CN114769478B - 一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金锻造技术领域，具体公开一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法，具体通过开坯前整形、单相区锻造、两相区锻造、成品锻造等实现。本发明通过调整单相区镦拔锻造过程中坯料高径比，镦拔过程中坯料从轻微双鼓、无明显鼓性向轻微单鼓过度，以提升坯料单相区轴向变形均匀性，改善不同部位β晶粒尺寸均匀性；通过调整两相区镦拔锻造过程中坯料高径比，镦拔过程中坯料从轻微单鼓、无明显鼓性向轻微双鼓过度，有利于提升坯料两相区轴向变形均匀性，以改善不同部位α相球率一致性。

Description

一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法

技术领域

本发明涉及钛合金锻造技术领域，具体涉及一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法。

背景技术

钛合金因具有高比强度高、高韧性、优良的耐腐蚀及耐热性能、无磁等特征，在航空、航天、海装、兵器、石油化工等领域得到广泛应用。随着各类装备的不断换代升级，钛合金锻件也从小锻件拼接的方式逐渐发展成大型锻件整体成形，服役环境越来越严苛，因而对钛合金棒材尺寸规格、组织均匀性也提出了更高的要求。

传统钛合金棒材生产方式通常是采用固定高径比的方式将坯料在单相区和两相区进行多火次反复镦拔锻造后拔长成形，且镦拔高径比选择尽量避免出现单鼓或双鼓。但镦拔锻造是一种不均匀变形，存在明显的变形死区，导致棒材出现诸如沿长度方向不同部位组织及性能波动较大、棒材头底自由端过大等沿轴向出现的不均匀问题，而固定高径比反复镦拔锻造过程中大变形区和变形死区相对固定，会进一步加剧沿轴向变形不均匀性，且锻坯规格越大，这种不均匀性也越大。因而寻求一种方法以改善坯料轴向不同部位变形均匀性，对钛合金向更大型锻件推广应用具有重要意义。

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提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法，通过该方法以改善大规格锻坯在镦拔过程中沿坯料轴向的变形均匀性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：

步骤1：开坯前整形

将钛合金铸锭加热至（1150~1200）℃，进行1火次滚圆整形锻造，将坯料高径比调整至2.5~3.0；

步骤2：单相区锻造

将开坯整形后得到的坯料加热至T_β+（50~300）℃，进行2~4火次镦拔锻造，加热温度随火次增加逐渐降低或保持不变，每火次2镦2拔，根据单相区镦拔锻造次数将坯料高径比由2.5~3.0均匀降低至1.7~2.2，每火次锻后空冷；其中：根据单相区镦拔锻造次数将坯料高径比由2.5~3.0均匀降低至1.7~2.2，具体意思是如将高径比从3.0降低至2.2，如果单相区总镦拔锻造次数是9次，那么从第1次至第9次镦粗高径比依次为3.0、2.9、2.8、2.7、…、2.2，如果单相区总镦拔锻造次数是5次，那么从第1次至第10次镦粗高径比依次为3.0、2.8、2.6、2.4、2.2；

步骤3：两相区锻造

将单相区镦拔锻造后的坯料加热至T_β-（20~50）℃，进行2~4火次镦拔锻造，加热温度随火次增加而逐渐降低或保持不变，每火次1镦1拔，根据两相区镦拔锻造次数将坯料高径比由1.7~2.2均匀提升至2.5~3.0；

步骤4：成品锻造

将两相区镦拔锻造后的坯料加热至T_β-（20~50）℃，进行2~5火次拔长整形锻造，每火次拔长变形量控制在10~35%之间，每火次锻后均采用空冷，得到最终所需的钛合金大规格棒材。

进一步，上述步骤1中，1火次累积变形量≤50%。

进一步，上述步骤2的镦拔锻造中，镦粗变形量控制在35~50%之间，拔长变形量控制在30~45%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均大于拔长变形量。

进一步，上述步骤2中，每火次镦拔完成后需将坯料立于平砧之上，分2~4锤进行平端，平端压下量控制在50~150mm范围。

进一步，上述步骤3的镦拔锻造中，镦粗变形量控制在25~40%之间，拔长变形量控制在30~45%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均小于拔长变形量。

进一步，上述步骤3中，每火次镦拔完成后需将坯料立于平砧之上，分2~4锤进行平端，平端压下量控制在50~120mm范围，每火次锻后空冷或热料回炉。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果如下：

1、本发明在进行常规大变形开坯锻造前，采用小变形对铸锭进行滚圆整形，不仅可将铸锭表面取样槽及机加毛刺整平，防止正常镦拔锻造过程中因铸锭表面不平整导致出现局部折叠影响变形的均匀性，而且预变形有利于提高钛合金热加工塑性，避免大变形开坯时开裂；

2、常规镦拔锻造通常需选择合适的高径比，以避免出现单鼓或双鼓，因为出现单鼓或者双鼓会加剧变形的不均匀性。而本发明反其道而行之，通过调整单相区镦拔锻造过程中坯料高径比，镦拔过程中坯料从轻微双鼓、无明显鼓性向轻微单鼓过度，在这过程中变形死区位置也不断变化，通过单鼓和双鼓变形死区分布位置不同，以提升坯料单相区轴向变形均匀性，改善不同部位β晶粒尺寸均匀性；通过调整两相区镦拔锻造过程中坯料高径比，镦拔过程中坯料从轻微单鼓、无明显鼓性向轻微双鼓过度，在这过程中变形死区位置也不断变化，有利于提升坯料两相区轴向变形均匀性，以改善不同部位α相球率一致性；而且本发明两相区镦拔过程中逐渐加大高径比还有利于降低坯料拔长成形时的累积变形量，改善成品棒材组织及性能各向异性；

3、本发明在每次镦拔结束后，通过对坯料两端与砧子接触部位的变形死区进行分锤，以改善坯料两端变形死区变形量不够导致自由端较大问题，进一步改善坯料沿轴向变形均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例一的棒材超声波探伤C扫图；

图2为本发明实施例二的棒材超声波探伤C扫图。

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

本实施例中原材料为TC18Φ680mm规格铸锭，采用金相法测得铸锭相变点温度为865℃，成品为Φ500mm大规格棒材，具体锻造过程如下：①开坯前整形：使用电炉将钛合金铸锭加热至1150℃，保温结束后使用45MN快锻机将铸锭滚圆整形至Φ610×~1780mm（表示整形后坯料为一个直径610mm、长度约1780mm的圆柱体，因为滚圆锻造过程控制的是坯料的直径，所以610mm是个准确控制值，而长度是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”），锻后空冷；②单相区锻造：将开坯整形后得到的坯料进行4火次单相区锻造，每火次加热温度依次为1080℃、1050℃、1000℃、950℃，每火次加热结束后均采用45MN快锻机进行2镦2拔，每次镦粗变形量控制在40~45%之间，拔长变形量控制在38~43%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均大于拔长变形量，每火次镦拔结束后将坯料立与平砧之间，分4锤进行平端，每次平端压下量控制在120~140mm范围，每火次锻后均空冷至室温，经4火次镦拔锻造将坯料锻至□640×~1250mm（同上文，640mm是个准确控制值，而长度是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”）；③两相区锻造：将完成单相区锻造后得到的坯料进行4火次两相区锻造，每火次加热温度依次为830℃、825℃、820℃、820℃，每火次加热结束后均采用45MN快锻机进行1镦1拔，每次镦粗变形量控制在30~35%之间，拔长变形量控制在33~38%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均小于拔长变形量，每火次镦拔结束后将坯料立与平砧之间，分4锤进行平端，每次平端压下量控制在100~130mm范围，每火次锻后依次采用空冷、空冷、热料回炉、空冷，经4火次镦拔锻造将坯料锻至□570×~1540mm（同上文，570mm是个准确控制值，而长度是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”）；④成品锻造：将完成两相区锻造后得到的坯料进行2火次两相区拔长整形锻造，每火次加热温度均为820℃，每火次加热结束后均采用45MN快锻机进行拔长整形锻造，第1火次拔长变形量控制在25~30%之间，第2火次整形锻造变形量控制在10~15%，每火次锻后均均采用空冷。经成品锻造后棒坯尺寸为Φ510×~2400mm（同上文，510mm是个准确控制值，而长度是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”），最后将棒坯机加至Φ500×Lmm成品棒材。采用水浸分区检测方式对机加后的成品棒材进行超声波探伤，结果如图1所示，棒材不同部位底波于杂波的波动小，杂波水平低，说明棒材组织均匀性优良。

实施例二

本实施例中原材料为TC11Φ680mm规格铸锭，采用金相法测得铸锭相变点温度为1000℃，成品为Φ350mm大规格棒材，具体锻造过程如下：①开坯前整形：使用电炉将钛合金铸锭加热至1170℃，保温结束后使用45MN快锻机将铸锭滚圆整形至Φ590×~1530mm（同上文，590mm是个准确控制值，而长度1530mm是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”），锻后空冷；②单相区锻造：将开坯整形后得到的坯料进行4火次单相区锻造，每火次加热温度依次为1100℃、1080℃、1050℃、1050℃，每火次加热结束后均采用45MN快锻机进行2镦2拔，每次镦粗变形量控制在40~45%之间，拔长变形量控制在38~43%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均大于拔长变形量，每火次镦拔结束后将坯料立与平砧之间，分4锤进行平端，每次平端压下量控制在100~120mm范围，每火次锻后均空冷至室温，经4火次镦拔锻造将坯料锻至□615×~1050mm（同上文，615mm是个准确控制值，而长度1050mm是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”）；③两相区锻造：将完成单相区锻造后得到的坯料进行2火次两相区锻造，每火次加热温度依次为965℃、960℃，每火次加热结束后均采用45MN快锻机进行1镦1拔，每次镦粗变形量控制在28~33%之间，拔长变形量控制在35~40%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均小于拔长变形量，每火次镦拔结束后将坯料立与平砧之间，分4锤进行平端，每次平端压下量控制在80~100mm范围，每火次锻后均采用空冷，经2火次镦拔锻造将坯料锻至□530×~1350mm（同上文，530mm是个准确控制值，而长度1350mm是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”）；④成品锻造：将完成两相区锻造后得到的坯料进行3火次两相区拔长整形锻造，每火次加热温度均为955℃，每火次加热结束后均采用45MN快锻机进行拔长整形锻造，前2火次拔长变形量控制在30~35%之间，第3火次整形变形量控制在10~15%，每火次锻后均均采用空冷。经成品锻造后棒坯尺寸为Φ365×~3500mm（同上文，365mm是个准确控制值，而3500mm是一个预估的值，不是锻造控制值，数字前面的“~”表示“约等于”），最后将棒坯机加至Φ350×Lmm成品棒材。采用水浸分区检测方式对机加后的成品棒材进行超声波探伤，棒材不同部位底波于杂波的波动小，杂波水平低，说明棒材组织均匀性优良。

Claims (4)

1.一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：

步骤1：开坯前整形，将钛合金铸锭加热至1150 ~ 1200℃，进行1火次滚圆整形锻造，将坯料高径比调整至2 .5 ~ 3 .0；

步骤2：单相区锻造，将开坯整形后得到的坯料加热至Tβ+（50 ~ 300）℃，进行2 ~ 4火次镦拔锻造，加热温度随火次增加逐渐降低或保持不变，每火次2镦2拔，根据单相区镦拔锻造次数将坯料高径比由2 .5~ 3 .0均匀降低至1 .7 ~ 2 .2；每火次镦拔完成后需将坯料立于平砧之上，分2 ~ 4锤进行平端，平端压下量控制在50 ~ 150mm范围，每火次锻后空冷；

步骤3：两相区锻造，将单相区镦拔锻造后的坯料加热至Tβ-（20 ~ 50）℃，进行2 ~ 4火次镦拔锻造，加热温度随火次增加而逐渐降低或保持不变，每火次1镦1拔，根据两相区镦拔锻造次数将坯料高径比由1 .7 ~ 2 .2均匀提升至2 .5 ~ 3 .0； 每火次镦拔完成后需将坯料立于平砧之上，分2 ~ 4锤进行平端，平端压下量控制在50 ~ 120mm范围，每火次锻后空冷或热料回炉；

步骤4：成品锻造，将两相区镦拔锻造后的坯料加热至Tβ-（20 ~ 50）℃，进行2 ~ 5火次拔长整形锻造，每火次拔长变形量控制在10%~ 35%之间，每火次锻后均采用空冷，得到最终所需的钛合金大规格棒材。

2.根据权利要求1所述的一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法，其特征在于，上述步骤1中，1火次累积变形量≤50%。

3.根据权利要求1所述的一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法，其特征在于，上述步骤2的镦拔锻造中，镦粗变形量控制在35%~ 50%之间，拔长变形量控制在30%~ 45%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均大于拔长变形量。

4.根据权利要求1所述的一种提高钛合金大规格棒材轴向组织均匀性的锻造方法，其特征在于，上述步骤3的镦拔锻造中，镦粗变形量控制在25%~ 40%之间，拔长变形量控制在30%~ 45%之间，每次镦拔锻造的镦粗变形量均小于拔长变形量。