CN114029438A - 一种提高tc4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，包括步骤：将坯料置于加热炉中加热至材料的第一坯料加热温度T1；将加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、滚圆、甩侧凹；将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1；将回炉加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、倒棱、甩圆；对所得坯料进行粗车；对粗车所得坯料置于加热炉中加热至材料的第二坯料加热温度T2；利用压力机(螺旋压力机)对加热坯料进行模锻，得到TC4特级盘件锻件；去除锻件毛边；对TC4特级盘件锻件进行固溶和退火热处理，得到TC4特级盘件锻件。本申请提高了锻件的组织均匀性且获得合适的初生α相含量，符合TC4特级钛合金锻件的验收要求。

Description

一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金盘类件锻造技术领域，特别地，涉及一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法。
背景技术
TC4特级钛合金作为重要的结构材料应用于航空、航天领域，其优良的综合性能与其显微组织是密不可分的。某航空发动机TC4特级盘件，其工作部位的特殊性，要求零件高倍组织为在转变β相的基础上含有细小和等轴的初生α相，初生α相的百分比含量应为20％～35％。该TC4特级盘件(见图1)在螺旋压力机上模锻成形，当原材料棒材心部组织存在组织微观不均匀性时(即从棒材头部切片，经特定温度固溶后，在切片的心部进行取样检查，一定尺寸范围内试样存在β-斑点区域或初生α相含量低于临近部位百分数1/3的区域，见图2)，由于锻造后原材料组织的遗传性，导致锻件心部组织出现β-斑点或局部区域初生α相含量偏少不符合规定要求(见图3、图4)；此外，由于原材料初生α相含量(试样经特定温度进行固溶和退火，观察视场最小：1cm×cm)及β相变点波动范围较大，而锻造加热温度及锻件热处理固溶温度为固定值，导致锻造加热参数与热处理固溶参数并非最优组合，最终引起锻件初生α相含量不符合锻件验收要求。
发明内容
本申请提供了一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，以解决现有TC4特级钛合金锻件组织均匀性不够且初生α相含量偏少而不符合锻件验收要求的技术问题。
本申请采用的技术方案如下：
一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，包括步骤：
将坯料置于加热炉中加热至材料的第一坯料加热温度T1；
将加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、滚圆、甩侧凹；
将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1；
将回炉加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、倒棱、甩圆；
对所得坯料进行粗车；
对粗车所得坯料置于加热炉中加热至材料的第二坯料加热温度T2；
利用压力机对加热坯料进行模锻，得到TC4特级盘件锻件；
去除TC4特级盘件锻件毛边；
对TC4特级盘件锻件进行固溶和退火热处理，至此TC4特级离心叶轮盘件制备完成。
进一步地，所述第一坯料加热温度T1为：
T1＝β-80
其中，T1为第一坯料加热温度，单位℃；β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]。
进一步地，加热至材料的第一坯料加热温度T1后，所需保温时间t1＝加热系数δ1×D1，t1单位为min，D1为所述坯料的横截面直径，单位为mm，加热系数δ1＝0.6～0.8。
进一步地，甩侧凹所用的甩侧凹工装的中心孔纵截面形状尺寸满足以下条件：
Figure BDA0003347151360000021
其中：
坐标系xoy的x轴与专用甩侧凹工装的中心孔轴线重合，o点位于中心孔轴线的居中位置，
Figure BDA0003347151360000031
D0为初始坯料的直径，H0为初始坯料的长度，μ为常数系数，大小与原坯料H0、D0有关；L0为改锻后坯料长度；r为甩侧凹工装的中心孔纵截面的弧线半径；h为甩侧凹工装的中心孔的纵截面的弧线圆心到x轴的距离，H0、D0满足如下要求：
Figure BDA0003347151360000032
此外，当
Figure BDA0003347151360000033
时，λ∈[0.3，0.4]，μ∈[1.05，1.2]；
当
Figure BDA0003347151360000034
时，λ∈[0.2，0.3]，μ∈[0.8，0.95]。
进一步地，将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1时，所需保温时间为时间t1的一半。
进一步地，所述第二坯料加热温度T2为：
T2＝β-60-200(ω-0.6)2
其中：
T2为第二坯料加热温度，单位℃；
β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]；
ω为TC4特级棒材初生α相的百分比含量，ω∈[0.3，0.6]。
进一步地，加热至材料的第二坯料加热温度T2后，所需保温时间t2＝加热系数δ2×D2，t2单位为min，D2为粗车后坯料横截面直径，单位为mm，加热系数δ2＝0.7～0.9。
进一步地，对TC4特级盘件锻件进行固溶热处理时的锻件固溶温度T3为：
T3＝β-40+50(ω-0.7)
其中：
T3为锻件固溶温度，单位℃；
β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]；
ω为TC4特级棒材初生α相的百分比含量，ω∈[0.3,0.6]。
进一步地，将坯料置于加热炉中加热至材料的第一坯料加热温度T1之前，还包括步骤：
确定TC4特级棒材初生α相含量、β相变点温度。
进一步地，确定TC4特级棒材初生α相含量、β相变点温度具体包括步骤：
将试样经设定温度进行固溶和退火，测定初生α相含量；
通过差热分析法测定β相变点温度。
相比现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请提供了一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，该方法包括步骤：将坯料置于加热炉中加热至材料的第一坯料加热温度T1；将加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、滚圆、甩侧凹；将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1；将回炉加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、倒棱、甩圆；对所得坯料进行粗车；粗车所得坯料置于加热炉中加热至材料的第二坯料加热温度T2；利用压力机对加热坯料进行模锻，得到TC4特级盘件锻件；去除TC4特级盘件锻件毛边；对TC4特级盘件锻件进行固溶和退火热处理，至此TC4特级离心叶轮盘件制备完成。本申请针对原材料棒材心部组织微观不均匀性，通过结合专用工装对棒材进行改锻，显著提高了组织的均匀性；同时，根据TC4特级棒材初生α相的含量和相变点温度，确定合理的锻造加热温度及锻件热处理固溶温度，有效保证了锻件初生α相的百分比含量在技术规定范围内，因此，本申请克服了现有工艺锻件组织偏析及初生α相的百分比不符合要求问题，提高了TC4特级钛合金锻件的组织均匀性且获得合适的初生α相含量，符合TC4特级钛合金锻件的验收要求，经济效益显著。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本申请还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本申请作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请TC4特级盘件毛坯示意图及心部取样位置示意图。
图2是本申请原材料组织金相示意图。
图3是本申请锻件心部β-斑点区域示意图。
图4是本申请锻件心部区域初生α相含量示意图。
图5是本申请优选实施例的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法流程示意图。
图6是本申请优选实施例的步骤S3工艺流程图。
图7是本申请优选实施例的步骤S5工艺流程图。
图8是本申请优选实施例的甩侧凹工装主视示意图。
图9是图8中A-A向剖视示意图。
图10(a)是制备所得到的TC4特级离心叶轮盘件心部组织金相示意图。
图10(b)是制备所得到的TC4特级离心叶轮盘件外缘组织金相示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参照图5，本申请的优选实施例提供了一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，包括步骤：
S1、确定TC4特级棒材初生α相含量、β相变点温度；
S2、将坯料置于加热炉中加热至材料的第一坯料加热温度T1；
S3、将加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、滚圆、甩侧凹(见图6)；
S4、将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1；
S5、将回炉加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、倒棱、甩圆(见图7)；
S6、对所得坯料进行粗车；
S7、对粗车所得坯料置于加热炉中加热至材料的第二坯料加热温度T2；
S8、利用压力机(螺旋压力机)对加热坯料进行模锻，得到TC4特级盘件锻件；
S9、去除TC4特级盘件锻件毛边；
S10、对TC4特级盘件锻件进行固溶和退火热处理，至此TC4特级离心叶轮盘件制备完成。
本实施例提供了一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，该方法针原材料棒材心部组织微观不均匀性，通过结合专用工装对棒材进行改锻，显著提高了组织的均匀性；同时，根据TC4特级棒材初生α相的含量和相变点温度，确定合理的锻造加热温度及锻件热处理固溶温度，有效保证了锻件初生α相的百分比含量在技术规定范围内，因此，本实施例克服了现有工艺锻件组织偏析及初生α相的百分比不符合要求问题，提高了TC4特级钛合金锻件的组织均匀性且获得合适的初生α相含量，符合TC4特级钛合金锻件的验收要求，经济效益显著。
具体地，步骤S1中，确定TC4特级棒材初生α相含量、β相变点温度具体包括步骤：
S11、将试样经设定温度进行固溶和退火，测定初生α相含量；
S12、通过差热分析法测定β相变点温度。
本实施例通过将试样经设定温度进行固溶和退火，测定初生α相含量，同时通过差热分析法测定β相变点温度，为后续根据TC4特级棒材初生α相的含量和β相变点温度，确定合理的锻造加热温度及锻件热处理固溶温度，从而有效保证了锻件初生α相的百分比含量在技术规定范围内奠定了基础。
具体地，步骤S2中，所述第一坯料加热温度T1为：
T1＝β-80 (1)
其中，T1为第一坯料加热温度，单位℃；β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]。
本实施例将坯料在相变点以下较低T1温度变形，确保改锻后组织中初生α相含量与棒材中初生α相含量相当。
具体地，步骤S2中，加热至材料的第一坯料加热温度T1后，所需保温时间t1＝加热系数δ1×D1，t1单位为min，D1为所述坯料的横截面直径，单位为mm，加热系数δ1＝0.6～0.8。
本实施例中设置的保温时间t1由加热系数δ1和所述坯料的横截面直径D1确定，此公式为加热时间算法，就是达到这个保温时间，坯料中心位置温度达到炉子温度，即T1。另外加热系数δ根据D的不同会有波动。
具体地，如图8和图9所示，步骤S3中，甩侧凹所用的甩侧凹工装的中心孔纵截面形状尺寸满足以下条件：
Figure BDA0003347151360000071
其中：
坐标系xoy的x轴与专用甩侧凹工装的中心孔轴线重合，o点位于中心孔轴线的居中位置，
Figure BDA0003347151360000081
D0为初始坯料的直径，H0为初始坯料的长度，μ为常数系数，大小与原坯料H0、D0有关；L0为改锻后坯料长度(即图7甩圆后坯料长度)；r为甩侧凹工装的中心孔纵截面的弧线半径；h为甩侧凹工装的中心孔的纵截面的弧线圆心到x轴的距离，H0、D0满足如下要求：
Figure BDA0003347151360000082
此外，当
Figure BDA0003347151360000083
时，λ∈[0.3，0.4]，μ∈[1.05，1.2]；
当
Figure BDA0003347151360000084
时，λ∈[0.2，0.3]，μ∈[0.8，0.95]。
本实施例针对原材料棒材心部组织存在组织微观不均匀性现象，采用具有特定尺寸参数的甩侧凹工装，通过该特定的甩侧凹工装可使坯料心部充分变形，消除心部组织微观不均匀性，使各部位组织更均匀。
具体地，步骤S4中，将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1时，所需保温时间为时间t1的一半，既确保坯料各处温度均衡且节约时间。
具体地，步骤S7中，所述第二坯料加热温度T2为：
T2＝β-60-200(ω-0.6)2 (3)
其中：
T2为第二坯料加热温度，单位℃；
β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]；
ω为TC4特级棒材初生α相的百分比含量，ω∈[0.3，0.6]。
本实施例中的第二坯料加热温度T2根据相变点温度β、棒材初生α相的百分比含量确定，用于保证在该温度下模锻后组织中初生α相的百分比含量符合要求，即当棒材相变点温度、棒材初生α相的百分比含量较高，得到T2温度较高，锻造过程可使初生α相转变增多，降低组织中初生α相含量，使锻件组织中初生α相含量满足要求。TC4特级材料在相变点以下两相区锻造，影响锻件组织中初生α相含量的主要因素为棒材相变点温度、棒材初生α相的百分比含量。同一原材料，组织中初生α相含量随锻造温度的升高而降低；棒材相变点一样，同一温度下锻造，组织中初生α相含量随原材料初生α相含量的升高而升高；棒材初生α相含量一样，同一温度下锻造，组织中初生α相含量随相变点温度的升高而升高，公式(3)通过试验数据拟合得到。
具体地，步骤S7中，加热至材料的第二坯料加热温度T2后，所需保温时间t2＝加热系数δ2×D2，t2单位为min，D2为粗车后坯料横截面直径，单位为mm，加热系数δ2＝0.7～0.9。
本实施例中设置的保温时间t2由加热系数δ2和所述粗车后坯料横截面直径D2确定。
具体地，步骤S10中，对TC4特级盘件锻件进行固溶热处理时的锻件固溶温度T3为：
T3＝β-40+50(ω-0.7) (4)
其中:
T3为锻件固溶温度，单位℃；
β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980，1010]；
ω为TC4特级棒材初生α相的百分比含量，ω∈[0.3，0.6]。
本实施例中，锻件固溶温度T3为相变点以下两相区固溶温度，对锻件组织初生α相含量影响为：在两相区固溶，随着固溶温度升高，组织中初生α相含量降低。通过相变点温度、棒材初生α相的百分比含量，确定合适的锻件固溶温度T3，保证最终组织的初生α相含量满足验收要求。公式(4)是通过试验数据拟合得到。
图10(a)和图10(b)所示为经过上述实施例的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法所得到的TC4特级盘类锻件组织金相示意图，可以看出上述方法提高了TC4特级钛合金锻件的组织均匀性且获得合适的初生α相含量，符合TC4特级钛合金锻件的验收要求，经济效益显著。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将坯料置于加热炉中加热至材料的第一坯料加热温度T1；
将加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、滚圆、甩侧凹；
将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1；
将回炉加热后的坯料在锻锤上进行镦粗、四方拔长、倒棱、甩圆；
对所得坯料进行粗车；
对粗车所得坯料置于加热炉中加热至材料的第二坯料加热温度T2；
利用压力机对加热坯料进行模锻，得到TC4特级盘件锻件；
去除TC4特级盘件锻件毛边；
对TC4特级盘件锻件进行固溶和退火热处理，至此TC4特级离心叶轮盘件制备完成。
2.根据权利要求1所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，所述第一坯料加热温度T1为：
T1＝β-80
其中，T1为第一坯料加热温度，单位℃；β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]。
3.根据权利要求2所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，
加热至材料的第一坯料加热温度T1后，所需保温时间t1＝加热系数δ1×D1，t1单位为min，D1为所述坯料的横截面直径，单位为mm，加热系数δ1＝0.6～0.8。
4.根据权利要求1所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，甩侧凹所用的甩侧凹工装的中心孔纵截面形状尺寸满足以下条件：
Figure FDA0003347151350000021
其中：
坐标系xoy的x轴与专用甩侧凹工装的中心孔轴线重合，o点位于中心孔轴线的居中位置，
Figure FDA0003347151350000022
D0为初始坯料的直径，H0为初始坯料的长度，μ为常数系数，大小与原坯料H0、D0有关；L0为改锻后坯料长度；r为甩侧凹工装的中心孔纵截面的弧线半径；h为甩侧凹工装的中心孔的纵截面的弧线圆心到x轴的距离，H0、D0满足如下要求：
Figure FDA0003347151350000023
此外，当
Figure FDA0003347151350000024
时，λ∈[0.3，0.4]，μ∈[1.05，1.2]；
当
Figure FDA0003347151350000025
时，λ∈[0.2，0.3]，μ∈[0.8，0.95]。
5.根据权利要求3所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，将所得的坯料回炉加热至第一坯料加热温度T1时，所需保温时间为时间t1的一半。
6.根据权利要求1所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，所述第二坯料加热温度T2为:
T2＝β-60-200(ω-0.6)2
其中：
T2为第二坯料加热温度，单位℃；
β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]；
ω为TC4特级棒材初生α相的百分比含量，ω∈[0.3,0.6]。
7.根据权利要求6所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，
加热至材料的第二坯料加热温度T2后，所需保温时间t2＝加热系数δ2×D2，t2单位为min，D2为粗车后坯料横截面直径，单位为mm，加热系数δ2＝0.7～0.9。
8.根据权利要求1所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，对TC4特级盘件锻件进行固溶热处理时的锻件固溶温度T3为：
T3＝β-40+50(ω-0.7)
其中:
T3为锻件固溶温度，单位℃；
β为TC4特级棒材相变点温度，β∈[980,1010]；
ω为TC4特级棒材初生α相的百分比含量，ω∈[0.3,0.6]。
9.根据权利要求1所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，将坯料置于加热炉中加热至材料的第一坯料加热温度T1之前，还包括步骤：
确定TC4特级棒材初生α相含量、β相变点温度。
10.根据权利要求9所述的提高TC4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法，其特征在于，确定TC4特级棒材初生α相含量、β相变点温度具体包括步骤：
将试样经设定温度进行固溶和退火，测定初生α相含量；
通过差热分析法测定β相变点温度。
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