CN114000074A

CN114000074A - 一种航空钛合金部件及其制备方法

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Publication number: CN114000074A
Application number: CN202010737408.2A
Authority: CN
Inventors: 徐小严; 史栋刚
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2040-07-28
Also published as: CN114000074B

Abstract

本发明涉及一种钛合金部件的制备方法，包括：(1)提供TC4钛合金板坯；(2)对钛合金板坯进行热轧；(3)对上一步产物进行退火；(4)对上一步产物进行热循环。

Description

一种航空钛合金部件及其制备方法

技术领域

本发明涉及航空钛合金材料领域，具体涉及一种航空钛合金部件及其制备方法。

背景技术

风扇叶片是大客发动机的关键部件之一，其工作条件非常苛刻，在满足气动性能、噪音指标的同时，还承受高速旋转产生的巨大离心力、高速气流产生的气动力、叶片振动产生的疲劳载荷以及砂石、飞鸟等外来物的冲击等等。依据大客发动机大推力、低油耗等需求，为提高风扇气动效率、部件可靠性并降低结构重量，相关技术采用TC4钛合金空心风扇叶片。

TC4钛合金板材是空心风扇叶片面板材料，是制造叶片的关键材料，其力学及疲劳性能直接影响叶片的振动疲劳性能、叶片的寿命及可靠性。由于空心风扇叶片面板主要为轧制成形，织构特征明显，因此面板横向与纵向的显微组织、力学性能尤其是疲劳性能会显现出明显不同，对空心风扇叶片的稳定性与寿命产生巨大影响。

发明内容

本公开提供一套TC钛合金板材的加工工艺，采用该工艺制备获得的钛合金部件具有显著改善的各向异性。

在一些方面，本公开提供一种钛合金部件的制备方法，包括：

(1)提供TC4钛合金板坯；

(2)对钛合金板坯进行热轧，所述热轧包括：

对钛合金板坯第一热轧，热轧方向为第一方向，热轧温度为950～960℃，轧下量为35～45％，热轧后水冷；

对第一热轧产物进行第二热轧，热轧方向为第一方向，热轧温度为 950～960℃，轧下量为55～65％，热轧后水冷；

对第二热轧产物进行第三热轧，热轧方向为第二方向，轧温度为 950～960℃，轧下量为45～55％，热轧后水冷；

其中，所述第一方向和第二方向均垂直于钛合金板坯厚度方向，且第一方向与第二方向相互垂直。

(3)对上一步产物进行退火，退火温度为760～800℃，保温时间为 4～6h，冷却方式为空冷；

(4)对上一步产物进行热循环，所述热循环包括如下依次进行的第一次热处理至第四次热处理：

第一次热处理，热处理温度为900℃～950℃，保温时间为1～3h，冷却方式为空冷；

第二次热处理，热处理温度为780℃～820℃，保温时间为1～3h，冷却方式为空冷；

第三次热处理，热处理温度为760℃～800℃，保温时间为1～3h，冷却方式为空冷；

第四次热处理，热处理温度为880℃～920℃，保温时间为1～3h，冷却方式为空冷。

在一些实施方案中，第一方向和第二方向分别为钛合金板坯的长度方向和宽度方向。

在一些实施方案中，步骤(1)中，钛合金板坯的厚度为200～300mm。

在一些实施方案中，步骤(1)中，钛合金板坯为真空感应炉熔炼锭经自由锻获得。

在一些实施方案中，步骤(2)中，热轧的总轧下量为85～95％。

在一些实施方案中，步骤(3)还包括对空冷后的板材进行抛光的步骤，抛光后板材的粗糙度为Ra值为3～5，例如Ra值为3.2。

在一些实施方案中，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

第一次热处理的保温温度为920～940℃；

第一次热处理的保温温度为790～810℃；

第一次热处理的保温温度为770～790℃；

第一次热处理的保温温度为890～910℃。

在一些实施方案中，TC4钛合金的β相变点为1000～1010℃，例如 1005℃。

在一些实施方案中，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

第一次热处理的保温时间为2～2.5h；

第二次热处理的保温时间为1～1.5h；

第三次热处理的保温时间为1～1.5h；

第四次热处理的保温时间为2.5～3h。

在一些实施方案中，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

第一次热处理的保温过程中还对热处理对象进行变形量≤10％的变形；

第二次热处理的保温过程中还对热处理对象进行变形量≤10％的变形；

第三次热处理的保温过程中还对热处理对象进行变形量≤10％的变形；

第四次热处理的保温过程中还对热处理对象进行变形量≤10％的变形。

在一些实施方案中，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

第一次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行热扩散连接(例如超塑成形-扩散连接(SPF-DB)技术)；该步骤可将两片钛合金板材通过热扩散连接工艺连接形成具有空腔的空心叶片毛坯；

第二次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行热扭转；该工艺可对上一步的空心叶片毛坯进行热扭转，获得空心叶片粗坯

第三次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行热校形；该工艺可对空心叶片粗坯进行精整校形，获得空心叶片精坯

第四次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行超塑成形处理；该工艺通过芯板超塑特性对精坯进行胀型处理，调整叶片型位精度，获得空心叶片成品。

在一些实施方案中，钛合金部件为钛合金板材，例如厚度20～30mm 的钛合金板材。

在一些实施方案中，钛合金部件为钛合金空心叶片的面板。

在一些实施方案中，钛合金的成分为：Al 6～6.6wt％，V 4.～4.5wt％， O≤0.2wt％，C≤0.1，Fe≤0.30，H≤0.015，B<0.001，N≤0.05，Ti余量。

在一些实施方案中，钛合金的成分为：Al 6.5～6.6wt％，V 4.1～4.2wt％， O≤0.2wt％，C≤0.1，Fe≤0.30，H≤0.015，B<0.001，N≤0.05，Ti余量。

在一些方面，本公开提供一种钛合金部件，由上述任一项所述的方法制备获得。

术语说明：

“β相变温度”是指发生α+β/β的相变的温度。

“双态组织”是一种既存在在等轴初生α相，又存在片状α相的纤维组织。典型组织形貌如GB/T 6611-2008钛及钛合金术语和金相图谱中所示。

TC4钛合金成分符合GB/T 3620.1-2016。

轧下量按如下方法计算：轧制前板坯厚度L₁，轧制后板材厚度L₂，轧下量＝(L₁-L₂)/L₁。

变形量≤10％是指：拉伸量≤10％、压缩量≤10％、弯折变形角度≤18°，或扭转变形角度≤36°。

空冷是指在空气中冷却。

水冷是指在水中冷却。

有益效果

本公开一项或多项技术方案具有以下一项或多项有益效果：

(1)具有显著改善的各向异性；

(2)具有显著改善的显微组织；

(3)具有较好的力学性能；

(4)具有较好的疲劳性能。

附图说明

图1的(a)和(c)分别为对比例1的钛合金板材的纵向(长度方向)组织的织构强度和晶粒取向图谱；

图2的(b)和(d)分别为实施例1的钛合金板材的纵向(长度方向)组织的织构强度和晶粒取向图谱。

图3示出实施例1的钛合金板材在热处理前以及经各次热处理后的显微组织形貌，其中，(a)为第一次热处理前(退火后)的显微组织形貌；(b)为第一次热处理后的显微组织形貌；(c)为第三次热处理后的显微组织形貌；(d)为第四次热处理后的显微组织形貌。

图4的(a)为钛合金板材热循环前(退火后)的晶粒取向图，(c)为钛合金板材热循环后钛合金的晶粒取向图。

图5的(b)为钛合金板材热循环前(退火后)的显微组织极图，(d)为钛合金板材热循环后的显微组织极图。

图6的(a)和(b)分别示出实施例1的TC4钛合金板材热循环前(退火后)、热循环后的横向与纵向的旋转弯曲疲劳S-N曲线。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用药品或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

(1)提供TC4钛合金板坯，其为真空感应熔炼法获得的铸锭经自由锻获得，TC4钛合金板坯具有双态组织。

其长、宽、厚尺寸为950mm×770mm×240mm。

其化学成分见表1：

表1.1化学成分

元素

Al

V

O

C

Fe

H

B

N

Ti

质量分数(wt.％)

6.55

4.12

0.20

0.021

0.003

0.002

<0.001

0.004

Bal.

该TC4钛合金板坯的β相变点为1005℃。

(2)对钛合金板材进行轧制处理，包括：

第一次热轧，热轧方向为长度方向，热轧温度960℃，轧下量约40％，热轧至145mm厚度，热轧后水冷。

第二次热轧，热轧方向为长度方向，热轧温度950℃，轧下量约62％，热轧至55mm厚度，热轧后水冷。

第三次换热轧，热轧方向为宽度方向，热轧温度950℃，轧下量约 52％，热轧至26.5mm厚度，热轧后水冷。

(3)蠕变退火，退火温度为780℃，保温时间为5h。退火后将板材抛光至厚度25mm。

(4)对上一步产物进行热循环，热循环包括如下表2依次进行的第一次热处理至第四次热处理：

表1.2

本实施例中，热处理的具体操作为将板材置于设定温度的加热炉内，保温预设时间，取出按预设的冷却方式冷却。

可以合理推断的是，在上述限定的温度、保温时间和冷却方式条件下，第一次热处理、第二次热处理、第三次热处理和第四次热处理的保温过程中可以附加多种额外的热加工，比如热扩散连接、热扭转、热校形、热超塑成形等，在变形率小于等于10％的情况下，这些热加工形式取得的技术效果与当前实施例的技术效果无异。

对比例1

对比例1以步骤(2’)替换实施例1的步骤(2)。

(2’)对钛合金板材进行轧制处理，包括：

第一次热轧，热轧方向为长度方向，热轧温度960℃，轧下量约46％，热轧至130mm厚度，水冷。

第二次热轧，热轧方向为长度方向，热轧温度950℃，轧下量约50％，热轧至65mm厚度，水冷。

第三次热轧，热轧方向为长度方向，热轧温度950℃，轧下量约60％，热轧至26.5mm厚度，水冷。

分析检测：

1、材拉伸性能和初生α相含量分析检测

对实施例1和对比例1的步骤(3)获得的板材(中间产品)进行了材拉伸性能和初生α相含量分析检测，检测结果如表2所示。

与对比例1相比，实施例1的板材纵向的拉伸强度和屈服强度略有降低，但伸长量、断面收缩率和模量均有提升。板材横纵向强度和塑性数值趋于接近，横纵向平均模量差明显降低，说明材料力学性能各向异性下降，一致性提高。

TC4钛合金板材显微组织中初生α相含量也是评价并控制其性能的参数之一。初生α相的形貌、尺寸及含量对双相TC4钛合金的力学性能有极大影响，而严格控制初生α相的含量会使TC4钛合金材料获得强度与塑性的平衡。由表2可见，实施例1的横、纵向初生α相含量相同(均为70％)，这有利于提高板材的性能和一致性。

表2

由表2可知，与对比例1的工艺相比，实施例1方法获得的钛合金板材各项指标的横纵差均显著降低，因此，实施例1获得了各向异性显著改善的钛合金板材。

2、定量EBSD织构分析

对实施例1和对比例1的步骤(3)获得的板材(中间产品)进行了定量EBSD织构分析实验。

图1(a)和(c)为对比例1的钛合金板材的纵向(长度方向)组织的织构强度和晶粒取向图谱，图2(b)和(d)为实施例1的钛合金板材的纵向(长度方向)组织的织构强度和晶粒取向图谱。根据图1～2，表3为对比例 1与实施例1板材织构强度对比。

结果显示，对比例1的板材以(0001)

型织构为主，织构强度高达23.5。实施例1的板材的(0001)

型织构强度减弱，并与

和

型织构的强度趋于一致。如表3所示。说明板材工艺改进后织构现象减弱，各向异性减小，晶粒变形更为均匀。

表3

由表3可知，与对比例1相比，实施例1获得了各向异性显著改善的板材。

3、显微组织分析

对实施例1经步骤(4)各次热处理获得的产品进行显微组织分析，结果如图3所示。图3示出实施例1的钛合金板材在热处理前以及经各次热处理后的显微组织形貌，其中，(a)为第一次热处理前的显微组织形貌(退火后的显微组织形貌)；(b)为第一次热处理后的显微组织形貌；(c)为第三次热处理后的显微组织形貌；(d)为第四次热处理后的显微组织形貌。

图3显示，经过热循环过程后，钛合金板材的显微组织分布更加均匀，晶粒等轴化成都增强，初生α相比例稍有降低，平均α晶粒尺寸有所长大，显微组织得到明显的改善。

4、热循环前、后的织构特征

图4～5示出实施例1的TC4钛合金板材热循环前、后的织构特征。

图4的(a)为热循环前(退火后)钛合金的晶粒取向图，(c)为热循环后钛合金的晶粒取向图。与热循环前相比，热循环后钛合金的显微组织的晶粒长大且显示出明显的等轴化与均匀化。

图5的(b)为热循环前(退火后)钛合金的显微组织极图，其中， RD表示轧向(第一次热轧的方向)，TD表示横向(第三次热轧的方向，垂直于RD的方向)。图5的(d)为热循环后钛合金的显微组织极图，其中A1与A2是相互垂直的方向，A1的方向标准在每个极图下方。与热循环前相比，热循环后钛合金的织构特征有所改善。与图5(b)热循环前相比较，图5(d)热循环后的织构特征有所改善，退火处理会使晶粒长大，且某些择优取向的晶粒再结晶长大会减弱其他取向的织构。

5、热循环前、后的疲劳性能：

图6的(a)和(b)分别示出实施例1的TC4钛合金板材热循环前、热循环后横向与纵向的旋转弯曲疲劳S-N曲线。

图6的(a)显示钛合金板材在热循环前(退火后)高周疲劳性能具有各向异性，纵向疲劳极限较横向高，且横向疲劳性能较分散。图6的(b)显示钛合金板材在热循环后板材疲劳性各向异性减弱，横向与纵向疲劳性能趋于一致。采用升降法配对计算Kt＝1时材料横向与纵向的中值疲劳极限，结果如表4所示。定量分析得出，热循环后材料的疲劳性能略有降低，各向异性降低约40％。

表4

由表4可知，经本公开热循环工艺后，材料的纵向和横向中值疲劳极限之差由29MPa降低至17MPa，降幅约60％。因此，实施例1的方法获得了各向异性显著改善的钛合金板材。

尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims

1.一种钛合金部件的制备方法，包括：

(1)提供TC4钛合金板坯；

(2)对钛合金板坯进行热轧，所述热轧包括：

对第一热轧产物进行第二热轧，热轧方向为第一方向，热轧温度为950～960℃，轧下量为55～65％，热轧后水冷；

对第二热轧产物进行第三热轧，热轧方向为第二方向，热轧温度为950～960℃，轧下量为45～55％，热轧后水冷；

其中，所述第一方向和第二方向均垂直于钛合金板坯厚度方向，且第一方向与第二方向相互垂直；

(3)对上一步产物进行退火，退火温度为760～800℃，保温时间为4～6h，冷却方式为空冷；

2.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)中，钛合金板坯的厚度为200～300mm。

3.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)中，钛合金板坯为真空感应炉熔炼锭经自由锻获得。

4.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)中，热轧的总轧下量为85～95％。

5.根据权利要求1所述的方法，步骤(3)还包括对空冷后的板材进行抛光的步骤，抛光后板材的粗糙度为Ra值为3～5μm。

6.根据权利要求1所述的方法，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

第一次热处理的保温温度为920～940℃；

第一次热处理的保温温度为790～810℃；

第一次热处理的保温温度为770～790℃；

第一次热处理的保温温度为890～910℃。

7.根据权利要求1所述的方法，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

第一次热处理的保温时间为2～2.5h；

第二次热处理的保温时间为1～1.5h；

第三次热处理的保温时间为1～1.5h；

第四次热处理的保温时间为2.5～3h。

8.根据权利要求1所述的方法，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

9.根据权利要求1所述的方法，步骤(4)具有以下一项或多项特征：

第一次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行热扩散连接；

第二次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行热扭转；

第三次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行热校形；

第四次热处理是指将热处理对象在加热的模具中进行超塑成形处理。

10.根据权利要求1所述的方法，所述TC4钛合金的β相变点为1000～1010℃。

11.根据权利要求1所述的方法，所述钛合金部件为钛合金板材。

12.根据权利要求1所述的方法，所述钛合金部件为钛合金空心叶片面板。

13.一种钛合金部件，由权利要求1～12任一项所述的方法制备获得。