CN115446233A

CN115446233A - 一种高断裂韧性、低各向异性Ti2AlNb大尺寸环件的制造方法

Info

Publication number: CN115446233A
Application number: CN202210923217.4A
Authority: CN
Inventors: 赵子博; 王清江
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明属于钛及钛合金加工领域，具体提供了一种高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：1）坯料加热：将在两相区或三相区制备的Ti₂AlNb环坯加热至T_β转变温度以上40℃~120℃，热透后保温1~4h出炉；2）成形：环坯出炉后快速转移至压力机上镦粗至工艺高度，然后快速转移至环轧机，扩孔至工艺尺寸；3）热处理：环件在900~1030℃温度下保温后冷却，然后经760~850℃空冷热处理后，得到网篮组织的Ti₂AlNb钛合金大尺寸环件。采用该工艺制备的产品为网篮组织，环件沿弦向、径向和轴向的差异较小，适用于制备航空航天用大尺寸环件。

Description

一种高断裂韧性、低各向异性Ti2AlNb大尺寸环件的制造方法

技术领域

本发明属于钛及钛合金加工领域，特别提供一种高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法。

背景技术

Ti₂AlNb合金具有高比强度、低热膨胀系数、高比模量等显著优点，在航空航天领域用于替代部分高温合金，实现结构减重的备选材料，该材料在650~800℃的性能具有突出的优势，但该合金存在本征塑性较低，断裂韧性差等突出问题，限制了合金的应用。

目前，大尺寸环件进行β相区的成形一般采用的是β相区一火次环扎的方式，例如：专利《一种网篮组织钛合金大规格环件的制造方法》（申请号：202010194868.5）和《大规格Ti₂AlNb合金环件及其制造方法》（申请号：202011542728.9）均采用了上述主导工艺思路进行。但是我们研究发现，在制备大尺寸环件时，上述工艺存在因环件内径太小而导致环轧变形量不足，进而导致环件塑形不足，或者环件沿单一流动方向过大而导致不同方向力学性能差异过大等问题。鉴于此，本发明提供一种新的Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法。

发明内容

本发明公开了一种高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，采用该方法制备得到的高温钛合金环件为网篮组织，环件沿弦向、径向和轴向的差异较小，适用于制备航空航天用大尺寸环件，与传统双态组织环件相比，其高温蠕变、持久抗力和断裂韧性较传统工艺大幅提升。

本发明技术方案如下：

一种高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）坯料加热：将在两相区或三相区制备的Ti₂AlNb环坯加热至T_β转变温度以上40℃~120℃，热透后保温1~4h出炉；

2）成形：环坯出炉后快速转移至压力机上镦粗至工艺高度，然后快速转移至环轧机，扩孔至工艺尺寸；

3）热处理：环件在900~1030℃温度下保温后冷却，然后经760~850℃空冷热处理后，得到网篮组织的Ti₂AlNb钛合金大尺寸环件。

作为优选的技术方案：

步骤1）所选用的坯料是经过两相区或三相区环扎或马架扩孔得到的。

步骤1）中，加热前在坯料表面涂覆防降温涂料，以减少坯料变形过程中的温度降低，确保T_β相变点以上的变形量；或者在加热完成后将坯料取出，在坯料表面包覆带有玻璃粘结剂的石棉后再回炉保温30~60min，以减少坯料变形过程中的温度降低，确保T_β相变点以上的变形量。进一步优选地，轧制成型后，环件附带表面的石棉，或覆盖厚度在2~10mm的石棉慢冷。

步骤2）中，环坯的镦粗变形量在25~35%，镦粗速率不大于0.1s^-1，环扎扩孔的一次轧制成型的变形量在35%~50%，并保证镦粗+环轧总变形量不低于60%；环件的终轧温度不低于合金T_β相变点以下15℃，环件在T_β相变点以上的变形量大于总变形量的85%。

步骤2）中，环坯出炉后在20s内转移至压力机上镦粗至工艺高度，然后在30s内转移至环轧机上进行扩孔。

步骤3）中，环件的热处理制度为930~990℃下保温1~4h后油冷，或在冷速介于油冷和风冷的介质中冷却，然后经760~790℃保温10~25h后空冷。

本发明所述方法用于制备Ti₂AlNb大尺寸环件，所述环件的外径大于530mm，内径大于450mm。

采用本发明所述方法制备得到的Ti₂AlNb大尺寸环件，其特征在于：所述环件弦向、轴向和径向室温拉伸抗拉强度均不低于1060 Mpa，屈服强度均不低于970 Mpa，且不同方向抗拉强度、屈服强度的平均差值不高于30Mpa；弦向延伸率不低于10%，面缩不低于13%；轴向和径向的延伸率不低于8%，面缩不低于11%，且不同方向平均延伸率和面缩的差值不高于3%；合金室温R-C方向的断裂韧性为40~50 Mpa·m^1/2。

本发明的有益效果为：

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1. 本发明制备的钛合金环件采用压缩和环扎两种工艺结合的方式得到网篮组织，适用于制备大尺寸的环件，通过镦粗和环轧变形量的匹配使环件沿不同方向的性能差异较小。

2. 通过加热温度、变形量和变形速度的组合，使合金B2相晶界发生锯齿化，晶界的“波动幅度”较大，合金塑形和韧性优于传统工艺制备的网篮组织。

锯齿晶界的形成可以通过提高相邻晶粒之间的约束和提高晶界滑移的抗力起到强化材料的作用。因此，与传统双态组织的锻件相比，材料的蠕变、持久抗力大幅提升，与传统工艺制备的网篮组织相比，本发明制备得到的合金的各向异性较低。例如本发明制备的环件弦向、轴向和径向室温抗拉强度均不低于1060 Mpa，屈服强度均不低于970 Mpa，且不同方向抗拉强度、屈服强度的平均差值不高于30Mpa；弦向延伸率不低于10%，面缩不低于13%；轴向和径向的延伸率不低于8%，面缩不低于11%，且不同方向平均延伸率和面缩的差值不高于3%；合金室温R-C方向的断裂韧性为40~50 Mpa·m^1/2。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的Ti₂AlNb环件的高倍组织照片。

图2为本发明实施例2制备的Ti₂AlNb环件的高倍组织照片。

图3为本发明实施例3制备的Ti₂AlNb环件的高倍组织照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例采用的原材料是规格为Ф700×Ф495×400mm的Ti₂AlNb钛合金环坯，重量为410kg，合金各成分的重量百分比为Al：10.8%，Nb：42%，Mo：0.95%，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金铸锭的T_β转变温度为1050℃；环坯是经过两相区或三相区热变形得到，组织为双态组织，低倍组织为模糊晶。环件的制备过程如下：

1）坯料加热：利用电阻丝加热炉将Ti₂AlNb钛合金坯料加热至1120℃，热透后继续保温4h，加热完成后将坯料取出，在坯料表面包覆带有玻璃粘结剂的石棉后再回炉保温45min出炉锻造。

2）成形：坯料出炉后15s内快速转移至压力机上进行镦粗锻造，镦粗操作为Ф700×Ф495×400mm→~Ф750×~Ф480×300mm，以0.08s^-1的应变速率进行镦粗，镦粗变形量为25%；镦粗后将坯料在25s内快速转移至Φ800mm环轧机上进行轧制，经扩孔轧制得到外径为1150mm，内径为950mm，高度为300mm的Ti₂AlNb钛合金环锻件，轧制变形量为44%，该环锻件由坯料一火次成形，其镦粗和环轧的总变形量为69%，总计变形时间为4分25秒，终轧温度为1000℃，其中环扎至外径为1000mm，内径930mm时，环件的表面温度约1050℃，已经完成总变形的87%，轧制成型后环件附带表面的石棉慢冷。

3）热处理：对得到的环件进行双重热处理，第一重热处理为960℃保温2小时后油冷，第二重热处理为780℃保温24小时后空冷，得到网篮组织的钛合金环件。

经实施例1制备的Ti₂AlNb钛合金环件，其高倍组织照片如图1所示，性能测试结果如表1所示：

表1 实施例1中Ti₂AlNb环件的力学性能

实施例2：

本实施例采用的原材料是规格为Ф470×Ф150×290mm的Ti₂AlNb钛合金环坯，重量为238kg，合金各成分的重量百分比为Al：11%，Nb：43%，Mo：0.88%，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金铸锭的T_β转变温度为1055℃；环坯是经过两相区或三相区热变形得到，组织为双态组织，低倍组织为模糊晶。环件的制备过程如下：

1）坯料加热：利用电阻丝加热炉将Ti₂AlNb钛合金棒材加热至1130℃，热透后继续保温2h，加热完成后将坯料取出，表面包覆带有玻璃粘结剂的石棉后再回炉保温30min出炉。

2）成形：坯料出炉后15s内快速转移至压力机上进行镦粗锻造，镦粗操作为Ф470×Ф150×290mm→~Ф530×~Ф150×220mm，以0.06s^-1的应变速率进行镦粗，镦粗变形量为25%；镦粗后将坯料在15s内快速转移至Φ800mm环轧机上进行轧制，经扩孔轧制得到外径为750mm，内径为550mm，高度为220mm的Ti₂AlNb钛合金环锻件，轧制变形量为48%，该环锻件由坯料一火次成形，其镦粗和环轧的总变形量为73%，总计变形时间为3分43秒，终轧温度为1052℃，其终锻温度仅低于T_β相变点3℃，超95%以上的变形在T_β相变点以上完成，轧制成型后环件附带表面的石棉慢冷。

3）热处理：对得到的环件进行双重热处理，第一重热处理为970℃保温2小时后油冷，第二重热处理为780℃保温24小时后空冷，得到网篮组织的钛合金环件。

经实施例2制备的Ti₂AlNb钛合金环件，其高倍组织照片如图2所示，性能测试结果如表2所示：

表2 实施例2中Ti₂AlNb环件的力学性能

实施例3：

本实施例采用的原材料是规格为Ф600×Ф430×240mm的Ti₂AlNb钛合金环坯，重量为174kg，合金各成分的重量百分比为Al：11.3%，Nb：43%，Mo：0.6%，余量为Ti和其他不可避免的杂质元素，金相法检测合金铸锭的T_β转变温度为1060℃；环坯是经过两相区或三相区热变形得到，组织为双态组织，低倍组织为模糊晶。环件的制备过程如下：

1）坯料加热：利用电阻丝加热炉将Ti₂AlNb钛合金坯料加热至1130℃，热透后继续保温3h，加热完成后将坯料取出，表面包覆带有玻璃粘结剂的石棉后再回炉保温60min出炉。

2）成形：坯料出炉后15s内快速转移至压力机上进行镦粗锻造，镦粗操作为Ф600×Ф430×240mm→~Ф648×~Ф411×178mm，以0.08s^-1的应变速率进行镦粗，镦粗变形量为30%；镦粗后将坯料在15s内快速转移至Φ800mm环轧机上进行轧制，经扩孔轧制得到外径为900mm，内径为770mm，高度为180mm的Ti₂AlNb钛合金环锻件，轧制变形量为42%，该环锻件由坯料一火次成形，其镦粗和环轧的总变形量为72%，总计变形时间为4分零9秒，终轧温度为1048℃，有接近90%的变形是在T_β相变点以上完成的，环件轧制成型后覆盖厚度为5mm的石棉慢冷。

3）热处理：对得到的环件进行双重热处理，第一重热处理为940℃保温2小时后油冷，第二重热处理为760℃保温24小时后空冷，得到网篮组织的钛合金环件。

经实施例3制备的Ti₂AlNb钛合金环件，其高倍组织照片如图3所示，性能测试结果如表3所示：

表3 实施例3中Ti₂AlNb环件的力学性能

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.按照权利要求1所述高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于：步骤1）所选用的坯料是经过两相区或三相区环扎或马架扩孔得到的。

3.按照权利要求1所述高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于：步骤1）中，加热前在坯料表面涂覆防降温涂料，或者在加热完成后将坯料取出，在坯料表面包覆带有玻璃粘结剂的石棉后再回炉保温30~60min。

4.按照权利要求1所述高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于：步骤2）中，环坯的镦粗变形量在25~35%，镦粗速率不大于0.1s^-1，环扎扩孔的一次轧制成型的变形量在35%~50%，并保证镦粗+环轧总变形量不低于60%；环件的终轧温度不低于合金T_β相变点以下15℃，环件在T_β相变点以上的变形量大于总变形量的85%。

5.按照权利要求1所述高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于：步骤2）中，环坯出炉后在20s内转移至压力机上镦粗至工艺高度，然后在30s内转移至环轧机上进行扩孔。

6.按照权利要求1所述高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于：步骤3）中，环件的热处理制度为930~990℃下保温1~4h后油冷，或在冷速介于油冷和风冷的介质中冷却，然后经760~790℃保温10~25h后空冷。

7.按照权利要求1所述高断裂韧性、低各向异性Ti₂AlNb大尺寸环件的制造方法，其特征在于：所述环件的外径大于530mm，内径大于450mm。

8.一种采用权利要求1所述方法制备得到的Ti₂AlNb大尺寸环件，其特征在于：所述环件弦向、轴向和径向室温抗拉强度均不低于1060 Mpa，屈服强度均不低于970 Mpa，且不同方向抗拉强度、屈服强度的平均差值不高于30Mpa；弦向延伸率不低于10%，面缩不低于13%；轴向和径向的延伸率不低于8%，面缩不低于11%，且不同方向平均延伸率、面缩的差值不高于3%；合金室温R-C方向的断裂韧性为40~50 Mpa·m^1/2。