CN114029438B - 一种提高tc4特级盘类锻件组织均匀性的制备方法 - Google Patents

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坯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坯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特级盘类锻件；去除锻件毛边；对TC4特级盘类锻件进行固溶和退火热处理，得到TC4特级盘类锻件。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坯料应用于航空、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，当初始坯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)，由于锻造后初始坯料组织的遗传性，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，由于初始坯料初生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坯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坯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特级盘类锻件；

去除TC4特级盘类锻件毛边；

对TC4特级盘类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，加热至坯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为将坯料置于加热炉中加热至坯料的第一坯料加热温度T1前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：

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，

D₀为初始坯料的直径，H₀为初始坯料的长度，μ为常数系数，大小与初始坯料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：

此外，当

时，λ∈[0.3，0.4]，μ∈[1.05，1.2]；

当

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，加热至坯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特级盘类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坯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坯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坯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特级盘类锻件；去除TC4特级盘类锻件毛边；对TC4特级盘类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。本申请针对初始坯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是本申请初始坯料组织金相示意图。

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坯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坯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特级盘类锻件；

S9、去除TC4特级盘类锻件毛边；

S10、对TC4特级盘类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，该方法针初始坯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，加热至坯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为将坯料置于加热炉中加热至坯料的第一坯料加热温度T1前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：

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，

D₀为初始坯料的直径，H₀为初始坯料的长度，μ为常数系数，大小与初始坯料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：

此外，当

时，λ∈[0.3，0.4]，μ∈[1.05，1.2]；

当

时，λ∈[0.2，0.3]，μ∈[0.8，0.95]。

本实施例针对初始坯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特级坯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。同一初始坯料，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相含量随初始坯料初生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，加热至坯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特级盘类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 (7)

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坯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坯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特级盘类锻件；

去除TC4特级盘类锻件毛边；

对TC4特级盘类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；

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：

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，

D₀为初始坯料的直径，H₀为初始坯料的长度，μ为常数系数，大小与初始坯料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：

此外，当

时，λ∈[0.3，0.4]，μ∈[1.05，1.2]；

当

时，λ∈[0.2，0.3]，μ∈[0.8，0.95]；

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]；

将坯料置于加热炉中加热至坯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。

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，

加热至坯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为将坯料置于加热炉中加热至坯料的第一坯料加热温度T1前所述坯料的横截面直径，单位为mm，加热系数δ₁＝0.6～0.8。

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，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。

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，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]。

5.根据权利要求4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，

加热至坯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。

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，对TC4特级盘类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]。

7.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，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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