CN114178456A - 一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金锻造技术领域，具体涉及一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法，通过开坯锻造、均匀化锻造、T_β以下锻造、成品锻造等步骤来实现的。采用本发明的锻造方法，能够在快锻机上实现单重为3000~5000kg的超大规格TC4钛合金锻坯的批量生产，生产锻坯锻造总火次为8~10火，较传统钛合金锻坯锻造14~16火加工成本降低约17%，综合成品率提升约7%，适用于工业化生产。

Description

一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法

技术领域

本发明属于钛合金锻造技术领域，具体涉及一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法。

背景技术

随着新型装备向着大型化及科技化发展，钛合金的锻坯也朝着大型化、特大型化发展。对于单重超过5吨的超大规格钛合金锻坯而言，组织均匀性始终是个巨大的难题。钛合金超大规格锻坯的生产过程中，为保证超大规格锻坯组织的均匀性，通常需要在大型设备进行多火次锻造，而超大规格锻坯由于尺寸大，在锻造过程中无法保证终锻温度，通常容易造成组织不均匀。此外，由于坯料单重大，设备能力不足时容易出现锻不透的现象，特别容易造成边、心部组织不均匀、力学性能各向异性等问题，从而无法满足最终使用要求。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种超大规格钛合金锻坯的锻造加工方法。通过这种加工方法，能够生产出（150~250）×（800~2000）×（3500~4000）mm的超大规格锻坯，这种钛合金锻坯组织为α+β两相组织，锻坯组织均匀性良好，力学性能稳定，各向异性弱，适用于工业化生产。

本申请所用的原材料为TC4钛合金φ780mm~φ880mm规格铸锭，其锻造过程为开坯锻造、均匀化锻造、T_β以下锻造、成品锻造。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：

（一）开坯锻造

将铸锭在1050~1200℃进行1~2火次镦拔或拔长锻造，最终将坯料锻至成扁方锻坯，锻坯的T向与S向的长度比控制在1.2~1.8之间，在锻后采用空冷。

（二）均匀化锻造

加热温度在T_β-（30~50）℃，对经过步骤（一）中的坯料进行1~2火次拔长锻造，该火次在拔长时，采用直拔或大小面互换，锻造后锻坯的T向与S向的长度比控制在1.3~1.8之间，锻后采用风冷。随后在T_β+（50~120）℃保温适当时间后出炉，再进行一火次拔长锻造，锻造后锻坯的T向与S向的长度比控制在1.5~2.3之间，锻后采用空冷或水冷；

本发明在开坯锻造之后采用均匀化锻造，并采用拔长锻造的方式进行，相比常规技术而言，更能实现β晶粒快速细化与均匀化；且在均匀化锻造中，具体是在T_β以上温度保温后的一火次拔长锻造控制了锻坯T向与S向的长度比控制在1.5~2.3之间，能够有效增加扁方难变形区的变形量，增加心部锻透性。

（三）T_β以下锻造

加热温度范围为T_β-（30~70）℃，分4~6火完成，每火次均为拔长锻造，其中1~2火进行大小面互换，第3~6火为直拔锻造，每火次锻造完成后需在T_β-（30~70）℃温度下保温，保温结束后出炉后进行空冷；

该步骤为两相区锻造，通过均匀化锻造完成后锻坯T向与S向的长度比控制在1.5~2.3之间的控制，与在该两相区锻造中前1~2火次进行大小面互换进行结合，能够有效解决两相区拔长锻造变形量不足的问题，提高最终锻坯的均匀性；

而且在两相区每火次锻造完成后通过在T_β-（30~70）℃保温一段时间，能够提高组织的一致性，提高锻坯探伤底损与杂波水平。由于两相区锻造结束后积累了大量的变形能，通过回炉加热，可使α相在积累变形储能后充分发生再结晶，提高α相的球化率，根本上解决了常规两相区锻造火次多、α相球化率低的问题。此外，对于超大规格钛合金锻坯而言，锻造时间长，容易造成组织不均匀，从而影响探伤底损与杂波水平，通过锻后回炉加热的方式，最大程度消除锻坯中残余应力，减小了锻坯不同部位残余应力差异，从而提高锻坯探伤水平的一致性。

（四）成品锻造

对经过步骤（三）处理后的坯料进行1~3火成品锻造，最终锻至目标尺寸，成品锻造完成后采用缓慢冷却，冷却速率控制在1℃~3℃/min；

现有技术中在成品锻造完成后的空冷或水冷是不进行控制的，只要冷却至常温即可。但是对于超大规格的锻坯而言，这种冷却方式仍存在因冷却时温度场不均匀而导致的组织均匀性问题，在公司具体试验过程中发现了该问题，故，在该步骤中通过在锻造完成后以1℃~3℃/min的速率进行冷却，这种速率的控制可使α相充分析出，并降低锻坯的残余应力，同时能够使坯料表面与心部温度场接近一致，减小因锻坯冷却时温度场不均匀引起的组织不均匀，从而达到组织均匀的目的。

进一步，上述步骤（二）中，在T_β+（50~120）℃加热完成后，进行拔长锻造，锻比控制在1.0~1.6之间。

进一步，上述步骤（二）中，在T_β+（50~120）℃保温的时间按坯料最小截面尺寸×加热系数δ (min/mm)计算，加热系数δ一般取0.65~0.8。

进一步，上述步骤（三）中，在T_β-（30~70）℃温度下保温时间按坯料最小截面尺寸×加热系数δ (min/mm)计算，加热系数δ一般取0.7~1.0。

进一步，上述步骤（四）中，在成品锻造完成后需回炉至T_β-（30~70）℃，然后再进行冷却。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：

（1）采用本发明的锻造方法，能够在快锻机上实现单重为3000~5000kg的超大规格TC4钛合金锻坯的批量生产，生产锻坯锻造总火次为8~10火，较传统钛合金锻坯锻造14~16火加工成本降低约17%，综合成品率提升约7%，适用于工业化生产；

（2）本发明通过均匀化锻造、T_β以下锻造等步骤进行有效结合，并通过控制均匀化锻造、T_β以下锻造中多个细节的有效控制，如本申请中均匀化锻造中先在T_β以下温度进行1~2火次拔长锻造，随后在T_β以上温度保温后进行拔长锻造，使钛合金材料实现组织的快速细化与均匀化，为后续的锻透性、均匀性奠定基础；然后控制均匀化锻造完成后锻坯T向与S向的长度比控制在1.5~2.3之间的控制，并与在该两相区锻造中前1~2火次进行大小面互换进行结合，能够有效解决两相区拔长锻造变形量不足的问题，增加心部锻透性，提高最终锻坯的均匀性；再结合在量选取每火次锻造完成后在T_β以下温度进行保温，能够有效消除超大规格锻坯的残余应力，减小锻坯不同部位残余应力差异，提高锻坯探伤水平的一致性；最后在成品锻造完成后，控制一定的冷却速率来进一步巩固锻坯的组织均匀性与一致性；从而达到组织均匀性的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一中制备的200*1800*3500mm规格锻坯的低倍组织图（因锻坯太大，实际操作中将同一个方向低倍切成了3个）；

图2为本发明实施例中制备的200*1800*3500mm规格锻坯的显微组织图。

具体实施方式

现结合附图及具体实施例，来对本发明作进一步的阐述。以下仅为本发明的优选实施例，并非用于限制本发明的保护范围。任何在不脱离本发明构思前提下的相同或相似方案均应落在本发明的保护范围内。且下文中：“□”指代的是横截面为方形的坯料的高度，“Φ”指代的是横截面为圆形的坯料的直径。

实施例一（200*1800*3500mm规格锻坯锻造方法）

选用TC4钛合金Φ880mm规格铸锭，铸锭β转变温度T_β为1000℃。

步骤1：将TC4铸锭加热至1150℃进行保温，该步骤中保温系数为0.7~0.75min/mm。

步骤2：将步骤1中处理后的锭坯进行开坯锻造，锻造方法为将Φ880mm铸锭进行第1火的2镦2拔锻造至四方□900 mm，锻后采用空冷；该步骤中累计的总变形量不小于80%，终锻温度不低于850℃。

步骤3：将步骤2中所得坯料在1080℃加热保温，该步骤中保温系数为0.7~0.75min/mm。

步骤4：将步骤3中处理的锭坯进行第2火的2镦2拔，锻造至扁方尺寸为□800×1000×L mm，其中L代表长度；控制锻坯的T向与S向的长度比为1.25，锻后采用空冷。该步骤中2镦2拔需进行换向，终锻温度不低于800℃。

步骤5：将步骤4中处理后的锭坯加热至960℃进行保温，该步骤中保温系数为0.8~0.9min/mm。

步骤6：将步骤5中处理后的锭坯进行第3火拔长锻造至扁方尺寸为□700×1100×L mm，锻造完成后进行风冷。该步骤中，两相区拔长变形量不小于40%，拔长锻造需进行一次大小面互换，终锻温度不低于700℃；

在进行步骤6中的风冷时，需确保坯料下方架空，坯料距离地面超过1米，同时使用四台风扇产生的流动空气使坯料冷却，其中风扇与坯料的间距需控制在4米。

步骤7：将步骤6中处理后的坯料在1050℃进行保温，保温系数为0.8min/mm，保温结束后进行第4火拔长锻造至扁方□650×1100×L mm。该步骤中拔长变形量应小于10%，终锻温度不低于850℃。锻坯的T向与S向的长度比控制在1.7~1.8，锻造后采用水冷。

步骤6、步骤7的主要目的是实现组织的细化与均匀化。在步骤6中通过在Tβ-40℃进行锻造，锻造结束后使用风冷加快坯料的冷却速率，从而保留大量的畸变能。随后将坯料加热至Tβ+50℃使坯料充分发生再结晶，实现组织的细化与均匀化。另外，步骤7中通过控制锻造后坯料T方向与S方向的长度比为1.7~1.8，为后续两相区大小面互换提供操作空间。

步骤8：将步骤7中处理后的坯料在960℃进行保温，该步骤中保温系数为0.8~0.9min/mm。

步骤9：将步骤8中加热完成后的坯料经过第5火拔长锻造至扁方□520×1200×Lmm，锻造完成后回炉继续保温一段时间，保温结束后进行空冷，该步骤中，需对坯料进行大小面互换，即将步骤7中坯料的T方向变为S方向，原S方向锻造后变为T方向，终锻温度不低于700℃，回炉加热的保温系数为0.6min/mm。

步骤10：将步骤9中处理后的坯料在960℃进行保温，该步骤中保温系数为0.8~0.9min/mm。

步骤11：将步骤10中加热后的坯料经过第6火拔长锻造至扁方□400×1300×Lmm，锻造完成后回炉继续保温一段时间，保温结束后进行空冷。该步骤中，需进行大小面互换，步骤9中坯料的T方向变为S方向，原S方向锻造后变为T方向，终锻温度不低于700℃，回炉加热的保温系数为0.6min/mm。

步骤9、10与步骤11中，每火次拔长变形量不低于40%，通过2火次大小面互换，增加坯料在两相区的总变形量，增加了坯料的锻透性，提高了组织的均匀性。

步骤12：分3火完成，将步骤11中处理后的坯料在965℃进行保温，保温系数为为0.8~0.9min/mm。随后经3火次（即第7~9火）拔长锻造至扁方230×1825×L mm，每火次锻造结束后回炉保温一段时间后进行空冷。该步骤中，每火次变形量不大于40%，终锻温度不低于700℃，回炉加热的保温系数为0.6min/mm。

步骤10、步骤11与步骤12中，坯料在两相区锻造结束后积累足够的变形储能，在随后的回炉加热过程中，通过发生静态再结晶，使扭曲的片层α相进一步发生球化，β相发生回复与再结晶，从而实现组织的细化与均匀化。

步骤13：对完成步骤12的坯料，在970℃进行保温，保温系数为0.75~0.85min/mm。

步骤14：将步骤13中保温完成后的坯料进行第10火拔长锻造至扁方□215×1820×Lmm的锻坯，L＞3700mm。该步骤中，锻造变形量不大于20%，终锻温度不低于700℃。

步骤15：将步骤14中锻造完成后的坯料回炉在970℃保温一段时间，回炉保温系数为0.4min/mm，保温结束后并以3℃/min的冷却速率将坯料冷却至500℃，随后出炉进行空冷。得到的成品200*1800*3500mm规格锻坯的力学性能如下表1所示：

表1 TC4钛合金锻坯力学性能

步骤15的目的主要是通过控制锻造成品的冷却速率，来提高锻坯的组织均匀性，从而降低超声波在组织中的衰减与散射，达到GB/T 5193-2007标准中A1级要求。

Claims (5)

1.一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：

（一）开坯锻造

将铸锭在1050~1200℃进行1~2火次镦拔或拔长锻造，最终将坯料锻至成扁方锻坯，锻坯的T向与S向的长度比控制在1.2~1.8之间，在锻后采用空冷；

（二）均匀化锻造

加热温度在T_β-（30~50）℃，对经过步骤（一）中的坯料进行1~2火次拔长锻造，:锻造后锻坯的T向与S向的长度比控制在1.3~1.8之间，锻后采用风冷；随后在T_β+（50~120）℃保温适当时间后出炉，再进行一火次拔长锻造，锻造后锻坯的T向与S向的长度比控制在1.5~2.3之间，锻后采用空冷或水冷；

（三）T_β以下锻造

加热温度范围为T_β-（30~70）℃，分4~6火完成，每火次均为拔长锻造，其中1~2火进行大小面互换，第3~6火为直拔锻造，每火次锻造完成后需在T_β-（30~70）℃温度下保温，保温结束后出炉后进行空冷；

（四）成品锻造

对经过步骤（三）处理后的坯料进行1~3火成品锻造，最终锻至目标尺寸，成品锻造完成后采用缓慢冷却，冷却速率控制在1℃~3℃/min。

2.根据权利要求1所述的一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法，其特征在于，上述步骤（二）中，在T_β+（50~120）℃加热完成后，进行拔长锻造，锻比控制在1.0~1.6之间。

3.根据权利要求1所述的一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法，其特征在于，上述步骤（二）中，在T_β+（50~120）℃保温的时间按坯料最小截面尺寸×加热系数δ (min/mm)计算，加热系数δ一般取0.65~0.8。

4.根据权利要求1所述的一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法，其特征在于，上述步骤（三）中，在T_β-（30~70）℃温度下保温时间按坯料最小截面尺寸×加热系数δ (min/mm)计算，加热系数δ一般取0.7~1.0。

5.根据权利要求1所述的一种超大规格钛合金锻坯锻造加工方法，其特征在于，上述步骤（四）中，在成品锻造完成后需回炉至T_β-（30~70）℃，然后再进行冷却。

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