CN114951526B - 一种组织和性能高均匀性的tb6钛合金大规格饼坯制备方法 - Google Patents

一种组织和性能高均匀性的tb6钛合金大规格饼坯制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，其制备工艺采用高温均匀化热处理→开坯锻造→中间方坯锻造→中间棒坯锻造→饼坯成形锻造，全程精准控制各阶段的温度、锻造方式、锻造比等参数；通过高温使易偏析元素充分扩散，提高铸锭成分的均匀性，通过转变坯料变形技术，采用铸锭开坯阶段的圆形坯料，中间阶段的方形坯料，到最后阶段的圆形棒坯及饼坯成形锻造，提升了各位置的变形均匀性。在本发明制备方法，适用于工业化生产厚度在400～600mm，直径在1100～1300mm的组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯，其生产工艺先进，制备流程短，产品具有组织和性能高均匀性。

Description

一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法
技术领域
本发明属于钛合金材料锻造技术领域，具体涉及一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，特别适用于制备饼坯厚度在400mm～600mm，直径在1100mm～1300mm，且组织和性能高均匀性的TB6钛合金。
背景技术
TB6钛合金名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al，是美国TIMET公司开发的一种典型高强、高韧和高淬透性的近β型钛合金。该合金的主要特点是比强度高、断裂韧性好、锻造温度低、淬透性好，被广泛应用于航空航天领域，如飞机起落架，发动机机舱接头等部位。
随着我国航空工业的快速发展，TB6钛合金用量急剧增加，特别是对于大规格饼坯的TB6钛合金需求日益紧迫，国内受制于熔炼和锻造技术，TB6钛合金铸锭单重较小、大尺寸锻件组织和性能均匀性不满足应用需求。关于TB6大规格铸锭制备难度非常大，是由于熔炼时Fe偏析对铸锭规格非常敏感，随着铸锭规格增大，熔炼过程中由于熔池积聚热量多，不能及时传递出去，形成较深的熔池，熔池温度梯度势必增大，Fe元素偏析倾向也更为严重，针对该问题我司目前以初步解决，不再赘述。而传统锻造技术至少存在以下两个问题：(1)变形温度设置：一般采用前几火次先在相变点以上反复镦拔多次，然后后续火次在相变点以下再反复镦拔多次；(2)变形方式：变形单一，一般只有镦粗和拔长，棱角处容易发生不均匀，表面存在变形死区；即现有锻造采用反复镦拔破碎组织，加剧了变形不均匀，尤其是TB6钛合金两相区锻造温度低，镦拔锻造过程中极易产生“变形温升”，使得组织和性能的均匀性难以控制。加之随着饼坯规格的变大其单重明显上升，制备饼坯所需铸锭的重量也随之增大，难度逐渐加大；另外随着坯料重量的增大，在锻造过程中要实现坯料均匀变形，得到组织均匀性良好的饼坯非常困难。因此目前急需一种先进的制备方法来满足飞机关键结构件用TB6钛合金大规格饼坯的应用需求。
有鉴于此，本发明人提出一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，以克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，采用高温均匀化热处理→开坯锻造→中间方坯锻造→中间棒坯锻造→饼坯成形锻造的制备工艺，锻造时不同阶段采用不同变形方式，并控制火次、温度、锻造比等参数，使得各个位置的变形均匀性提升，解决了传统锻造工艺中反复镦拔造成变形不均匀性加剧的问题，提高了饼坯各位置的组织均匀性。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，所述TB6钛合金大规格饼坯的原料采用真空自耗电弧炉三次熔炼生产的4吨级TB6钛合金铸锭，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、高温均匀化热处理
将所述TB6钛合金铸锭加热到相变点以上温度并保温一定时间，用于使易偏析元素在高温条件下充分扩散；
步骤二、开坯锻造
将经过步骤一高温均匀化热处理后的TB6钛合金铸锭，进行1～3火次锻造，采用的工装为上平砧下圆台，锻造方式为镦粗和滚圆，锻造后空冷；
步骤三、中间方坯锻造
将经过步骤二开坯锻造后的坯料，加热到相变点以下60℃至相变点以上150℃之间，共进行4～8火次中间方坯锻造，采用的工装为上下平砧，锻造方式为镦粗和拔方，锻后空冷；
步骤四、中间棒坯锻造
将经过步骤三中间方坯锻造后的坯料，加热到相变点以下温度并保温，进行1火次锻造，采用的工装为上下平砧，锻造方式为拔长和倒棱角，坯料形状从方坯变为棒坯，锻后空冷；
步骤五、饼坯成形锻造
将经过步骤四中间棒坯锻造后的坯料，加热到相变点以下温度并保温，进行3～5火次锻造，采用的工装为上平砧下圆台，锻造方式为镦粗和滚圆，坯料形状从棒坯变为饼坯，锻后空冷。
进一步地，所述步骤一中温度设定为相变点以上350℃～400℃，保温时间设定为10h～20h。
进一步地，所述步骤二中每火次为两镦两拔，每火次锻造比控制在2.5～5.0之间。
进一步地，所述步骤三锻造时采用相变点以下锻造→相变点以上锻造→相变点以下锻造→相变点以上锻造的方式，包括共计3～6火次在相变点以下30℃～60℃的锻造和1～2火次在相变点以上30℃～150℃的锻造，每火次均为一镦一拔，每火次锻造比控制在2.0～4.0之间。
进一步地，所述步骤四中温度设定为相变点以下30℃～60℃，保温时间设定为8h～12h，锻造比控制在1.5～2.5之间。
进一步地，所述步骤五中温度设定为相变点以下30℃～60℃，保温时间设定为8h～12h，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间。
进一步地，所述制备方法用于生产厚度在400mm～600mm，直径在1100mm～1300mm的TB6钛合金饼坯。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，(1)变形温度设置：前几火次在相变点温度以上和相变点温度以下交替2～3次，后续火次只需在相变点以下进行1～2次成型，相变点温度以上和相变点以下的交替设计可以利用再结晶使得晶粒更加细小均匀。(2)变形方式：通过不同阶段采用不同变形，包括滚圆，拔方，镦粗，拔扁方，倒棱角，多方面提高了变形的均匀性。即本发明先采用高温均匀化手段，充分利用高温条件下原子的热扩散能力，提高了铸锭的成分和组织均匀性(温度越高，各原子获得的能量越大，其扩散的频率和幅度越大，长时间条件下，可以确保铸锭中各元素有充分的时间进行扩散，扩散充分后，铸锭成分和组织均匀性也越好)；再采用均匀变形的方式，锻造时分为多个阶段，不同阶段采用不同变形方式，使得各个位置的变形均匀性提升，从铸锭开坯阶段的圆形坯料，到中间阶段的方形坯料锻造，到最后阶段的圆形棒坯和饼坯，解决了传统锻造工艺中反复镦拔造成变形不均匀性加剧的问题，提高了饼坯各位置的组织均匀性。采用本发明方法能生产出组织均匀性和力学性能一致性良好的TB6钛合金大规格饼坯，并适用工业化生产。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法流程图；
图2是本发明实施例1制备的Φ1200×500mm规格TB6钛合金饼坯实物图；
图3是本发明实施例1制备的Φ1200×500mm规格TB6钛合金饼坯边部200倍显微组织图；
图4是本发明实施例1制备的Φ1200×500mm规格TB6钛合金饼坯边部200倍显微组织图；
图5是本发明实施例1制备的Φ1200×500mm规格TB6钛合金饼坯心部200倍显微组织图；
图6是本发明实施例2制备的Φ1250×550mm规格TB6钛合金饼坯实物图；
图7是本发明实施例2制备的Φ1250×550mm规格TB6钛合金饼坯边部200倍显微组织图；
图8是本发明实施例2制备的Φ1250×550mm规格TB6钛合金饼坯R/2部200倍显微组织图；
图9是本发明实施例2制备的Φ1250×550mm规格TB6钛合金饼坯心部200倍显微组织图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
请参见图1所示，本发明提供一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，所述TB6钛合金大规格饼坯的原料采用真空自耗电弧炉三次熔炼生产的4吨级TB6钛合金铸锭，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、高温均匀化热处理
将TB6钛合金铸锭加热到相变点以上350℃～400℃，并保温10h～20h，用于使易偏析元素在高温条件下充分扩散。
步骤二、开坯锻造
将经过步骤一高温均匀化热处理后的TB6钛合金铸锭，进行1～3火次的开坯锻造，每火次为两镦两拔，每火次锻造比控制在2.5～5.0之间，锻造方式为镦粗和滚圆，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
步骤三、中间方坯锻造
将经过步骤二开坯锻造后的坯料，加热到相变点以下60℃至相变点以上150℃之间，共进行4～8火次中间方坯锻造，锻造时采用相变点以下锻造→相变点以上锻造→相变点以下锻造→相变点以上锻造的方式，包括共计3～6火次在相变点以下30℃～60℃的锻造和1～2火次在相变点以上30℃～150℃的锻造，每火次均为一镦一拔，每火次锻造比控制在2.0～4.0之间。
步骤四、中间棒坯锻造
将经过步骤三中间方坯锻造后的坯料，加热到相变点以下30℃～60℃，保温8h～12h，进行1火次锻造，锻造比控制在1.5～2.5之间，锻造方式为拔长和倒棱角，坯料形状从方坯变为棒坯，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
步骤五、饼坯成形锻造
将经过步骤四中间棒坯锻造后的坯料，加热到相变点以下30℃～60℃，保温8h～12h，进行3～5火次锻造，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间，锻造方式为镦粗和滚圆，坯料形状从棒坯变为饼坯，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
为了进一步验证本发明制备方法的功效，发明人进行了如下具体的实施例：
实施例1(制备规格Φ1200×500mm的TB6饼坯)
1)高温均匀化热处理
采用重量约4000kg的TB6铸锭为原料，相变点为810℃，将其加热到相变点以上360℃，保温时间为15h。
2)开坯锻造
将经步骤1)高温均匀化热处理后的TB6钛合金铸锭，进行2火次的开坯锻造，采用的工装为上平砧下圆台，每火次为两镦两拔，每火次锻造比控制在2.5～5.0之间，锻造方式为镦粗和滚圆，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
3)中间方坯锻造
将经步骤2)开坯锻造的坯料共进行6火次中间方坯锻造，采用的工装为上下平砧，锻造的顺序依次为：2火次在相变点以下50℃的锻造→1火次在相变点以上30℃的锻造→2火次在相变点以下50℃的锻造→1火次在相变点以上30℃的锻造；其中，锻造时每火次均进行一镦一拔，每火次锻造比控制在2.0～4.0之间，锻造方式为镦粗和拔方，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
4)中间棒坯锻造
将经过步骤3)中间方坯锻造后的坯料，加热到相变点以下50℃，保温9h，进行1火次锻造，采用的工装为上下平砧，锻造比控制在1.5～2.5之间，锻造方式为拔长和倒棱角，坯料形状从方坯变为棒坯，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
5)饼坯成形锻造
将经过步骤4)中间棒坯锻造后的坯料，加热到相变点以下50℃，保温8.5h，进行3火次锻造，采用的工装为上平砧下圆台，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间，锻造方式为镦粗和滚圆，坯料形状从棒坯变为饼坯，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
图2是本发明实施例1制备的Φ1200mm大规格TB6钛合金饼坯实物图；图3～图5是发明实施例1制备的Φ1200mm大规格TB6钛合金饼坯(不同位置)200倍显微组织，从图中可看出其组织均匀、性能一致性良好。另外对得到的饼坯室温拉伸性能进行了测试，结果如下表1所示，从表中数据可知，其强韧性匹配良好。
表1TB6钛合金大规格饼坯(Φ1200×500mm)室温拉伸性能
Figure BDA0003647269450000091
实施例2(制备规格Φ1250×550mm的TB6饼坯)
1)高温均匀化热处理
采用重量约4000kg的TB6铸锭为原料，相变点为805℃，将其加热到相变点以上365℃，保温时间为18h。
2)开坯锻造
将经步骤1)高温均匀化热处理后的TB6钛合金铸锭，进行2火次的开坯锻造，每火次为两镦两拔，每火次锻造比控制在2.5～5.0之间，锻造方式为镦粗和滚圆，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
3)中间方坯锻造
将经步骤2)开坯锻造的坯料共进行7火次中间方坯锻造，锻造的顺序依次为：3火次在相变点以下60℃的锻造→1火次在相变点以上50℃的锻造→2火次在相变点以下60℃的锻造→1火次在相变点以上50℃的锻造；其中，锻造时每火次均进行一镦一拔，每火次锻造比控制在2.0～4.0之间，锻造方式为镦粗和拔方，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
4)中间棒坯锻造
将经过步骤3)中间方坯锻造后的坯料，加热到相变点以下60℃，保温11h，进行1火次锻造，锻造比控制在1.5～2.5之间，锻造方式为拔长和倒棱角，坯料形状从方坯变为棒坯，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
5)饼坯成形锻造
将经过步骤4)中间棒坯锻造后的坯料，加热到相变点以下60℃，保温10h，进行3火次锻造，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间，锻造方式为镦粗和滚圆，坯料形状从棒坯变为饼坯，锻造空冷后打磨物料表面裂纹。
图6是本发明实施例2制备的Φ1250mm大规格TB6钛合金饼坯实物图；图7～图9是发明实施例1制备的Φ1250mm大规格TB6钛合金饼坯(不同位置)200倍显微组织，从图中可看出其组织均匀、性能一致性良好。另外对得到的饼坯室温拉伸性能进行了测试，结果如下表2所示，从表中数据可知，其强韧性匹配良好。
表2TB6钛合金大规格饼坯(Φ1250×550mm)室温拉伸性能
Figure BDA0003647269450000111
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。
应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (2)

1.一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，所述TB6钛合金大规格饼坯的原料采用真空自耗电弧炉三次熔炼生产的4吨级TB6钛合金铸锭，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一、高温均匀化热处理
将所述TB6钛合金铸锭加热到相变点以上温度并保温一定时间，用于使易偏析元素在高温条件下充分扩散；
步骤二、开坯锻造
将经过步骤一高温均匀化热处理后的TB6钛合金铸锭，进行1～3火次锻造，采用的工装为上平砧下圆台，锻造方式为镦粗和滚圆，锻造后空冷；
步骤三、中间方坯锻造
将经过步骤二开坯锻造后的坯料，加热到相变点以下60℃至相变点以上150℃之间，共进行4～8火次中间方坯锻造，采用的工装为上下平砧，锻造方式为镦粗和拔方，锻后空冷；
步骤四、中间棒坯锻造
将经过步骤三中间方坯锻造后的坯料，加热到相变点以下温度并保温，进行1火次锻造，采用的工装为上下平砧，锻造方式为拔长和倒棱角，坯料形状从方坯变为棒坯，锻后空冷；
步骤五、饼坯成形锻造
将经过步骤四中间棒坯锻造后的坯料，加热到相变点以下温度并保温，进行3～5火次锻造，采用的工装为上平砧下圆台，锻造方式为镦粗和滚圆，坯料形状从棒坯变为饼坯，锻后空冷；
其中，所述步骤一中温度设定为相变点以上350℃～400℃，保温时间设定为10h～20h；
所述步骤二中每火次为两镦两拔，每火次锻造比控制在2.5～5.0之间；
所述步骤三锻造时采用相变点以下锻造→相变点以上锻造→相变点以下锻造→相变点以上锻造的方式，包括共计3～6火次在相变点以下30℃～60℃的锻造和1～2火次在相变点以上30℃～150℃的锻造，每火次均为一镦一拔，每火次锻造比控制在2.0～4.0之间；
所述步骤四中温度设定为相变点以下30℃～60℃，保温时间设定为8h～12h，锻造比控制在1.5～2.5之间；
所述步骤五中温度设定为相变点以下30℃～60℃，保温时间设定为8h～12h，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间。
2.根据权利要求1所述的一种组织和性能高均匀性的TB6钛合金大规格饼坯制备方法，其特征在于，所述制备方法用于生产厚度在400mm～600mm，直径在1100mm～1300mm的TB6钛合金饼坯。
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