CN115519061A - 一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：1)开坯锻造；2)中间锻造；3)低温改锻冲孔扩孔；4)碾环轧制成形；5)成品机加工。本发明制备方法克服传统工艺的弊端，其采用三火次开坯锻造+多火次两相区锻造+低温冲孔扩孔后再碾环轧制工艺，有效提高近α钛合金大规格锻件生产效率、降低加工成本、提高组织均匀性和批次稳定性；且经过实际检测，锻件表面粗糙度小于1.6μm，超声探伤满足GB/T 5193A1级，在6mol/L硝酸溶液和核乏料模拟溶液的混合溶液中进行全浸腐蚀试验，其腐蚀速率小于0.1mm/年，其余各性能指标均满足技术要求。

Description

一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种近α钛合金大规格(外径大于1500mm)扇形薄壁锻件的制备方法，以使该锻件能够应用于高浓度硝酸环境中。

背景技术

众所周知，核能作为一种清洁能源，具有安全、高效、经济、清洁等优点，是人类最具希望的未来能源之一，目前人类已将其运用于军事、能源、工艺、航天等领域。其中，乏燃料后处理技术是对核反应堆中卸出的乏燃料的最广泛的一种处理方式，该技术不仅能充分利用核燃料的功能，提高核燃料利用能力，为人类造福，更重要的是减少了体积，降低放射性，为核废料保存创造了条件。核电站乏燃料后处理技术是核燃料循环后段最重要的一个环节，是核燃料闭式循环和核能可持续发展的关键。

本领域人员所知，乏燃料后处理器长期处于高浓度沸腾硝酸、高氧化性离子和高放射性环境中，因此对酸处理器的耐腐蚀性提出了严格要求，国际上乏燃料后处理器通常采用的材料为超低碳奥氏体不锈钢，但是该材料长期工作在强酸和高放射性环境中，很容易发生晶间腐蚀，而钛及钛合金很容易与氧结合产生氧化膜，在高浓度沸腾硝酸、高氧化性离子和高放射性介质中可以保持钝化。另据研究表明近α钛合金在高温状态下的高浓度硝酸中具有优异的耐腐蚀性，并对辐照不敏感和具有良好的加工性，因此，近α钛合金成为超低碳奥氏体不锈钢在乏燃料后处理器关键设备用材料的替代品。

现有近α钛合金主要应用于乏燃料后处理器溶解器的换热管和料液管道等部位，近α钛合金大规格扇形薄壁锻件做为溶解器循环槽的堵头，设备的使用寿命对其力学性能有着较高要求。通常扇形薄壁锻件是通过镦拔一定火次的矩形锻件后，再使用快锻机和型砧改锻成扇形，这种加工方式采用自由锻锻造，由于钛合金锻造过程对终锻温度要求较高，锻造坯料较小，物料温降较快，成形必须多火次回炉完成，锻件尺寸差异大，加工余量大，且过程可控性较差，质量稳定性差；且由于成形必须多火次回炉完成，因而对组织性能有一定影响。也就是说，现有采用自由锻造制备技术制备扇形薄壁锻件，存在锻造成本高、成品率低、批次稳定性差、市场核心竞争力差等问题。加之国内对近α钛合金的腐蚀性能、腐蚀行为、钝化膜及过渡层的研究、板材加工工艺、管材的加工工艺等进行了大量研究，但对近α钛合金大规格扇形薄壁锻件制备研究鲜少。

有鉴于此，本发明人提出一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，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，提供一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，该制备方法克服传统钛合金扇形薄壁锻件需使用快锻机和型砧多火次改锻成型带来的各种弊端，提高了近α钛合金大规格薄壁锻件生产效率、降低加工成本、提高批次产品的稳定性，且经过实际检测，锻件表面粗糙度小于1.6μm，超声探伤满足GB/T5193 A1级，其余各性能指标均满足技术要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、步骤一、开坯锻造：在相变点以上进行三火次镦拔锻造，且第二火次镦拔锻造时采用高温均匀化处理，用于充分破碎原始铸态组织以获得开坯后的坯料；

步骤二、中间锻造：将步骤一开坯后的坯料在相变点以下、以每火次保温温度呈台阶式下降的方式进行多火次保温锻造，以获得均匀细小的组织，且最后一火次的锻造方式为拔长；

步骤三、低温改锻冲孔扩孔：在相变点温度以下通过马架扩孔制备满足后续碾环轧制变形量要求的环坯；

步骤四、碾环轧制成形：在相变点温度以下，碾环轧制至预定环件尺寸；

步骤五、成品机加工：通过机加工去除步骤四环件内外表面以及两端面的氧化皮，再使用水切割将所述环件切割至所需弧度的扇形薄壁锻件。

进一步地，所述步骤一开坯锻造时三火次镦拔锻造的具体过程为：

第一火次：加热温度为1000℃～1040℃，加热系数0.45～0.6，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，拔长速率≤40mm/s，锻造完成后空冷；

第二火次：加热温度为1150℃～1180℃，保温时间为50～55小时，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，拔长速率≤40mm/s，端部送进量为350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，锻造完成后空冷；

第三火次：加热温度为1000℃～1040℃，加热系数0.45～0.6，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，拔长速率≤40mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，锻造完成后空冷。

进一步地，所述步骤一中开坯锻造时，第一火次使用的工模具为900mm宽的上平砧和1200mm宽的下平砧，拔长方式为径向拔长；第二火次和第三火次使用的工模具相同，均为650mm宽的上平砧和1200mm宽的下平砧，且拔长方式均为轴向拔长。

进一步地，所述步骤一开坯锻造时，第二火次加热前向坯料表面多次均匀涂覆涂层，所述涂层为涂料和粘结剂的混合溶液，且出炉锻造前进行石棉包裹；

其中，所述粘结剂选用型号NJ-1，按涂料：粘结剂＝1:1比例配置，充分搅拌使涂料和粘结剂均匀混合，搅拌后溶液不能有絮状或结块现象。优选的，涂覆时第一遍涂层完成后，间隔1h～6h后进行下一次刷涂层；刷三次涂层后加热。

进一步地，所述步骤二中间锻造的具体过程为：在相变点以下30℃～70℃温度范围内进行多火次保温和锻造，单火次保温温度呈逐步下降状态，加热系数为0.60～0.80，镦拔锻比为1.5～1.8，镦粗速率≤20mm/s，端部采用小送进量变形，拔长速率≤40mm/s，拔长方式为反复式拔长，减小棒材两端棒材终锻温度差异，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，最终完成锻造后进行倒八方处理，锻后空冷。

进一步地，所述步骤二中间锻造时，所使用的工模具为上下都是650mm宽的平砧，拔长方式为轴向拔长。

进一步地，所述步骤三低温改锻冲孔扩孔的具体过程为：先将步骤二处理后的毛坯在相变点以下40℃～60℃温度范围内保温，加热系数为0.60～0.80，镦粗至满足冲孔尺寸的坯料，再用合适的冲头进行冲孔，从坯料中分离出的冲芯，并进行扩孔，单火次控制扩孔过程时间≤15min，若超出时间后热料回炉保温直至扩孔完成，直至制备出满足后续碾环轧制变形量要求的环坯。

进一步地，所述步骤三改锻前采用石棉包裹坯料。

进一步地，所述步骤四碾环轧制成形的具体过程为：将步骤三得到的胚料在相变点以下40℃～60℃温度范围内进行保温轧制，加热系数为0.60～0.80，单火次控制轧制过程时间≤15min，若超出时间后热料回炉保温直至轧制完成，回炉保温时间一般为60min～150min，以减少合金保温时间，提高生产效率。整个轧环过程避免因轧制时间过长环坯表层产生较大温降，造成环坯变形不均和锻造储能差异。

进一步地，所述步骤四碾环轧制成形时，使用的设备为碾环机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，摒弃了传统矩形锻件使用快锻机和型砧改锻成扇形工艺方案，本申请先采用在相变点以上的高温锻造将原始铸态组织得以充分破碎，获得细小均匀组织的坯料；然后在相变点温度以下分别进行中间锻造和低温改锻冲孔扩孔，且扩孔时采用马架扩孔以制备出满足后续碾环轧制变形量要求的环坯，并将产生的加工余料用于生产更小规格产品，提高材料的利用率，降低生产成本；接着在相变点温度以下，低温碾环轧制至所需尺寸环件，轧环过程采用热料回炉，避免因轧制时间过长环件表层产生较大温降，造成环件变形不均和锻造储能差异；最后采用水切割机加成所需弧度的扇形，成为成品。综上所述，采用本申请制备的近α钛合金大规格扇形薄壁锻件，经过实际验证，其组织均匀，室温拉伸性能和耐腐蚀性能满足核乏料后处理溶解器用材料要求，同时由于成形阶段回炉次数减少，降低了生产成本。

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是本发明一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法流程图；

图2是本发明实施例1制备的薄壁环件实物图；

图3是本发明实施例1制备的扇形薄壁锻件实物图；

图4是本发明实施例1制备的扇形薄壁锻件低倍组织图；

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，本发明提供一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，该制备方法包括以下步骤；

步骤一、开坯锻造：在相变点以上进行三火次镦拔，且第二火次镦拔锻造时采用高温均匀化处理，用于充分破碎原始铸态组织以获得开坯后的细小的β组织坯料；

具体的，第一火次：加热温度为1000℃～1040℃，加热系数0.45～0.6，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，慢速且分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，慢速拔长，拔长速率≤40mm/s，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用900mm宽的平砧，下砧使用1200mm宽的平砧，拔长方式为径向拔长。

第二火次：加热前刷涂层，粘结剂选用型号NJ-1，按涂料：粘结剂＝1:1比例配置，充分搅拌使涂料和粘结剂均匀混合，搅拌时间1～10min，搅拌后溶液不能有絮状或结块现象，将混合后的涂料均匀涂在物料表面，第一遍涂层完成后，间隔1h～6h后进行下一次刷涂层，刷三次涂层后加热；加热温度为1150℃～1180℃，保温时间为50～55小时，出炉锻造前进行包石棉，镦拔锻比为1.3～1.7之间，慢速且分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，慢速拔长，拔长速率≤40mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长。

第三火次：加热温度为1000℃～1040℃，加热系数0.45～0.6，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，慢速且分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，慢速拔长，拔长速率≤40mm/s，部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm；锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长。

步骤二、中间锻造：将步骤一开坯后的坯料在相变点以下、以每火次保温温度呈均匀的台阶式下降的方式进行多火次保温锻造，且最后一火次的锻造方式为拔长；

具体为，将经步骤一开坯锻造后的坯料在两相区进行多火次低温改锻，优选的，在相变点以下30℃～70℃温度范围内进行多火次保温和锻造，单火次保温温度呈台阶式下降状态，加热系数为0.60～0.80，镦拔锻比为1.5～1.8，慢速镦粗，镦粗速率≤20mm/s，慢速拔长，拔长速率≤40mm/s，拔长方式为反复式拔长，减小棒材两端棒材终锻温度差异，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm。最终完成锻造后进行倒八方处理，锻后空冷；工模具上砧和下砧均使用650mm平砧，拔长方式为轴向拔长。

步骤三、低温改锻冲孔扩孔：在相变点温度以下通过马架扩孔制备满足后续碾环轧制变形量要求的环坯；

具体为，先将步骤二处理后的毛坯在相变点以下40℃～60℃温度范围内保温，加热系数为0.60～0.80，镦粗至满足冲孔尺寸的坯料，再用合适的冲头进行冲孔，从坯料中分离出的冲芯，并进行扩孔，单火次控制扩孔过程时间≤15min，若超出时间后热料回炉保温直至扩孔完成，回炉保温时间为60min～150min，直至制备出满足后续碾环轧制变形量要求的环坯。采用热料回炉以减少坯料累积保温时间，避免合金显微组织粗大，并提高生产效率，降低生产成本；另外，冲芯为原始毛坯心部物料，可用于生产更小规格产品，提高材料利用率。

进一步，改锻前采用石棉包裹坯料，因而避免了由于坯料温度快速降低导致裂纹的产生，提高产品的质量。

步骤四、碾环轧制成形：在相变点温度以下，碾环轧制至预定环件尺寸；

具体为，将步骤三得到的环坯在相变点以下40℃～60℃温度范围内进行保温轧制，加热系数为0.60～0.80，单火次控制轧制过程时间≤15min，若超出时间后热料回炉保温直至轧制完成，回炉保温时间60min～150min，可最终获得不同规格的环件。整个轧环过程避免因轧制时间过长环坯表层产生较大温降，造成环坯变形不均和锻造储能差异。

其中，环件产品尺寸是由最终交付的成品尺寸在考虑氧化皮厚度基础上加上加工余量反推计算确定。

步骤五、成品机加工：通过机加工去除步骤四环件内外表面的氧化皮，再使用水切割将所述环件切割至所需弧度的扇形薄壁锻件。

说明：本申请中的加热系数单位为min/mm。

为了进一步验证本发明制备方法的功效，发明人以Ti35合金进行了如下具体的实施例：

实施例1(制备Φ2135/Φ1685×L环件)

1)开坯锻造：

选择铸锭规格为Ф620mm，铸锭β相变点890℃，第一火开坯加热温度1020℃，加热系数0.45，镦拔锻比1.3～1.55，慢速且分3锤镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用900mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为径向拔长；第二火锻造加热前刷涂层，粘结剂选用型号NJ-1，按涂料：粘结剂＝1:1比例配置，充分搅拌使涂料和粘结剂均匀混合，搅拌后溶液无絮状或结块现象，将混合后的涂料均匀涂在物料表面，第一遍涂层完成后，间隔3h后进行下一次刷涂层；刷三次涂层后加热。冷料加热温度1170℃，保温时间50h，出炉锻造前进行包石棉，锻比1.3～1.55，慢速且分3锤镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm。最终拔长后进行倒八方处理，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长；第三火次加热温度为1020℃，加热系数0.45，镦拔锻比1.3～1.55，慢速且分3锤镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，拔长方式为反复式拔长，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm。锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长。

2)中间锻造：

将步骤1)开坯锻造后的坯料在低于β相变点温度50℃～70℃下三次保温和锻造，单火次保温温度呈下降状态，即温度设置为840℃、830℃、820℃，加热系数采用0.6～0.75，镦拔锻比为1.5～1.73，最终拔长后进行倒八方处理，慢速镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm。每火次锻后空冷，工模具上砧和下砧均使用650mm平砧，火次拔长方式均为轴向拔长。最终得到八方尺寸为400mm。

3)低温改锻冲孔扩孔：

将步骤2)的毛坯在相变点以下50℃，即温度设置为840℃，加热系数0.6，出炉后采用石棉包裹坯料，再镦粗至满足冲孔尺寸的坯料，最后用合适的冲头进行冲孔，本实例镦粗至高度200mm，使用Φ350mm冲头，从坯料中分离出的冲芯，并进行扩孔，扩孔超15min后回炉保温150min直至扩孔尺寸为Φ1600/Φ1150×L后空冷，即得到所需环坯。

4)碾环轧制成形：

将步骤3)得到的环坯在相变点以下50℃温度，即温度设置为840℃，加热系数0.6，碾环轧制，使用设备为碾环机，碾环轧制过程时间若超15min后热料回炉保温150min，直至轧制尺寸为Φ2155/Φ1655×L时，将锻件空冷。

5)成品机加工：

通过切削设备对步骤4)得到的锻件进行机加工，以去除内表面、外表面、两端面的氧化皮部分，即得到Φ2135/Φ1685×L的钛合金环件(如图2所示)，再使用水切割，切割至所需弧度的扇形薄壁锻件(如图3所示)。

其中，图4是实施例1采用本申请制备方法制备出的扇形薄壁锻件低倍组织，可以看出低倍为细小的模糊晶，说明锻坯各位置变形均匀且充分，其表面粗糙度小于1.6μm，超声探伤符合GB/T 5193A1级，其余各性能满足技术协议要求，在6mol/L硝酸溶液和核乏料模拟溶液的混合溶液中进行全浸腐蚀试验，其腐蚀速率小于0.1mm/年，满足设备使用要求。下表1为实施例1的制备的环件产品热处理后室温力学性能情况，从数据可知其结果满足要求并且有一定富余量。

表1：实施例1制备的环件力学性能

实施例2(制备Φ1980/Φ1610×L环件)

1)开坯锻造：

选择铸锭规格为Ф620mm，铸锭β相变点900℃，第一火开坯加热温度1040℃，加热系数0.5，镦拔锻比1.4～1.6，慢速且分2锤镦粗，镦粗速率20mm/s，慢速拔长，拔长速率40mm/s，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为径向拔长；第二火锻造加热前刷涂层，粘结剂选用型号NJ-1，按涂料：粘结剂＝1:1比例配置，搅拌时间1～10min，使涂料和粘结剂均匀混合，搅拌后溶液不能有絮状或结块现象。将混合后的涂料均匀涂在物料表面，第一遍涂层完成后，间隔6h后进行下一次刷涂层；刷三次涂层后加热。冷料加热温度1180℃，保温时间52h，出炉锻造前进行包石棉，锻比1.4～1.6，慢速且分2锤镦粗，镦粗速率20mm/s，慢速拔长，拔长速率40mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，最终拔长后进行倒八方处理，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长；第三火次加热温度为1040℃，加热系数0.5，镦拔锻比1.4～1.6，慢速且分2锤镦粗，镦粗速率20mm/s，慢速拔长，拔长速率40mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长。

2)中间锻造：

将步骤1)开坯锻造后的坯料在低于β相变点温度40℃～60℃下三次保温和锻造，单火次保温温度呈下降状态，即温度设置为860℃、850℃、840℃，加热系数采用0.6～0.75，镦拔锻比为1.6～1.75，最终拔长后进行倒八方处理，慢速镦粗，镦粗速率20mm/s，慢速拔长，拔长速率40mm/s，拔长方式为反复式拔长，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm。每火次锻后空冷，工模具上砧和下砧均使用650mm平砧，火次拔长方式均为轴向拔长，最终得到八方尺寸为400mm。

3)低温改锻冲孔扩孔：

将步骤2)的毛坯在相变点以下60℃，即温度设置为840℃，加热系数0.7，出炉后采用石棉包裹坯料，再镦粗至满足冲孔尺寸的坯料，最后用合适的冲头进行冲孔，本实例镦粗至高度250mm，使用Φ350mm冲头，从坯料中分离出的冲芯，并进行扩孔，扩孔超15min后回炉保温150min直至扩孔尺寸为Φ1560/Φ1000×L后空冷，即得到所需环坯。

4)碾环轧制成形：

将步骤3)得到的环坯在相变点以下60℃温度，即温度设置为840℃，加热系数0.6，碾环轧制，使用设备为碾环机，碾环轧制过程时间若超15min后热料回炉保温150min，直至轧制尺寸为Φ2010/Φ1580×L时，将锻件空冷。

5)成品机加工：

通过切削设备对步骤4)得到的锻件进行机加工，以去除内表面、外表面、两端面的氧化皮部分，即得到Φ1980/Φ1610×L的钛合金环件，再使用水切割，切割至所需弧度的扇形薄壁锻件。

其中，下表2为实施例2的制备的环件产品热处理后室温力学性能情况，从数据可知其结果满足要求并且有一定富余量。

表2：实施例2制备的环件力学性能

实施例3(制备Φ2220/Φ1650×L环件)

1)开坯锻造：

选择铸锭规格为Ф620mm，铸锭β相变点880℃，第一火开坯加热温度1000℃，加热系数0.6，镦拔锻比1.45～1.7，慢速且分3锤镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用900mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为径向拔长；第二火锻造加热前刷涂层，粘结剂选用型号NJ-1,按涂料：粘结剂＝1:1比例配置，搅拌时间1～10min，使涂料和粘结剂均匀混合，搅拌后溶液不能有絮状或结块现象，将混合后的涂料均匀涂在物料表面，第一遍涂层完成后，间隔6h后进行下一次刷涂层；刷三次涂层后加热。冷料加热温度1150℃，保温时间55h，出炉锻造前进行包石棉，锻比1.45～1.7，慢速且分3锤镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，最终拔长后进行倒八方处理，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长；第三火次加热温度为1000℃，加热系数0.6，镦拔锻比1.45～1.7，慢速且分3锤镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，锻造完成后空冷，本火次工模具上砧使用650mm平砧，下砧使用1200mm平砧，拔长方式为轴向拔长。

2)中间锻造：

将步骤1)开坯锻造后的坯料在低于β相变点温度30℃～50℃下三次保温和锻造，单火次保温温度呈下降状态，即温度设置为850℃、840℃、830℃，加热系数采用0.7～0.8，镦拔锻比为1.65～1.8，最终拔长后进行倒八方处理，慢速镦粗，镦粗速率15mm/s，慢速拔长，拔长速率30mm/s，拔长方式为反复式拔长，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm。每火次锻后空冷，工模具上砧和下砧均使用650mm平砧，火次拔长方式均为轴向拔长，最终得到八方尺寸为400mm。

3)低温改锻冲孔扩孔：

将步骤2)的毛坯在相变点以下40℃，即温度设置为840℃，加热系数0.8，出炉后采用石棉包裹坯料，再镦粗至满足冲孔尺寸的坯料，最后用合适的冲头进行冲孔，本实例镦粗至高度300mm，使用Φ380mm冲头，从坯料中分离出的冲芯，并进行扩孔，扩孔超15min后回炉保温150min直至扩孔尺寸为Φ1760/Φ1100×L后空冷，即得到所需环坯。

4)碾环轧制成形：

将步骤3)得到的环坯在相变点以下40℃温度，即温度设置为840℃，加热系数0.8，碾环轧制，使用设备为碾环机，碾环轧制过程时间若超15min后热料回炉保温150min，直至轧制尺寸为Φ2250/Φ1620×L时，将锻件空冷。

5)成品机加工：

通过切削设备对步骤4)得到的锻件进行机加工，以去除内表面、外表面、两端面的氧化皮部分，即得到Φ2220/Φ1650×L的钛合金环件，再使用水切割，切割至所需弧度的扇形薄壁锻件。

其中，下表3为实施例3的制备的环件产品热处理后室温力学性能情况，从数据可知其结果满足要求并且有一定富余量。

表3：实施例3制备的环件力学性能

综上所述，上述各实施例均采用Ф620mm规格铸锭，提供了近α钛合金扇形薄壁锻件的锻造轧制工艺技术，如通过表1～表3数据可知，采用本发明制备的薄壁锻件在室温下其抗拉强度(Rm)均大于400Mpa，屈服强度(Rp0.2)均大于300Mpa，断后伸长率(A)均大于25％，断面收缩率(Z)均大于70，以上数据满足核乏料后处理溶解器用材料要求的扇形薄壁锻件，且组织均匀，性能优异，成本低廉适于工业化生产。在实际生产中，铸锭规格不限于Ф620mm，锻件成品尺寸也不限于上述实施例的尺寸规格。在实际生产中，根据最终成品要求尺寸，考虑锻造工艺过程中产生的氧化皮厚度和加工余量，反推计算锻件成品尺寸，再反推计算毛坯尺寸。

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 (10)

1.一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、开坯锻造：在相变点以上进行三火次镦拔锻造，且第二火次镦拔锻造时采用高温均匀化处理，用于充分破碎原始铸态组织以获得开坯后的坯料；

步骤二、中间锻造：将步骤一开坯后的坯料在相变点以下、以每火次保温温度呈台阶式下降的方式进行多火次保温锻造，以获得均匀细小的组织，且最后一火次的锻造方式为拔长；

步骤三、低温改锻冲孔扩孔：在相变点温度以下通过马架扩孔制备满足后续碾环轧制变形量要求的环坯；

步骤四、碾环轧制成形：在相变点温度以下，碾环轧制至预定环件尺寸；

步骤五、成品机加工：通过机加工去除步骤四环件内外表面以及两端面的氧化皮，再使用水切割将所述环件切割至所需弧度的扇形薄壁锻件。

2.根据权利要求1所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤一开坯锻造时三火次镦拔锻造的具体过程为：

第一火次：加热温度为1000℃～1040℃，加热系数0.45～0.6，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，拔长速率≤40mm/s，锻造完成后空冷；

第二火次：加热温度为1150℃～1180℃，保温时间为50～55小时，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，拔长速率≤40mm/s，端部送进量为350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，锻造完成后空冷；

第三火次：加热温度为1000℃～1040℃，加热系数0.45～0.6，镦拔锻比控制在1.3～1.7之间，分2～3锤镦粗，镦粗速率≤20mm/s，拔长速率≤40mm/s，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，锻造完成后空冷。

3.根据权利要求2所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤一中开坯锻造时，第一火次使用的工模具为900mm宽的上平砧和1200mm宽的下平砧，拔长方式为径向拔长；第二火次和第三火次使用的工模具相同，均为650mm宽的上平砧和1200mm宽的下平砧，且拔长方式均为轴向拔长。

4.根据权利要求1所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤一开坯锻造时，第二火次加热前向坯料表面多次均匀涂覆涂层，所述涂层为涂料和粘结剂的混合溶液，且出炉锻造前进行石棉包裹；

其中，所述粘结剂选用型号NJ-1，按涂料：粘结剂＝1:1比例配置，充分搅拌使涂料和粘结剂均匀混合，搅拌后溶液不能有絮状或结块现象。

5.根据权利要求1所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤二中间锻造的具体过程为：在相变点以下30℃～70℃温度范围内进行多火次保温和锻造，单火次保温温度呈逐步下降状态，加热系数为0.60～0.80，镦拔锻比为1.5～1.8，镦粗速率≤20mm/s，端部采用小送进量变形，拔长速率≤40mm/s，拔长方式为反复式拔长，减小棒材两端棒材终锻温度差异，端部送进量350mm～400mm，其余送进量200mm～300mm，最终完成锻造后进行倒八方处理，锻后空冷。

6.根据权利要求5所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤二中间锻造时，所使用的工模具为上下都是650mm宽的平砧，拔长方式为轴向拔长。

7.根据权利要求1所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤三低温改锻冲孔扩孔的具体过程为：先将步骤二处理后的毛坯在相变点以下40℃～60℃温度范围内保温，加热系数为0.60～0.80，镦粗至满足冲孔尺寸的坯料，再用合适的冲头进行冲孔，从坯料中分离出的冲芯，并进行扩孔，单火次控制扩孔过程时间≤15min，若超出时间后热料回炉保温直至扩孔完成，直至制备出满足后续碾环轧制变形量要求的环坯。

8.根据权利要求6所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤三改锻前采用石棉包裹坯料。

9.根据权利要求1所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤四碾环轧制成形的具体过程为：将步骤三得到的胚料在相变点以下40℃～60℃温度范围内进行保温轧制，加热系数为0.60～0.80，单火次控制轧制过程时间≤15min，若超出时间后热料回炉保温直至轧制完成。

10.根据权利要求1所述的一种近α钛合金大规格扇形薄壁锻件的制备方法，其特征在于，所述步骤四碾环轧制成形时，使用的设备为碾环机。

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