CN114850368B - 一种高探伤要求的超大规格tc4钛合金棒材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，该方法包括：一、将TC4合金铸锭加热保温后进行包括大镦拔和侧镦拔的开坯锻造得到第一锻坯；二、将第一锻坯加热保温后进行包括大镦拔和侧镦拔的两相区锻造得到第二锻坯；三、将第二锻坯加热保温后进行滚圆锻造得到成品锻造棒材；四、热处理得到TC4钛合金棒材。本发明采用大镦拔在单方向上对坯料进行远超常规锻造变形量的大变形，采用大镦拔与侧镦拔相结合的多种变形方式协助常规镦拔，通过在不同方向上对坯料进行变形加工，使得大规格的坯料组织充分破碎，获得均匀、细小的组织，保证坯料的顺利变形，得到高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材。

Description

一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有质轻、高强、耐热、耐蚀等特点，是优质的结构材料，可以制作大型民用航空锻件、压气轮机叶片锻件、精密锻件等结构件。TC4钛合金具有成分简单、成本低、良好的综合性能，是目前应用最广泛的一种结构用钛合金。该合金制备的航空发动机用叶片、燃气轮机用叶片，与钢制叶片相比，减重效果明显，可显著提高航空发动机或燃气轮机的功耗效率，提高能源利用率。

随着飞机、舰船、汽轮机等行业装备的大型化，钛合金大型棒材、锻件的制备和应用越来越广泛，随之而来对钛及钛合金的品质要求也越来越高。目前国内各类产品标准最大规格仅规定至直径230mm的棒材，且对探伤要求较低，甚至不作要求或者与客户协商处理，对于直径大于230mm的棒材探伤不做要求。但是随着高性能材料应用的重要性，对材料的探伤结果也提出更高的要求。而高探伤要求的大规格棒材由于单重大，质量要求严格，工艺过程复杂，生产费用高，生产周期长，在制备过程中既要克服材料变形抗力大、可塑性差的困难，又要保证材料锻造的均匀变形，以及变形的充分。

为制备出满足上述技术要求的高品质TC4钛合金棒材，常规的锻造成型工艺为：通过β相区及两相区多火次的轴向镦拔。该常规工艺的变形均匀性差、心部组织变形不充分，成品棒材心部组织与边部组织差异较大，探伤级别低，杂波高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法。该方法采用大镦拔在单方向上对坯料进行远超常规锻造变形量的大变形，采用大镦拔与侧镦拔相结合的多种变形方式协助常规镦拔，通过在不同方向上对坯料进行变形加工，使得大规格的坯料组织充分破碎，获得均匀、细小的组织，保证坯料的顺利变形，得到高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TC4合金铸锭置于箱式加热炉中加热至1050℃～1170℃保温，然后进行3～4火次的开坯锻造，得到第一锻坯；所述开坯锻造包括至少2个大镦拔和2个侧镦拔；

步骤二、将步骤一中得到的第一锻坯置于箱式加热炉中加热至950℃～970℃保温，然后进行6火次以上的两相区锻造，得到第二锻坯；所述两相区锻造包括至少1个大镦拔和7个侧镦拔；

步骤三、将步骤二中得到的第二锻坯置于箱式加热炉中加热至940℃～960℃保温，然后进行1火次的滚圆锻造，得到成品锻造棒材；所述1火次的滚圆锻造的总变形量为12.5％～30％，且1火次的滚圆锻造的过程中进行回炉补温；

步骤四、对步骤三中得到的成品锻造棒材进行热处理，得到TC4钛合金棒材；所述热处理的制度为：在800℃～850℃的条件下保温5h～7h后空冷；所述TC4钛合金棒材的截面直径为400mm～500mm，单重为1200kg以上，且探伤达到GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》的A1级，噪声不高于φ0.6mm平底孔当量，底面反射波高度差小于6dB。

本发明依次对TC4合金铸锭进行加热保温后的开坯锻造、两相区锻造和滚圆锻造，再经热处理得到TC4钛合金棒材，该制备过程中通过采用大镦拔的变形方式，在单方向上对坯料进行远超常规锻造变形量的大变形，使得大规格的坯料组织充分破碎，获得均匀、细小的组织，同时采用大镦拔、侧镦拔相结合的多种变形方式协助常规镦拔，通过在不同方向上对坯料进行变形加工，充分改善大规格的坯料组织均匀性，进一步减小不同区域组织的差异性，保证了坯料的顺利变形，得到超大规格的TC4钛合金棒材，且该TC4钛合金棒材的组织均匀细小，满足高探伤要求。

上述的一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤一和步骤二中所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.7～1.9、镦粗比2.3～2.6且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式。

上述的一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤一和步骤二中所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.7～1.9、镦粗比1.6～1.9且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式。

传统工艺认为钛合金变形量不宜过大，过大会带来变形热，温升导致金相组织异常，另外还会引起坯料表面出现大裂纹导致变形不能顺利进行，影响成材率，故一般选用常规锻造，但常规锻造不能对坯料组织，尤其是心部组织进行充分破碎细化。基于此，不同于常规锻造的高径比1.8～2.2、镦粗比1.6～1.8、变形过程为轴向镦拔的锻造方式，本申请采用大镦拔和侧镦拔，通过镦粗比控制变形速率进而控制坯料温升，结合在镦粗过程中及时对坯料进行整形处理，避免出现大裂纹、影响变形工序的顺利进行及成品的成材率提高。

上述的一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤一、步骤二和步骤三中所述箱式加热炉均经过校验且炉温均匀性满足HB5425-2012《航空制件热处理炉有效加热区测定方法》的Ⅲ类炉要求。本发明通过对箱式加热炉进行限定，保证了TC4合金铸锭、第一锻坯、第二锻坯经加热保温后的温度均匀性，避免了各锻造过程中因温度不均匀导致的“走料不均匀”现象，有利于提高锻造后的坯料组织均匀性。

上述的一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述开坯锻造、步骤二中所述两相区锻造和步骤三中所述滚圆锻造采用吨位为4500T～8000T快锻机进行。本发明采用上述大吨位快锻机对大规格坯料进行锻造，利用大吨位快锻机的宽砧，保证了锻造的镦粗过程中满砧压下，克服了坯料的变形抗力，保证了坯料的锻透性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用大镦拔的变形方式，在单方向上对坯料进行远超常规锻造变形量的大变形，使得大规格的坯料组织充分破碎，获得均匀、细小的组织，保证坯料的顺利变形，得到高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材。

2、本发明采用大镦拔与侧镦拔相结合的多种变形方式协助常规镦拔，通过在不同方向上对坯料进行变形加工，充分改善大规格的坯料组织均匀性，进一步减小不同区域组织的差异性，有利于获得组织均匀细小的超大规格TC4钛合金棒材。

3、本发明在多种变形方式结合的基础上，结合限定快锻机吨位、箱式加热炉的加热精度，有效减少锻造变形抗力，进一步提高了锻造后的坯料组织均匀性。

4、本发明制备得到的TC4钛合金棒材的截面直径为400mm～500mm，单重为1200kg以上，且探伤达到GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》的A1级，噪声不高于φ0.6mm平底孔当量，底面反射波高度差小于6dB。

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将单重为1845kg、规格(直径×长度)为φ690mm×910mm的TC4合金铸锭置于箱式加热炉中加热保温，然后采用8000T快锻机进行4火次的开坯锻造，其中第1火次和第2火次的加热保温温度为1150℃，第3火次和第4火次的加热保温温度为1050℃，得到规格(直径×长度)为φ610mm×1160mm的第一锻坯；所述开坯锻造包括3个大镦拔、3个侧镦拔和2个常规镦拔，所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.9、镦粗比2.6且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式，所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.7、镦粗比1.9且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式，所述常规镦拔的镦粗比为1.6；

步骤二、将步骤一中得到的第一锻坯置于箱式加热炉中加热至970℃保温，然后采用8000T快锻机进行9火次的两相区锻造，得到规格(直径×长度)为φ550mm×1310mm的第二锻坯；所述两相区锻造包括2个大镦拔、8个侧镦拔和8个常规镦拔，所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.9、镦粗比2.6且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式，所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.7、镦粗比1.9且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式，所述常规镦拔的镦粗比为1.6；

步骤三、将步骤二中得到的第二锻坯置于箱式加热炉中加热至960℃保温，然后采用8000T快锻机进行1火次的滚圆锻造，得到规格(直径×长度)为φ515mm×1490mm的成品锻造棒材；所述1火次的滚圆锻造的总变形量为12.5％，且1火次的滚圆锻造的过程中进行回炉补温；

步骤一、步骤二和步骤三中所述箱式加热炉均经过第三方校验，在800℃、1000℃、1170℃三个温度点的炉温均匀性为-6.5℃～+8.6℃，满足HB5425-2012《航空制件热处理炉有效加热区测定方法》的Ⅲ类炉要求；

步骤四、对步骤三中得到的成品锻造棒材进行热处理，经机加扒皮处理，得到TC4钛合金棒材；所述热处理的制度为：在850℃的条件下保温7h后空冷；所述TC4钛合金棒材的截面直径为500mm，单重为1510kg，表面光洁度不超过3.2μm。

经检测，本实施例制备的TC4钛合金棒材的探伤达到GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》的A1级，噪声最高为φ0.6mm平底孔当量，底面反射波高度差为4.4dB～6.0dB。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将单重为1440kg、规格(直径×长度)为φ620mm×890mm的TC4合金铸锭置于箱式加热炉中加热保温，然后采用4500T快锻机进行3火次的开坯锻造，其中第1火次和第2火次的加热保温温度为1150℃，第3火次的加热保温温度为1070℃，得到规格(直径×长度)为φ580mm×1020mm的第一锻坯；所述开坯锻造包括3个大镦拔、3个侧镦拔和1个常规镦拔，所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.7、镦粗比2.3且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式，所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.9、镦粗比1.6且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式，所述常规镦拔的镦粗比为1.6；

步骤二、将步骤一中得到的第一锻坯置于箱式加热炉中加热至950℃保温，然后采用4500T快锻机进行7火次的两相区锻造，得到规格(直径×长度)为φ480mm×1370mm的第二锻坯；所述两相区锻造包括2个大镦拔、7个侧镦拔和5个常规镦拔，所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.7、镦粗比2.3且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式，所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.9、镦粗比1.6且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式，所述常规镦拔的镦粗比为1.6；

步骤三、将步骤二中得到的第二锻坯置于箱式加热炉中加热至940℃保温，然后采用4500T快锻机进行1火次的滚圆锻造，得到规格(直径×长度)为φ415mm×1830mm的成品锻造棒材；所述1火次的滚圆锻造的总变形量为25％，且1火次的滚圆锻造的过程中进行回炉补温；

步骤一、步骤二和步骤三中所述箱式加热炉均经过第三方校验，在800℃、1000℃、1170℃三个温度点的炉温均匀性为-5.3℃～+6.5℃，满足HB5425-2012《航空制件热处理炉有效加热区测定方法》的Ⅲ类炉要求；

步骤四、对步骤三中得到的成品锻造棒材进行热处理，经机加扒皮处理，得到TC4钛合金棒材；所述热处理的制度为：在800℃的条件下保温5h后空冷；所述TC4钛合金棒材的截面直径为400mm，单重为1200kg，表面光洁度不超过3.2μm。

经检测，本实施例制备的TC4钛合金棒材的探伤达到GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》的A1级，噪声最高为φ0.57mm平底孔当量，底面反射波高度差为4.3dB～5.8dB。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将单重为1658kg、规格(直径×长度)为φ620mm×1010mm的TC4合金铸锭置于箱式加热炉中加热保温，然后采用6300T快锻机进行3火次的开坯锻造，其中第1火次和第2火次的加热保温温度为1150℃，第3火次的加热保温温度为1070℃，得到规格(直径×长度)为φ600mm×1080mm的第一锻坯；所述开坯锻造包括3个大镦拔、2个侧镦拔和1个常规镦拔，所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.8、镦粗比2.5且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式，所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.8、镦粗比1.8且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式，所述常规镦拔的镦粗比为1.7；

步骤二、将步骤一中得到的第一锻坯置于箱式加热炉中加热至960℃保温，然后采用6300T快锻机进行8火次的两相区锻造，得到规格(直径×长度)为φ530mm×1270mm的第二锻坯；所述两相区锻造包括3个大镦拔、7个侧镦拔和6个常规镦拔，所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.8、镦粗比2.5且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式，所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.8、镦粗比1.8且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式，所述常规镦拔的镦粗比为1.6；

步骤三、将步骤二中得到的第二锻坯置于箱式加热炉中加热至950℃保温，然后采用6300T快锻机进行1火次的滚圆锻造，得到规格(直径×长度)为φ465mm×1650mm的成品锻造棒材；所述1火次的滚圆锻造的总变形量为23％，且1火次的滚圆锻造的过程中进行回炉补温；

步骤一、步骤二和步骤三中所述箱式加热炉均经过第三方校验，在800℃、1000℃、1170℃三个温度点的炉温均匀性为-7.2℃～+4.3℃，满足HB5425-2012《航空制件热处理炉有效加热区测定方法》的Ⅲ类炉要求；

步骤四、对步骤三中得到的成品锻造棒材进行热处理，经机加扒皮处理，得到TC4钛合金棒材；所述热处理的制度为：在800℃的条件下保温6h后空冷；所述TC4钛合金棒材的截面直径为450mm，单重为1360kg，表面光洁度不超过3.2μm。

经检测，本实施例制备的TC4钛合金棒材的探伤达到GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》的A1级，噪声最高为φ0.54mm平底孔当量，底面反射波高度差为4.6dB～5.5dB。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TC4钛合金铸锭置于箱式加热炉中加热至1050℃~1170℃保温，然后进行3~4火次的开坯锻造，得到第一锻坯；所述开坯锻造包括至少2个大镦拔和2个侧镦拔；

步骤二、将步骤一中得到的第一锻坯置于箱式加热炉中加热至950℃~970℃保温，然后进行6火次以上的两相区锻造，得到第二锻坯；所述两相区锻造包括至少1个大镦拔和7个侧镦拔；

步骤一和步骤二中所述大镦拔为原始处理坯料高径比1.7~1.9、镦粗比2.3~2.6且镦粗后沿原始处理坯料轴向拔长的镦拔变形方式；

步骤一和步骤二中所述侧镦拔为原始处理坯料高径比1.7~1.9、镦粗比1.6~1.9且按照轴向镦粗→侧向拔长→侧向镦粗→轴向拔长的镦拔变形方式；

步骤三、将步骤二中得到的第二锻坯置于箱式加热炉中加热至940℃~960℃保温，然后进行1火次的滚圆锻造，得到成品锻造棒材；所述1火次的滚圆锻造的总变形量为12.5%~30%，且1火次的滚圆锻造的过程中进行回炉补温；

步骤四、对步骤三中得到的成品锻造棒材进行热处理，得到TC4钛合金棒材；所述热处理的制度为：在800℃~850℃的条件下保温5h~7h后空冷；所述TC4钛合金棒材的截面直径为400mm~500mm，单重为1200kg以上，且探伤达到GB/T5193-2007《钛及钛合金加工产品超声波探伤方法》的A1级，噪声不高于φ0.6mm平底孔当量，底面反射波高度差小于6dB。

2.根据权利要求1所述的一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤一、步骤二和步骤三中所述箱式加热炉均经过校验且炉温均匀性满足HB5425-2012《航空制件热处理炉有效加热区测定方法》的Ⅲ类炉要求。

3.根据权利要求1所述的一种高探伤要求的超大规格TC4钛合金棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述开坯锻造、步骤二中所述两相区锻造和步骤三中所述滚圆锻造采用吨位为4500T~8000T快锻机进行。