CN115488276A

CN115488276A - 一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺

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Publication number: CN115488276A
Application number: CN202210956795.8A
Authority: CN
Inventors: 赵子博; 杨久旭; 王清江; 孙昊; 张博华; 刘建荣; 陈志勇; 朱绍祥; 李文渊; 王磊; 刘建
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2022-08-10
Filing date: 2022-08-10
Publication date: 2022-12-20

Abstract

本发明公开了一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，包括将合金铸锭在1130～1230℃完成开坯锻造，然后所得坯料在β相变点以上10～30℃进行锻造，锻后油冷，再将坯料加热至860～880℃保温4～6h后随炉升温至1000～1010℃进行镦拔变形，所得坯料再在β相变点以上10～30℃进行锻造，锻后油冷，再将坯料加热至860～880℃保温4～6h后随炉升温至1000～1010℃进行镦拔变形，之后坯料在T_β最后将坯料在β相变点以下50～40℃进行6～8火次的镦拔变形，最后坯料在950～960℃进行成形，得到锻坯；对锻坯进行固溶+时效热处理，获得整体叶盘锻件毛坯。该工艺适用于制备600mm至1000mm，高度在60mm至100mm的整体叶盘锻件，锻件的组织均匀性和性能一致性优于传统工艺。

Description

一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺

技术领域

本发明属于新材料加工领域，具体涉及到一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺。

背景技术

600℃高温钛合金是指在航空发动机600℃工况条件下长期服役的高温钛合金，是航空发动机的关键材料。新一代航空发动机为满足更高的推重比的设计需求，压气机盘级数进一步减少，同时采用高温钛合金代替传统的镍基高温合金，对耐高温的钛合金提出更高的要求。

目前采用传统工艺制造大尺寸整体叶盘存在多种问题，包括成型难度大，组织均匀性较差，性能稳定性控制难度大，整体叶盘的室温拉伸性能，热稳定性能及断裂韧性常常出现不达标情况。因此必须从成分设计和热加工工艺基础研究出发，从根本上解决问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺；相比传统工艺，该工艺适合制备大尺寸整体叶盘锻件，锻件的组织均匀性和冶金质量稳定性较传统工艺显著提高；本发明操作简单、流程短、稳定性高，适用于工业化生产。

本发明提供一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)首先将600℃用高温钛合金铸锭加热至1130℃～1230℃，保温15h～35h后出炉锻造，完成1次镦、拔变形；然后回炉保温1h～2h后再完成 1次镦、拔变形，每次镦粗下压变形速率在0.2s^-1～0.08s^-1，单次镦粗变形量不小于50％，锻后空冷，得到坯料；

步骤2)将步骤1中所得坯料在β相变点以上10℃～30℃进行1火次镦、拔变形，镦粗下压变形速率在0.2s^-1～0.08s^-1之间，镦粗变形量≥50％，锻后水冷；

步骤3)将坯料加热至900℃～920℃保温6h～8h后随炉升温至 1000℃～1010℃进行1火次的镦、拔变形，镦粗下压速率在0.05s^-1～0.04s^-1之间，镦粗变形量在35％～45％之间；

步骤4)重复步骤2一次；

步骤5)重复步骤3一次；

步骤6)坯料在β相变点以下50℃～40℃进行6～8火次的镦、拔变形，要求每火次镦粗速率在0.05s^-1～0.04s^-1之间，变形量在30％～50％之间，的累计锻比≥3.3，终锻温度不低于910℃；

步骤7)将坯料在970℃～990℃进行成形，要求每火次变形速率在 0.005s^-1～0.05s^-1之间，下压量在30％～40％之间，得到锻坯；

步骤8)将步骤7)得到的锻坯进行固溶+时效热处理，其中固溶热处理制度为：T_β以下10℃～30℃之间，保温1h～3h，出炉后油冷；时效热处理为：680℃～720℃保温6h～10h后空冷。

所述一种高均匀性600℃高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其优选方案为，600℃用高温钛合金铸锭的成分质量百分比为，Al： 5.0％～6.0％，Sn：3.5％～4.5％，Zr：2.0％～4.0％，Mo：0.2％～1.2％，Si：0.2％～1.0％，Nb：0.2％～0.8％，Ta：0.2％～1.5％，C：0.01％～0.08％，其余为Ti和其他不可避免的杂质元素。

所述一种高均匀性600℃高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其优选方案为，步骤3)中为防止开裂，锻坯经过镦粗后需回炉保温2h后再进行拔长。

所述一种高均匀性600℃高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其优选方案为，步骤6)中所采用的成形方式为等温或近等温成形工艺；采用等温或近等温模锻成形工艺时，模具加热至坯料加热温度以下0℃～60℃，坯料变形速率为0.005s^-1～0.05s^-1。

本发明的有益效果：

1)本发明制备的整体叶盘锻件的直径在600mm至1000mm，高度在 60mm至100mm，锻件各部位的组织均匀性，性能稳定；

2)本发明所述锻件任意部位的室温拉伸抗拉强度不低于1040Mpa，屈服不低于在950Mpa，延伸率不低于12.0％，面缩不低于20％。试样经600℃热暴露100h后的延伸率不低于5.0％，面缩不低于8％。600℃拉伸抗拉强度不低于660Mpa，屈服不低于550Mpa，延伸率不低于20.0％，面缩不低于40％；

本发明从热加工工艺出发，通过工艺优化解决600℃高温钛合金大尺寸整体叶盘锻件的强韧性匹配，组织均匀性及力学性能稳定的关键问题，以保证整体叶盘部件的长寿命和高可靠性。

附图说明

图1为实施例1制备的锻坯表面附近的高倍组织图片；

图2为实施例1制备的锻坯中心的高倍组织照片；

图3为实施例2制备的锻坯表面附近的高倍组织照片；

图4为实施例2制备的锻坯中心的高倍组织照片；

图5为实施例3和实施例4模锻件示意图；

图6为实施例3制备的模锻件轮缘高倍组织图片；

图7为实施例3制备的模锻件辐板高倍组织图片；

图8为实施例3制备的模锻件轮毂高倍组织图片；

图9为实施例3制备的模锻件轮缘高倍组织图片；

图10为实施例3制备的模锻件辐板高倍组织图片；

图11为实施例3制备的模锻件轮毂高倍组织图片。

具体实施方式

实施例1：

本实施例选用600℃用高温钛合金铸锭尺寸为直径680mm，长度 1200mm，化学成分为：5.57Al-3.76Sn-3.38Zr-0.5Mo-0.35Si-1.01Ta-0.4Nb- 0.058C，其余为Ti和不可避免的杂质元素，β转变温度为1042℃；

步骤1)首先将钛合金铸锭加热至1150℃，保温24h后出炉锻造，完成1次镦、拔变形；然后回炉保温2h后再完成1次镦、拔变形，每次镦粗下压变形速率为0.1s^-1，单次镦粗变形量不小于50％，锻后空冷，得到钛合金坯料；

步骤2)将步骤1)中所得坯料在β相变点以上15℃进行1火次的镦、拔变形，镦粗下压速率为0.1s^-1，变形量约为52％，锻比为3.8，锻后水冷；

步骤3)将坯料加热至910℃保温7h后随炉升温至1010℃进行1火次镦、拔变形，镦粗下压速率为0.05s^-1，变形量约为40％，锻后空冷；

步骤4)重复步骤2一次；

步骤5)重复步骤3一次；

步骤6)将坯料加热至995℃进行6火次的镦、拔变形，每火次的镦粗下压速率为0.05s^-1，镦粗变形量在36％～42％之间，累计锻比在3.4～3.6之间，终锻温度均在920℃以上；

步骤7)根据锻件的设计尺寸，采用锯床下料，将坯料在980℃进行成形，成形下压变形量为41％，变形速率为0.01s^-1，得到锻坯；

步骤8)最后锻坯进行固溶+时效热处理，其中固溶热处理制度为： 1023℃，保温3小时，出炉后油冷；时效热处理为：700℃保温8小时后空冷，最后表面车光，得到直径800mm，高度100mm的锻坯。

实施例2：

本实施例为实施例1的对比例，选用的铸锭尺寸、化学成分、β转变温度同实施例1完全相同。

本实施例在步骤3和步骤5中将锻坯直接升温至1010℃进行镦、拔变形，其他步骤同实施例1完全相同，最终得到直径800mm，高度100mm的锻件。

对实施例1和实施例2的锻件进行组织表征及力学性能分析对比：实施例1锻件的高倍组织为为双态组织，初生α含量约为15％，且尺寸均匀，弥散分布，原始β晶粒细小，不同位置的组织差异不明显，具有较高的一致性(图1、图2)。锻件各个位置的室温拉伸强度可达到1040MPa以上，同时具有良好的塑性。锻件高温拉伸性能优异，600℃拉伸强度可达到650MPa。锻件经600℃/100h热暴露后，室温拉伸强度不低于1040MPa，延伸率在5％以上。锻件各个位置的力学性能差异相对较小，具有较高的一致性。实施例2锻件高倍组织同样为双态组织，初生α含量约为15％，锻件不同位置的初生α和原始β晶粒尺寸存在明显差异(图3、图4)。拉伸试验结果显示，锻件的力学性能明显低于实施例1，且不同位置之间存在着较大的差异。

表1实施例1中锻件的拉伸性能

表2实施例1中热稳定性

表3实施例2锻件室温拉伸性能

表4实施例2锻件热稳定性

实施例3：

本实施例选用的600℃用高温钛合金铸锭尺寸为直径680mm，长度 1200mm，化学成分为：5.62Al-3.66Sn-3.41Zr-0.6Mo-0.38Si-0.95Ta-0.42Nb- 0.061C，其余为Ti和不可避免的杂质元素，β转变温度为1041℃。

步骤1)首先将铸锭加热至1150℃，保温24h后出炉锻造，完成1次镦、拔变形；然后回炉保温2h后再完成1次镦、拔变形，每次镦粗下压变形速率为0.1s^-1，单次镦粗变形量不小于50％，锻后空冷，得到钛合金坯料；

步骤2)将步骤1)中所得坯料在β相变点以上15℃进行1火次的镦、拔变形，镦粗下压速率为0.1s^-1，变形量为51％，累计锻比为3.8，锻后水冷；

步骤3)将坯料加热至910℃保温8h后随炉升温至1005℃进行镦粗，随后将坯料回炉保温2h后进行拔长，镦粗下压速率约为0.05s^-1，变形量为 55％；

步骤4)重复步骤2一次；

步骤5)重复步骤3一次；

步骤6)将坯料加热至995℃进行8火次的镦、拔变形，每火次的镦粗下压速率为0.04s^-1,下压量在36％～42％之间，累计锻比在3.3～3.8之间，终锻温度不低于915℃；

步骤7)根据最后锻件的设计尺寸，采用锯床下料，锻件采用近等温模锻工艺成型，模具加热温度为920℃，将坯料加热至980℃进行成形，变形速率为0.01s^-1，变形量为40％，锻后空冷，得到模锻件毛坯；

7)对锻件毛坯进行固溶+时效热处理，其中固溶热处理制度为：1023℃，保温2小时，出炉后油冷；时效热处理制度为：700℃保温8小时后空冷，最后表面车光，得到直径1000mm，高度80mm的锻件。

实施例4

本实施例为实施例3的对比例，选用的铸锭尺寸、化学成分、β转变温度同实施例3完全相同。

本实施例在步骤3和步骤5中将锻坯直接升温至1005℃进行镦、拔变形，其他步骤同实施例1完全相同，最终得到直径1000mm，高度80mm的锻件。

对实施例3和实施例4的锻件进行组织及力学性能分析对比：实施例3 锻件显微组织为双态组织，初生α含量约为15％，呈弥散状分布，原始β晶粒尺寸均匀，锻件各个位置的组织差异不明显，具有较高的一致性(图 6～8)。锻件室温拉伸强度不低于1040MPa，同时具有较高的塑性，锻件600℃拉伸强度不低于660MPa；锻件经600℃/100h热暴露后，室温拉伸强度不低于1040MPa，延伸率在5％以上，锻件各个位置的力学性能差异较小。实施例4锻件高倍组织同样为双态组织，初生α含量约为15％，锻件不同位置的初生α相尺寸及分布状态具有明显差异，且原始β晶粒尺寸不均匀， (图9～11)。同实施例3相比，实施例4锻件抗拉较低，且锻件不同位置力学性能存在较大差异，整体性能相对较差。

表5实施例3中锻件的拉伸性能

表6实施例3中热稳定性

表7实施例4中锻件力学性能

表8实施例4中锻件热稳定性能

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

1.一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)首先将600℃用高温钛合金的铸锭加热至1130℃～1230℃，保温15h～35h后出炉锻造，完成1次镦、拔变形；然后回炉保温1h～2h后再完成1次镦、拔变形，每次镦粗下压变形速率在0.2s^-1～0.08s^-1，单次镦粗变形量不小于50％，锻后空冷，得到坯料；

步骤2)将步骤1中所得坯料在β相变点以上10℃～30℃进行1火次镦、拔变形，镦粗下压变形速率在0.2～0.08^-1之间，镦粗变形量≥50％，锻后水冷；

步骤3)将坯料加热至900℃～920℃保温6h～8h后随炉升温至1000℃～1010℃进行1火次的镦、拔变形，镦粗下压速率在0.05s^-1～0.04s^-1之间，镦粗变形量在35％～45％之间；

步骤4)重复步骤2一次；

步骤5)重复步骤3一次；

步骤6)坯料在β相变点以下50℃～40℃进行6～8火次的镦、拔变形，要求每火次镦粗速率在0.05s^-1～0.04s^-1之间，变形量在30％～50％之间，累计锻比≥3.3，终锻温度不低于910℃；

步骤7)将坯料在970℃～990℃进行成形，要求每火次变形速率在0.005s^-1～0.05s^-1之间，下压量在30％～40％之间，得到锻坯；

2.按照权利要求1中所述一种高均匀性600℃高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其特征在于：600℃用高温钛合金铸锭的成分含量百分比为，Al：5.0％～6.0％，Sn：3.5％～4.5％，Zr：2.0％～4.0％，Mo：0.2％～1.2％，Si：0.2％～1.0％，Nb：0.2％～0.8％，Ta：0.2％～1.5％，C：0.01％～0.08％，其余为Ti和其他不可避免的杂质元素。

3.按照权利要求1中所述一种高均匀性600℃高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其特征在于：步骤6)中所采用的成形方式为等温或近等温成形工艺；采用等温或近等温模锻成形工艺时，模具加热至坯料加热温度以下0℃～60℃，坯料变形速率为0.005s^-1～0.05s^-1。

4.按照权利要求1-3中所述一种高均匀性600℃用高温钛合金大尺寸细晶整体叶盘的制备工艺，其特征在于：采用该工艺制备可得到直径在600mm至1000mm，高度在60mm至100mm的整体叶盘锻件。