制备满足后续低温成形锻造变形量要求的毛坯管。在制备毛坯管时，产生的从毛坯中分离的加工余料棒材，可在加工更小规格的棒材时作为原料使用，提高材料利用率。毛坯管中空部的同轴度≤Φ2.5mm，即加工毛坯管的设备同轴度≤Φ2.5mm，在本发明中，采用深孔钻设备。

4)低温成形锻造：在β相变点温度以下径锻，变形量65％～80％，控制锻造过程时间≤10min，一道次锻造至所需尺寸管材后空冷。

采用径锻进行锻造，配合专用的不同规格芯棒，将芯棒穿设在毛坯管中进行径锻，可得到不同规格的薄壁高筒环件或管件锻件。

锻件成品尺寸是由最终可销售或使用的成品尺寸在考虑氧化皮厚度基础上加上加工余量反推计算确定。

经锻造加工得到的锻件进行后续机加工，去除环件或管件锻件的内表面、外表面及两端的氧化皮部分，再进行尺寸加工，成为最终成品。

上述高温锻造和低温锻造的锻造过程中，控制各火次锻比，减小表面出伤，高温锻造阶段满足累积锻比即可，低温锻造也是如此。

本发明中的加热系数单位为min/mm。

下面结合具体的实施例对本发明的锻件制备方法做进一步的详细说明。

实施例1

1)高温锻造：

铸锭规格Ф720mm，铸锭β相变点990℃，毛坯单重950kg，开坯加热温度1170℃，加热系数0.65，采用拔长+镦粗+拔长锻造工艺，锻比1.75，镦粗压下速率15mm/s，锻造完成后空冷；再次加热温度1080℃，加热系数0.60，采用镦粗+拔长+镦粗+拔长锻造工艺，锻比1.85，锻造完成后空冷。保证原始铸态组织得以充分破碎，获得细小的β组织的坯料。

2)低温锻造：

低于β相变点温度35℃下锻造，即温度设置为960℃，加热系数采用0.7，本火次采用连续回炉镦粗+拔长+拔长工艺，镦拔锻比为1.65，热料回炉保温60min，锻至毛坯尺寸后空冷。

3)毛坯管制备：

利用专有机械加工设备，在本实施例中，采用深孔钻加工设备，冷加工成满足后续径锻成形变形量要求的毛坯管；同时产生直径120mm的加工余料棒材。毛坯管进行后续加工，加工余料棒材保存，作为制作其他更小规格棒材的原料。

4)低温成形锻造：

低于β相变点温度55℃下锻造，即加热温度940℃，变形量为70％，采用大型径锻设备，配备150mm专用芯棒，将芯棒穿进毛坯管中径锻，一道次锻至尺寸Φ216/Φ152×6700mm锻件后空冷，得到所需薄壁高筒环件或管件锻件。

5)成品机加工：通过切削设备对锻件机加工，去除内表面、外表面、两端的氧化皮部分，同时对尺寸加工，尺寸加工包括内外径尺寸及长度，得到Φ206/Φ166×L mm的钛合金薄壁高筒环件或管件。

表1为实施例1的产品Φ206/Φ166×L mm，热处理后不同位置，不同方向的室温锻件力学性能情况，结果显示锻件均满足要求且有一定富余量，图1为Φ206/Φ166×L mm典型规格锻件不同位置的高倍显微组织图，可以看出其显微组织中未见连续晶界，组织均匀，为典型的等轴组织。

表1锻件力学性能

实施例2

1)高温锻造

铸锭规格Ф720mm，铸锭β相变点995℃，毛坯单重970kg，开坯加热温度1150℃，加热系数0.75，采用拔长+镦粗+拔长锻造工艺，锻比1.8，镦粗压下速率15mm/s，再次加热温度1090℃，加热系数0.65，采用镦粗+拔长+镦粗+拔长，锻比1.9，保证原始铸态组织得以充分破碎，获得细小的β组织的坯料。

2)低温锻造

低于β相变点温度30℃下锻造，即温度设置为965℃，加热系数采用0.6，本火次采用连续回炉镦拔+拔长工艺，镦拔锻比为1.7，热料回炉保温100min，锻至毛坯尺寸后空冷。

3)毛坯管制备：

利用专有机械加工设备，在本实施例中，采用深孔钻加工设备，冷加工成满足后续径锻成形变形量要求的毛坯管；同时产生直径115mm的加工余料棒材。毛坯管进行后续加工，加工余料棒材保存，作为制作其他更小规格棒材的原料。

4)低温成形锻造

低于β相变点温度50℃下锻造，即加热温度945℃，变形量为76％，采用大型径锻设备，配备155mm专用芯棒，将芯棒穿进毛坯管中径锻，一道次锻至尺寸Φ217/Φ160×7000mm锻件后空冷，得到所需薄壁高筒环件或管件锻件。

5)成品机加工：通过切削设备对锻件机加工，去除内表面、外表面、两端的氧化皮部分，同时对尺寸加工，尺寸加工包括内外径尺寸及长度，得到Φ206/Φ172×L mm的钛合金薄壁高筒环件或管件。

表2为实施例2的产品Φ206/Φ172×L mm，热处理后不同位置，不同方向的室温锻件力学性能情况，结果均满足要求且有一定富余量，图2为Φ206/Φ172×L mm典型规格锻件不同位置的高倍显微组织图，可以看出其显微组织中未见连续晶界，组织均匀，为典型的等轴组织。

表2锻件力学性能

实施例3

1)高温锻造

铸锭规格Ф720mm，铸锭β相变点995℃，毛坯单重970kg，开坯加热温度1180℃，加热系数0.8，采用拔长+镦粗+拔长锻造工艺，锻比1.9，镦粗压下速率15mm/s，再次加热温度1100℃，加热系数0.75，采用镦粗+拔长+镦粗+拔长，锻比2.0，保证原始铸态组织得以充分破碎，获得细小的β组织的坯料。

2)低温锻造

低于β相变点温度40℃下锻造，即温度设置为955℃，加热系数采用0.8，本火次采用连续回炉镦拔+拔长工艺，镦拔锻比为1.8，热料回炉保温120min，锻至毛坯尺寸后空冷。

3)毛坯管制备：

利用专有机械加工设备，在本实施例中，采用深孔钻加工设备，冷加工成满足后续径锻成形变形量要求的毛坯管；同时产生直径110mm的加工余料棒材。毛坯管进行后续加工，加工余料棒材保存，作为制作其他更小规格棒材的原料。

4)低温成形锻造

低于β相变点温度60℃下锻造，即加热温度935℃，变形量为75％，采用大型径锻设备，配备140mm专用芯棒，将芯棒穿进毛坯管中径锻，一道次锻至尺寸Φ235/Φ145×5500mm锻件后空冷，得到所需薄壁高筒环件或管件锻件。

5)成品机加工：通过切削设备对锻件机加工，去除内表面、外表面、两端的氧化皮部分，同时对尺寸加工，尺寸加工包括内外径尺寸及长度，得到Φ225/Φ155×L mm的钛合金薄壁高筒环件或管件。

表3为实施例3的产品Φ225/Φ155×L mm，热处理后不同位置，不同方向的室温锻件力学性能情况，结果均满足要求且有一定富余量，图3为Φ225/Φ155×L mm典型规格锻件不同位置的高倍显微组织图，可以看出其显微组织中未见连续晶界，组织均匀，为典型的等轴组织。

表3锻件力学性能

上述各实施例均采用Ф720mm规格铸锭，提供了TC4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的锻造工艺技术，生产出满足技术标准要求规格的薄壁高筒环件/管类锻件，组织均匀，性能优异，成本低廉适于工业化生产。在实际生产中，铸锭规格不限于Ф720mm，锻件成品尺寸也不限于上述实施例的尺寸规格。在实际生产中，根据最终成品交付尺寸，考虑锻造工艺过程中产生的氧化皮厚度和加工余量，反推计算锻件成品尺寸，再反推计算毛坯尺寸。

本发明所述的制备方法，摒弃了传统的薄壁高筒环件自由锻多火次成形的工艺方案，采用径向成形工艺，充分分析径锻成形的优缺点，利用径锻成形外圆大变形的特点，通过控制锻造温度和径锻变形量，有效地实现锻件组织的细化均匀，并通过控制锻造时间，进一步改善锻件两端组织的均匀性，且提高了材料的利用率，锻造过程中产生的加工余料棒材，可用于生产更小规格棒材，降低了综合成本，成品率提高约10％，锻造成本缩减至原来的40％，生产周期缩短50％。此外，还通过研究径锻成形变形量与前期棒坯锻造变形量匹配关系，确定了单相区和两相区的累计变形量，同样可以减少不必要的锻造火次，有效降低综合成本。

Claims (6)

1.一种TC4钛合金薄壁高筒环件或管类锻件的制备方法，其步骤如下：

1）高温锻造：开坯锻造，使得坯料原始铸态组织得以充分破碎，获得细小的β组织的坯料；至少 2火次镦拔锻造，累积锻比6~8，其中第 1火次镦拔锻造，加热系数为0.65～0.80，锻比1.7~2.0，镦拔锻造完成后空冷；第2火次镦拔锻造，加热系数0.60～0.75，锻比1.8~2.0，镦拔锻造完成后空冷；第1火次采用拔长+镦粗+拔长工艺锻造；第2火次采用镦粗+拔长+镦粗+拔长工艺锻造；

2）低温锻造：在β相变点温度以下1火次低温锻造，采用镦拔+拔长工艺，热料回炉保温，加热系数为0.60~0.80，镦拔锻比为1.6~1.8，累计锻比4.5~6，锻造至所需尺寸的毛坯后空冷；

3）毛坯管制备：通过冷加工制备满足后续低温成形锻造变形量要求的毛坯管；

4）低温成形锻造：在β相变点温度以下，一道次低温径锻，变形量65%~80%，控制锻造过程时间≤10min，锻造至所需尺寸管材后空冷。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1）高温锻造：第1火次加热温度为1150℃~1180℃，第2火次加热温度为1080℃~1100℃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）低温锻造：在低于β相变点温度30℃温度下锻造，采用连续回炉镦拔+拔长锻造，回炉保温时间为60~120min，镦粗压下速率≤40mm/s。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）毛坯管制备中，将毛坯冷加工形成满足后续低温成形锻造变形量要求的毛坯管，及从毛坯中分离出的棒材。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3）毛坯管制备中，毛坯管中空部的同轴度≤Φ2.5mm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）低温成形锻造中，在低于β相变点温度50℃的温度下锻造，控制锻造过程时间≤10min。

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