CN115595521A - 一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金锻造技术领域，公开了一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，其锻造工艺路线：第一次高温均匀化+开坯锻造→第二次高温均匀化+相变点以上锻造→首次α+β相区锻造→相变点以上热处理+锻造→第二次α+β相区锻造→α+β相区拔长锻造→α+β相区成品锻造。本发明解决了Ti17铸锭熔炼过程中无法有效克服的成分微观偏析风险问题。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金热加工技术领域，具体涉及一种可获得高组织均匀性α+β两相区加工组织的Ti17钛合金Φ300~500mm规格棒材的自由锻造方法。
背景技术
Ti17是一种可固溶强化的近β型两相钛合金，属于中温高强钛合金，长期使用温度最高可达427℃，淬透性和断裂韧性较好，适用于制造航空发动机的风扇盘、压气机盘等要求高承载力的零部件。由于Ti17合金中含有4%的共析型β稳定元素Cr，极易在熔炼的凝固过程中产生β稳定元素微观偏析，形成对合金塑性和断裂韧性有害的β斑，从而不能满足使用要求，在实际生产中，必须对Ti17合金的熔炼、锻造和热处理要进行严格控制。
在常规的锻造方法中，相变点以上锻造加热温度不够高、加热时间不够充分，铸锭中微观偏析的Cr元素不能充分均匀化，在相变点以下锻造时坯料锻造变形的不均匀产生的变形热造成局部温度超过相变点，从而形成β斑。由于Ti17的变形抗力大，锻造变形的不均匀性更严重，而多火次的相变点以下锻造可能导致微观β偏析的加剧。而为棒材实现细小均匀的组织，常规锻造工艺中一般采用多火次相变点以下锻造，因此成本高，且β偏析的可能性加大。
随着“新时代”我国 工业的飞速发展，Ti17钛合金用量急剧增加，而航空发动机对钛合金零件的标准要求也越来越高，特别是对Ti17钛合金棒材增加了β斑组织和组织晶粒度的检测要求。因此急需找到一种能够适用于Ti17钛合金大规格棒材的锻造方法，以解决其β偏析问题。另外，细小、均匀的等轴α组织有利于提高Ti钛合金的强韧性和蠕变性能匹配良好的综合性能。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，以生产出直径为Φ300~Φ500mm、组织均匀性良好、无β斑、晶粒细小均匀、力学性能较高且非常稳定的大规格棒材，适用于工业化生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，原料为申请人自行生产的Φ650mm的Ti17钛合金铸锭，其锻造工艺路线：第一次高温均匀化+开坯锻造→第二次高温均匀化+相变点以上锻造→首次α+β相区锻造→相变点以上热处理+锻造→第二次α+β相区锻造→α+β相区拔长锻造→α+β相区成品锻造。
上述高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，具体是通过如下步骤来实现的：
步骤1）、第一次高温均匀化+开坯锻造
先对铸锭表面机加扒皮喷砂处理，清洗干净后进行高温氧化铝喷镀，然后于1150~1200℃加热，保温≥25小时；然后进行开坯锻造，锻比控制为5.0~8.0，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s，锻后空冷；
步骤2）、第二次高温均匀化+相变点以上锻造
将经过步骤1）处理的铸锭表面刷高温涂层，然后于1150℃~1200℃下加热，保温≥25小时，锻比控制为5.0~8.0，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s，锻后空冷；然后在相变点以上50℃~200℃下加热，对坯料进行1~2火次的镦拔锻造，每火次锻比控制为4.0~8.0，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s，锻后水冷；
步骤3）、首次α+β相区锻造
将经过步骤2）处理得到的锻坯在加热温度为相变点以下30℃~50℃下加热系数为0.5~0.8，进行1火次的镦拔锻造，每火次锻造比控制为2.0~4.0，镦粗压下速率控制为5mm/s~10mm/s，锻后热料直接进入下一步骤中的热处理环节；
步骤4）、相变点以上热处理+锻造
将经过步骤3）处理的锻坯先在相变点以上50℃~100℃下加热，加热系数为0.3~0.5，加热时间=按坯料的最小尺寸*加热系数；随后进行锻造，锻比控制为1.2~1.5，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s，锻后空冷；
步骤5）、第二次α+β相区锻造
加热温度为相变点以下30℃~50℃加热系数为0.5~0.8，对经过步骤4）处理的坯料进行3~5火次的镦拔锻造，每火次锻造比控制为1.8~3.0，镦粗压下速率控制为5mm/s~10mm/s，锻后空冷；
步骤6）、α+β相区拔长锻造
加热温度为相变点以下30℃~50℃、加热系数为0.5~0.8，对经过步骤5）处理的坯料进行2~3火次的拔长锻造，每火次锻造比控制为1.2~1.8，锻后空冷；
步骤7）、α+β相区成品摔圆成型
加热温度为相变点以下40℃~60℃加热系数为0.5~0.8，对经过步骤6）处理的坯料进行摔圆成型，其中锻造比控制为1.1、压下量控制为≤30mm，锻后空冷。
与现有技术相比，本发明具备的有益效果如下：
1、本发明在常规自由锻造工艺路线的基础上，通过两次高温均匀化加热处理，有效、充分地实现易偏析成分Cr元素的晶内和晶间充分扩散均匀化，从而解决Ti17铸锭熔炼过程中无法有效克服的成分微观偏析风险问题；
2、与常规的近β高温钛合金锻造方法相比较，本发明在α+β相区锻造后热料立刻进行相变点以上热处理，是利用动态热处理过程实现Ti17坯料组织的快速均匀化和细化，以获得均匀细小的β晶粒，解决常规自由锻造过程中需要依靠多火次、大变形量来破碎粗大晶粒的问题，从而达到降低锻造生产成本的目的；本发明满足国内对组织均匀性良好且成本低廉的Ti17钛合金大规格棒材的迫切需要；
3、本发明结合相变点以上开坯锻造采用大变形量，以及相变点以上锻后水冷的方式，可实现Ti17坯料铸态组织的充分破碎和β晶粒细化；同时在相变点以下进行α+β相区锻造时，控制镦粗时低压下速率，能够有效克服合金的变形抗力和锻坯心部温升，充分改善了大规格锻坯的心部变形，改善坯料整体变形均匀性，从而提高了棒材的超声探伤均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例一中Φ300mm棒材β斑低倍组织检查图；
图2为本发明实施例一中的棒材在200倍显微组织，其中左边为边部，右边为心部；
图3为本发明实施例二中Φ400mm棒材β斑低倍组织检查图；
图4为本发明实施例二中的棒材在200倍显微组织，其中左边为边部，右边为心部；
图5为本发明对比例一的Φ300mm棒材β斑组织检查图；
图6为本发明对比例二的Φ300mm棒材β斑组织检查图。
具体实施方式
现结合附图及具体实施例，来对本发明作进一步的阐述。以下仅为本发明的优选实施例，并非用以限制本发明保护范围。任何在不脱离本发明构思前提下的相同或相似方案均应落在本发明的保护范围内。且下文中“□”指代的是方形坯料的边长，“L”为棒料的长度。
实施例一
本实施例的高组织均匀性的Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，具体通过以下步骤来实现的：
材料：Ti17钛合金，相变点：890℃，成品棒材尺寸：Φ300mm×L。
（1）第一次高温均匀化+开坯锻造
铸锭表面机加扒皮喷砂处理，清洗干净后进行高温氧化铝喷镀，1200℃加热，保温25小时，然后进行开坯锻造，锻比为7.6，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后空冷。
（2）第二次高温均匀化+相变点以上锻造
铸锭表面刷高温涂层，1150℃加热，保温25小时，锻比为7.5，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后空冷。
加热温度分别为1050℃和980℃，对坯料进行2火次的镦拔锻造，每火次锻比7.0，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后均水冷。
（3）首次α+β相区锻造
加热温度为840℃，对坯料进行1火次的镦拔锻造，锻比为2.5，镦粗压下速率控制在5mm/s~10mm/s，锻后热料进行热处理。
（4）相变点以上热处理+锻造
热处理温度为950℃，加热系数为0.3~0.5，随后进行锻造，锻比为1.3，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后空冷。
（5）第二次α+β相区锻造
加热温度为850℃，对坯料进行3火次的镦拔锻造，每火次锻比为2.0，镦粗压下速率控制在5mm/s~10mm/s，锻后空冷。
（6）α+β相区拔长锻造
加热温度为850℃，对坯料进行2～3火次的拔长锻造，每火次锻比为1.2～1.8，锻后空冷。
（7）α+β相区成品摔圆成型
加热温度为840℃，锻比为1.1左右，压下量控制在≤30mm，摔圆成型，锻后空冷。
图1是加热至相变点以下25℃，保温2小时+水冷，在加热625℃保温6小时+空冷后的进行β斑检查的低倍组织图，可以看出低倍组织均匀，无任何长度大于0.75mm的、初生α相小于5%的区域。图2为相应棒材的边部和心部的显微组织，可以看出边部与心部的显微组织非常均匀。
实施例二
本实施例的高组织均匀性的Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，具体通过以下步骤来实现的：
材料：Ti17钛合金，相变点：895℃，成品棒材尺寸：Φ450mm×L。
（1）第一次高温均匀化+开坯锻造
铸锭表面机加扒皮喷砂处理，清洗干净后进行高温氧化铝喷镀，1200℃加热，保温30小时，然后进行开坯锻造，锻比为6.8，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后空冷。
（2）第二次高温均匀化+相变点以上锻造
铸锭表面刷高温涂层，1150℃加热，保温25小时，锻比为7.0，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后空冷。
加热温度分别为1050℃和960℃，对坯料进行2火次的镦拔锻造，每火次锻比6.5，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后均水冷。
（3）首次α+β相区锻造
加热温度为850℃，对坯料进行1火次的镦拔锻造，锻比为2.2，镦粗压下速率控制在5mm/s~10mm/s，锻后热料进行热处理。
（4）相变点以上热处理+锻造
热处理温度为960℃，加热系数为0.3~0.5，随后进行锻造，锻比为1.25，镦粗压下速率控制在10mm/s~25mm/s，锻后空冷。
（5）第二次α+β相区锻造
加热温度为855℃，对坯料进行5火次的镦拔锻造，每火次锻比为2.0~2.5，镦粗压下速率控制在5mm/s~10mm/s，锻后空冷。
（6）α+β相区拔长锻造
加热温度为850℃，对坯料进行1～2火次的拔长锻造，每火次锻比为1.4～1.8，锻后空冷。
（7）α+β相区成品摔圆成型
加热温度为840℃，锻比为1.1左右，压下量控制在≤30mm，摔圆成型，锻后空冷。
图3是对应的加热至相变点以下25℃，保温2小时+水冷，在加热625℃保温6小时+空冷后的进行β斑检查的低倍组织图，可以看出低倍组织均匀，无任何长度大于0.75mm的、初生α相小于5%的区域。图4为相应棒材的边部和心部的显微组织，可以看出边部与心部的显微组织非常均匀。
对比例一
材料：Ti17钛合金，相变点：890℃，成品棒材尺寸：Φ300mm×L。
（1）开坯锻造
第1火锻造加热温度选择1180℃，两镦两拔锻至□580mm，锻造比为7.3，锻后采用空冷；第2火锻造加热温度选择1070℃，二镦二拔锻至□580mm，锻造比选择7.2，锻后采用空冷；第3火锻造加热温度选择960℃，二镦二拔锻至□570mm，锻造比选择7.2，锻后采用水冷。
（2）第一次相变点以下锻造：
第4~5火锻造加热温度均选择860℃，采用一镦一拔锻至□570mm，锻造比均选择7.0，锻后采用水冷。
（3）第一次相变点以上锻造：
第6火锻造加热温度选择930℃，采用二镦二拔锻至□570mm，锻造比均选择7.0，锻后采用空冷。
（4）第二次相变点以下锻造：
第7~8火锻造加热温度均选择860℃，采用二镦二拔锻至□560mm，锻造比均选择7.0，锻后采用空冷。
（5）相变点以下锻造：
第9~14火锻造加热温度选择830℃~880℃，均采用二镦二拔锻至□560mm，锻造比均选择6.5；第15、16火锻造加热温度选择830℃~850℃，锻造比分别选择1.85、1.35，最终成品规格为Φ320mm，以上锻造的冷却方式均采用空冷。
按照常规工艺生产，锻造火次多，且在β斑检查中发现棒材头部位置有β斑组织存在，即是有长度大于0.75mm的、初生α相大于5%的区域存在，如图5。
对比例二
材料：Ti17钛合金，相变点：890℃，成品棒材尺寸：Φ300mm×L。
（1）开坯锻造
第1火锻造加热温度选择1150℃，加热时间为25小时，两镦两拔锻至□580mm，锻造比为7.0，锻后采用空冷；第2火锻造加热温度选择1070℃，二镦二拔锻至□580mm，锻造比选择7.0，锻后采用空冷；第3火锻造加热温度选择960℃，二镦二拔锻至□570mm，锻造比选择7.2，锻后采用水冷。
（2）第一次相变点以下锻造：
第4~5火锻造加热温度均选择860℃，采用一镦一拔锻至□570mm，锻造比均选择3.6，锻后采用水冷。
（3）第一次相变点以上锻造：
第6火锻造加热温度选择930℃，采用二镦二拔锻至□570mm，锻造比均选择7.0，锻后采用空冷。
（4）第二次相变点以下锻造：
第7~14火锻造加热温度均选择860℃，采用一镦一拔锻至□560mm，锻造比均选择3.2，锻后采用空冷。
（5）相变点以下锻造：
第15、16火锻造加热温度选择830℃~850℃，锻造比分别选择1.85、1.35，最终成品规格为Φ320mm，以上锻造的冷却方式均采用空冷。
按照常规工艺生产，铸锭进行一次高温均匀化加热开坯锻造，锻造火次多，且在β斑检查中发现棒材头部位置有β斑组织存在，即是有长度大于0.75mm的、初生α相大于5%的区域存在，如图6所示。
Claims (6)
1.一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，其特征在于，通过如下步骤来实现的：
步骤1）、第一次高温均匀化+开坯锻造
于1150~1200℃加热，保温≥25小时；然后进行开坯锻造，锻后空冷；
步骤2）、第二次高温均匀化+相变点以上锻造
将经过步骤1）处理的铸锭于1150℃~1200℃下加热，保温≥25小时，锻后空冷；然后在相变点以上50℃~200℃下加热，对坯料进行1~2火次的镦拔锻造，锻后水冷；
步骤3）、首次α+β相区锻造
将经过步骤2）处理得到的锻坯在加热温度为相变点以下30℃~50℃下加热系数为0.5~0.8，进行1火次的镦拔锻造，锻后热料直接进入下一步骤中的热处理环节；
步骤4）、相变点以上热处理+锻造
将经过步骤3）处理的锻坯先在相变点以上50℃~100℃下加热，加热系数为0.3~0.5；随后进行锻造，锻后空冷；
步骤5）、第二次α+β相区锻造
加热温度为相变点以下30℃~50℃、加热系数为0.5~0.8，对经过步骤4）处理的坯料进行3~5火次的镦拔锻造，锻后空冷；
步骤6）、α+β相区拔长锻造
加热温度为相变点以下30℃~50℃、加热系数为0.5~0.8，对经过步骤5）处理的坯料进行2~3火次的拔长锻造，每火次锻造比控制为1.2~1.8，锻后空冷；
步骤7）、α+β相区成品摔圆成型
加热温度为相变点以下40℃~60℃、加热系数为0.5~0.8，对经过步骤6）处理的坯料进行摔圆成型，其中锻造比控制为1.1、压下量控制为≤30mm，锻后空冷。
2.根据权利要求1所述一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，其特征在于，步骤1）中，锻比控制为5.0~8.0，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s。
3.根据权利要求1所述一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，其特征在于，步骤2）中，高温均匀化中，锻比控制为5.0~8.0，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s；而在相变点以上锻造中，每火次锻比控制为4.0~8.0，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s。
4.根据权利要求1所述一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，其特征在于，步骤3）中，每火次锻造比控制为2.0~4.0，镦粗压下速率控制为5mm/s~10mm/s。
5.根据权利要求1所述一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，其特征在于，步骤4）中，锻比控制为1.2~1.5，镦粗压下速率控制为10mm/s~25mm/s。
6.根据权利要求1所述一种高组织均匀性Ti17钛合金大规格棒材锻造方法，其特征在于，步骤5）中，每火次锻造比控制为1.8~3.0，镦粗压下速率控制为5mm/s~10mm/s。
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