CN113579133A - 一种钛合金组织均匀控制的自由锻造方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金组织均匀控制的自由锻造方法，包括如下步骤：1)预热；2)热处理，将室温下的钛合金锻坯放入已预热的加热炉中保温，保温时间为D/3+(30～50)min，其中D为锻坯横截面直径或内切圆直径，单位mm；3)拔长；4)成型，其中通过控制热处理时间，使钛合金锻坯截面上温度分布特征为边缘温度高而中心温度低，一方面可以控制锻造过程中锻坯心部区域温度控制在相变点以下，防止心部区域组织变差；另一方面可以使锻造过程中锻坯横截面产生均匀的金属流动，从而使获得的锻材横截面组织更加均匀，本发明所述方法在减少锻造火次的情况下获得了与多火次锻造相同的结果，有效缩短了工艺路线，减少中间消耗，降低了生产成本。

Description

一种钛合金组织均匀控制的自由锻造方法

技术领域

本发明涉及金属塑性加工技术领域，特别涉及一种钛合金组织均匀控制的自由锻造方法。

背景技术

钛合金的性能除了取决于成分以外，对组织的依赖性也非常强。由于受材料性能的限制，钛合金通常采用锻造的方法生产成锻坯，再根据产品形态，将锻造后的锻坯深加工成棒材、线材、丝材、板材、管材以及锻件等产品。因此，锻坯的组织对最终材料性能有重要的影响，尤其是双相钛合金，如TC4、TC18等，其最终性能取决于材料的组织状态和组织的均匀性。

目前锻造钛合金的方法主要是气锤自由锻或油压机快锻，气锤自由锻由于锤击速度快，不利于低塑性的钛合金材料成型，通常用于需要压力很大的大型锻件和棒材，对于普通规格的钛合金锻坯采用油压机进行快锻。受快锻过程中变形形式、工具条件、加热等因素的影响，材料横截面的变形很不均匀，与工具接触部分由于散热、摩擦等条件的限制，很容易出现变形死区，因而在压下过程中，在金属内部较深的区域产生的变形较大，甚至变形集中在心部区域，这样形成了心部变形量大、温度高；而靠近边部的金属变形量小、温降较大这种心部和边部组织不均匀的特征。为了改善这样的组织特征，需要经过多火次的反复镦粗和拔长锻造来实现组织均匀化。

在钛合金组织均匀化方面，中国专利CN105803365A公布了一种提高TC4钛合金组织均匀性的方法，采用在单相区和双相区锻造以及快冷等相结合的方法，最终通过控制坯料旋转角度，以获得截面为八边形的钛合金坯料，从而使整体坯料上各处的晶粒得到充分破碎，达到最终均匀一致的效果。

中国专利201711312290.3公布了一种钛合金棒坯拔长的锻造方法，通过控制送进量来控制拔长后棒坯长度方向上的变形均匀性。

中国专利201510920893.6公布了一种钛合金变温控速锻造方法，通过“高温、高速、大变形”与“低温、低速、小变形”相结合的变形制度，确保每火次变形时坯料均能产生动态再结晶，实现棒料横截面上边部、心部以及各方向上的变形均匀性，从而获得均匀的组织。

中国专利201310540276.4公布了一种TC17钛合金大规格棒材自由锻造方法，采用多火次锻造，火次温度控制采用“高-低-高-低-高-低”的温度控制策略，并配合合理的冷却制度，实现大规格TC17棒材锻造时心部、边部的变形更加均匀。

为了达到组织均匀化的目的，目前所广泛采用的工艺是在加热均匀热透的情况下，在不同的温度区间进行多火次锻造，再结合适当的热处理，最终实现钛合金组织均匀。这样的方法工艺路径长，中间损耗高，加工成本较高，这是钛合金产品难以进入民用领域的主要原因之一。

发明内容

本发明目的在于提供一种钛合金组织均匀控制的自由锻造方法，可以有效防止钛合金锻坯心部区域组织变差，获得的锻材横截面组织均匀，解决现有锻造工艺为了获得钛合金组织均匀，需要多火次锻造造成的工艺路径长，中间损耗高，加工成本高等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种钛合金组织均匀控制的自由锻造方法，包括如下步骤：

1)预热

将加热炉预热到工艺温度，所述工艺温度为920～970℃；

2)热处理

将室温下的钛合金锻坯放入已预热的加热炉中保温，保温时间为：D/3+(30～50)min，其中D为锻坯横截面直径或内切圆直径，单位mm；

3)拔长

将钛合金锻坯转移到液压机，沿钛合金锻坯长度方向进行拔长，之后将钛合金锻坯绕轴向旋转，再沿钛合金锻坯长度方向进行拔长；其中，每锤进坯量为砧宽的1/3～1/2，每锤压下量为5～25％；

4)成型

重复拔长，获得钛合金锻坯横截面尺寸符合工艺要求的锻材。

优选的，所述步骤2)中钛合金锻坯转移到液压机的时间间隔≤50s。

优选的，所述步骤3)中钛合金锻坯绕轴向旋转角度为90°。

本发明是建立在金属塑性成型的一般规律基础之上，通过控制钛合金锻坯的加热温度和加热时间，对钛合金锻坯横截面温度进行梯度控制，并结合锻造工艺过程中金属变形的特征，使获得的钛合金锻材横截面组织更加均匀，整体工艺路线短，中间耗损少，加工成本低。

现有自由锻造工艺中钛合金锻坯在加热炉中进行足够长时间加热，使钛合金锻坯温度尽可能均匀，这种工艺存在以下问题：

一、钛合金锻坯加热后在转运过程中锻坯表面与空气接触会发生散热，使钛合金锻坯边缘温度降低，在拔长时，锤头接触锻坯表面部分受到摩擦和散热作用，会使钛合金锻坯边缘区域难以变形而成为死区；

二、由于钛合金导热性差，钛合金锻坯心部区域热量不容易散发，导致钛合金锻坯心部区域温度较高，拔长操作使钛合金锻坯心部区域变形，由于变形而使钛合金锻坯心部区域温度进一步升高称为温升效应，反复拔长使温升效应累积，会使钛合金锻坯心部区域温度很容易超过相变点温度而使心部区域组织变差。

本发明中合理控制加热时间，使钛合金锻坯横截面上的温度呈现边缘温度高而心部区域温度低这样的温度分布梯度，心部区域温度低，流动应力大，较难流动，而边缘温度高，流动应力小，较易于流动，拔长时由于钛合金锻坯边缘与锻锤的摩擦和散热效应会使边缘温度降低，心部区域由于温升效应会使心部区域温度升高，从而使钛合金锻坯横截面上温度均匀，产生均匀的金属流动，结合每锤进坯量和每锤压下率的控制，从而使获得的钛合金锻材组织更加均匀。

另外，本发明通过控制加热时间，使钛合金锻坯横截面上边缘温度高心部区域温度低，即使心部区域有温升效应的存在，也能将心部区域温度控制在相变点温度以下，防止心部区域组织变差。

本发明具有以下优点：

本发明通过控制钛合金锻坯热处理时间，使钛合金锻坯横截面上的温度分布为边缘温度高而心部温度低，一方面，可以有效降低锻造过程中锻坯心部区域的最高温度，防止心部区域温度超过相变温度而使组织变差；另一方面，由于温升效应与散热效应的存在，拔长时钛合金锻坯横截面上产生均匀的金属流动，再控制每锤进坯量和每锤压下率，使最终获得的钛合金锻材组织更加均匀。

本发明在较少锻造火次的情况下获得了与多火次锻造相同的结果，有效缩短了工艺路线，减少中间消耗，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例1与对比例1获得锻材横截面最高温度分布对比曲线示意图。

图2为本发明实施例1与对比例1获得锻材横截面应变对比曲线示意图。

图3为本发明实施例2与对比例2获得锻材横截面最高温度分布对比曲线示意图。

图4为本发明实施例2与对比例2获得锻材横截面应变对比曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

实施例1

以横截面为圆形的TC4棒状钛合金锻坯锻造横截面为方形的棒状锻材的自由锻造方法，包括如下步骤：

1)预热

将加热炉预热至950℃；

2)热处理

将截面直径为500mm，长为600mm的TC4钛合金锻坯放入已预热的加热炉中保温198min；

3)拔长

将TC4钛合金锻坯转移到砧面宽度为600mm的液压机，沿锻坯长度方向进行拔长，之后将锻坯绕轴向旋转90°，再沿锻坯长度方向进行拔长；其中，每锤进坯量为300mm，每锤压下量为10％；

4)成型

重复拔长操作，获得横截面边长为350mm棒状锻材。

对比例1：将另一直径为500mm，长为600mm的TC4钛合金锻坯采用传统均温加热工艺锻造成横截面边长为350mm方形棒状锻材。

两种方法锻造的锻材横截面最高温度分布曲线如图1，两种方法锻造的锻材横截面应变对比曲线如图2。

由图1和图2可以看出，采用本发明方法获得的锻材横截面最高温度为945℃，采用传统均温加热工艺锻造的锻材横截面最高温度为972℃，本发明实施例1与对比例1所得锻材相比横截面最高温度降低了28℃，且本发明实施例1所得锻材横截面应变分布更加均匀，从边缘到心部应变大小差异显著缩小，也说明了由本发明方法获得的锻材组织更加均匀可控。

实施例2

以横截面为方形的TC4棒状钛合金锻坯锻造横截面为八角形的棒状锻材的自由锻造方法，包括如下步骤：

1)预热

将加热炉预热至960℃；

2)热处理

将截面为350×350mm，长为600mm的TC4钛合金锻坯放入已预热的加热炉中保温150min；

3)拔长

将TC4钛合金锻坯转移到砧面宽度为600mm的液压机，沿锻坯长度方向进行拔长，之后将锻坯绕轴向旋转，再沿锻坯长度方向进行拔长；其中，每锤进坯量为250mm，每锤压下量为8％；

4)成型

重复拔长，获得横截面厚度为230mm的八角棒状锻材。

对比例2：将另一截面为350×350mm，长为600mm的TC4钛合金方型锻坯采用传统均温加热工艺锻造成横截面厚度为230mm的八角棒状锻材。

两种方法锻造的锻材横截面最高温度分布曲线如图3，两种方法锻造的锻材横截面应变对比曲线如图4。

由图3和图4可以看出，采用本发明方法获得的锻材横截面最高温度为945℃，采用传统均温加热工艺锻造的锻材横截面最高温度为972℃，本发明实施例2与对比例2所得锻材相比横截面最高温度降低了28℃，且本发明实施例2所得锻材横截面应变分布更加均匀，从边缘到心部应变大小差异显著缩小，也说明了由本发明方法获得的锻材组织更加均匀可控。

Claims (3)

1.一种钛合金组织均匀控制的自由锻造方法，包括如下步骤：

1)预热

将加热炉预热到工艺温度，所述工艺温度为920～970℃；

2)热处理

将室温下的钛合金锻坯放入已预热的加热炉中保温，保温时间为D/3+(30～50)min，其中D为锻坯横截面直径或内切圆直径，单位mm；

3)拔长

将钛合金锻坯转移到液压机，沿钛合金锻坯长度方向进行拔长，之后将钛合金锻坯绕轴向旋转，再沿钛合金锻坯长度方向进行拔长；其中，每锤进坯量为砧宽的1/3～1/2，每锤压下量为5～25％；

4)成型

重复拔长，获得钛合金锻坯横截面尺寸符合工艺要求的锻材。

2.如权利要求1所述的钛合金组织均匀控制的自由锻造方法，其特征是，所述步骤2)中钛合金锻坯转移到液压机的时间间隔≤50s。

3.如权利要求1所述的钛合金组织均匀控制的自由锻造方法，其特征是，所述步骤3)中钛合金锻坯绕轴向旋转角度为90°。

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