CN116140515A - 一种ta15钛合金大规格平板锻坯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，包括以下步骤：首先开坯锻造时对铸锭进行2火次镦拔锻造，以得到中间坯；然后中间锻造时对所得到的中间坯进行4～8火次镦拔锻造，得到锻坯1；最后成型锻造时对锻坯1进行3火次拔长锻造，再经机加工后得到目标尺寸的TA15钛合金大规格平板锻坯；以上各个阶段严格控制相关参数，包括但不限于加热温度、保温时间、锻比、变形量及送进量等。本发明相较于现有技术在中间锻造时采用“换向镦拔”技术，且在成型阶段根据锻坯厚度合理分配拔长变形量，同时进行小送进量、高频次下压，最终提高了锻坯组织的均匀性，改善探伤水平，完全满足航空航天领域对大规格钛合金平板锻坯的需求。
Description
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，特别适用于制备厚度为80mm～300mm，宽度为700mm～1700mm，长度为1400mm～3500mm，且组织、性能及超声波探伤均匀性良好TA15钛合金平板锻坯。
背景技术
TA15钛合金一种中等强度近α型钛合金，名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V。其主要的强化机制是通过α稳定元素Al的固溶强化，同时也加入了一定量的中性元素Zr以及β稳定元素Mo和V可以改善工艺性能。该合金属于高Al当量的近α形钛合金，具有α型钛合金良好的热强性和可焊性，也具有接近α+β型钛合金的工艺塑性。
TA15钛合金因其具有较高的比强度，良好的热稳定性、耐腐蚀性和焊接性能，因此被广泛应用于航空航天技术领域。近年来，随着我国航空航天工业设计和制造技术的不断发展，对新型飞机承力框架等锻件提出了大型化和整体化的要求，新型锻件的研制、生产需要使用大规格组织性能均匀的钛合金平板锻坯。而目前传统工艺在生产TA15钛合金平板锻坯中，为保证显微组织中初生α相的等轴化程度，将坯料在两相区进行多火次单方向镦粗与拔长(即轴向镦粗、轴向拔长)，坯料镦粗锻造时，与锤砧接触的坯料端部区域为难变形区，坯料中部为剧烈变形区，因此多火次单方向的镦粗会造成坯料端部与中部的变形差异加大，从而导致不同位置的组织、性能及探伤均匀性降低。
有鉴于此，本发明人提出一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，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TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，该制备方法从加工工艺出发，解决了现有技术制备的锻坯组织、性能及超声波探伤均匀性差的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，所述TA15钛合金大规格平板锻坯的原料选择4～10吨级、规格为Φ720mm～Φ1020mm化学成分符合11-CL-045D标准要求的TA15钛合金铸锭，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、开坯锻造
对铸锭进行加热保温，并在相变点以上进行2火次镦粗与拔长，且每火次镦粗与拔长时锻比控制在1.1～2.2之间，锻后将坯料在空气中冷却，得到中间坯；
步骤2、中间锻造
将步骤1得到的中间坯加热到相变点以下60℃至相变点以上100℃保温，并分别进行4～8火次锻造，每火次镦粗与拔长锻比控制在1.1～2.0之间，且终锻温度不低于650℃，每次锻造完成后将坯料进行空冷，得到锻坯1；
步骤3、成型锻造
将步骤2得到的锻坯1加热到相变点以下20℃～60℃并进行成型锻造，成型锻造通过3火次拔长完成，且每火次终锻温度不低于650℃，锻后空冷得到锻坯2，锻坯2经机加工后得到目标尺寸的大规格平板锻坯。
进一步地，所述步骤1中开坯锻造的具体过程为：先将铸锭加热到相变点以上100℃～200℃，保温400min～700min，进行一火次镦拔锻造；然后回炉到相变点以上20℃～150℃，保温30min～180min，再进行一火次镦拔锻造，终锻温度不低于700℃，锻后空冷，得到中间坯。
进一步地，所述步骤2中4～8火次锻造的具体过程为：
第1火次加热温度到相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行镦拔；
第2火次加热温度到相变点以上20℃～100℃，保温300min～500min后，进行镦拔；
第3～8火次加热温度均为相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行“换向镦拔”锻造，即进行轴向镦粗后从径向进行拔长，然后镦粗后再从轴向拔长。
进一步地，所述步骤3中成型锻造时在大厚度、低抗力阶段，通过大变形量改善心部组织，而在小厚度、高抗力阶段，使用小变形消除近表层变形死区，具体3火次拔长的变形量分别为：第1火次拔长变形量为30％±10％、第2火次拔长变形量按20％±8％以及第3火次拔长变形量为10％±5％。
进一步地，所述步骤3中成型锻造时送进量采用“小送进、高频次”拔长技术，具体3火次拔长的送进量分别为：第1火次拔长送进量为150mm～200mm、第2火次拔长送进量为100mm～180mm以及第3火次拔长送进量为50mm～120mm，且每火次压机拔长的下压频次为30次/分钟～70次/分钟。
进一步地，所述步骤3中成型锻造的具体过程为：
第1火次加热温度为相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行拔长变形；第2火次加热温度为相变点以下20℃～60℃，保温250min～600min后，再次进行拔长变形；第3火次加热温度均为相变点以下20℃～60℃，保温100min～500min后，进行最终拔长变形。
进一步地，所述制备方法用于生产厚度为80mm～300mm，宽度为700mm～1700mm，长度为1400mm～3500mm的TA15钛合金大规格平板锻坯，且所述平板锻坯的纵向室温抗拉强度大于950MPa、屈服强度大于870MPa，纵向冲击大于45J/cm2，探伤水平达到Φ
1.2-9dB以上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，该制备方法在中间锻造，特别是在在第3～8火次时时采用“换向镦拔”锻造技术，即先进行轴向镦粗后从径向进行拔长，然后镦粗后再从轴向拔长，实现批量端部与中部位置的调整，增加坯料端部的变形量，从而改善坯料端部与中部的变形均匀性，有利于成品锻坯性能与探伤的均匀化；加之在成型锻造时的拔长阶段，根据锻坯厚度合理分配长变形量，同时进行小送进量、高频次下压，且整个制备过程中严格控制镦粗与拔长时的锻比、加热温度及保温时间等相关参数。相较于现有技术，本发明最终制备的TA15钛合金大规格平板锻坯，经检测后，低倍组织均匀，高倍组织中初生α相等轴化较好、含量30％～65％，纵向室温抗拉强度大于950MPa、屈服强度大于870MPa，纵向冲击大于45J/cm2，探伤水平达到Φ1.2-9dB以上，完全满足航空航天领域对大规格组织性能均匀的钛合金平板锻坯的需求。
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TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法流程图；
图2是本发明实施例1制备的规格为120×850×3500mm锻坯头、中、尾部的低倍组织图；
图3是本发明实施例1制备的规格为120×850×3500mm锻坯头、中、尾部的厚度上、中、下位置的显微组织图；
图4是本发明实施例2制备的规格为200×900×2500mm锻坯头、中、尾部的低倍组织图；
图5是本发明实施例2制备的规格为200×900×2500mm锻坯头、中、尾部的厚度上、中、下位置的显微组织图。
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TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，其原料选择4～10吨级、规格为Φ720mm～Φ1020mm化学成分符合11-CL-045D标准要求的TA15钛合金铸锭，其制备方法包括以下步骤：
步骤1、开坯锻造
对铸锭进行2火次锻造，具体为：第1火次将该铸锭加热至变相点以上100℃～200℃，保温400min～700min后进行镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.1～2.2之间；回炉第2火次加热温度相变点以上20℃～150℃，保温30min～180min后，再进行镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.1～2.2之间，终锻温度不低于700℃，锻后将坯料在空气中冷却，得到中间坯。
步骤2、中间锻造
将步骤1得到的中间坯加热到相变点以下60℃至相变点以上100℃保温，并分别进行4～8火次锻造，每火次镦粗与拔长锻比控制在1.1～2.0之间，且终锻温度不低于650℃，每次锻造完成后将坯料进行空冷，得到锻坯1。
其中，行4～8火次锻造的具体过程为：第1火次加热温度到相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行镦拔；第2火次加热温度到相变点以上20℃～100℃，保温300min～500min后，进行镦拔；第3～8火次加热温度均为相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行“换向镦拔”锻造，即进行轴向镦粗后从径向进行拔长，然后镦粗后再从轴向拔长。
步骤3、成型锻造
将步骤2得到的锻坯1加热到相变点以下20℃～60℃并进行成型锻造，成型锻造通过3火次拔长完成，且每火次终锻温度不低于650℃，锻后空冷得到锻坯2，锻坯2经机加工(如采用刨床或者铣床)后得到目标尺寸的大规格平板锻坯。
其中，3火次拔长的具体过程为：第1火次加热温度为相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行拔长变形，拔长时变形量设定为30％±10％，送进量设定为150mm～200mm；第2火次加热温度为相变点以下20℃～60℃，保温250min～600min后，再次进行拔长变形，此时拔长时变形量设定为20％±8％，送进量设定为100mm～180mm；第3火次加热温度均为相变点以下20℃～60℃，保温100min～500min后，进行最终拔长变形，最终拔长变形量设定为10％±5％，送进量设定为50mm～120mm。以上3火次拔长每火次压机拔长的下压频次设定为30次/分钟～70次/分钟，成型锻造时在大厚度、低抗力阶段(前2火次)，通过大变形量改善心部组织，而在小厚度、高抗力阶段(最后1火次)，使用小变形消除近表层变形死区，同时送进量采用“小送进、高频次”拔长技术，从而使得最终制备的锻坯组织、性能和探伤均匀性指标均表现良好。
为了进一步验证本发明锻造方法的功效，发明人进行了如下具体的实施例：
实施例1(制备规格为120×850×3500mm的平板锻坯)
原料：选择5吨级规格为Φ720mm化学成分符合11-CL-045D标准要求的TA15钛合金铸锭。
1)开坯锻造：将铸锭锯切二均分后，进行2火次锻造，具体为：第1火次加热温度为1090℃～1190℃，保温400min～550min后，进行镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.4～1.5；回炉至1010℃～1140℃保温30min～150min后，再进行镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.4～1.5，终锻温度控制在700℃以上，锻后物料采用空冷的方式进行冷却。
2)中间锻造：中间锻造共分4火次完成，具体过程为：
第1火次的加热温度为930℃～970℃，保温500min～620min后进行镦拔；第2火次的加热温度为1010℃～1090℃，保温400min～500min后进行镦拔；第3～4火次加热温度为930℃～970℃，保温500min～620min后，进行“换向镦拔”，即进行轴向镦粗后从径向进行拔长，然后径向镦粗后再从轴向拔长。以上火次镦粗与拔长的锻比均控制在1.4～1.5之间，中间锻造后形成规格为500×500×1300mm的物料，终锻温度控制在650℃以上，每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。
3)成型锻造：成型锻造通过3火次拔长完成，具体为：
第1火的加热温度为930℃～970℃，保温400min～520min后，拔长变形量为25％、送进量为180mm，压机下压频次为40次/分钟，终锻温度控制在650℃以上；第2火的加热温度为930℃～970℃，保温260min～380min后，拔长变形量为16％、送进量为120mm，压机下压频次为50次/分钟，终锻温度控制在650℃以上；第3火的加热温度为930℃～970℃，保温120min～240min，拔长变形量为8％、送进量为60mm，压机下压频次为50次/分钟，终锻温度控制在650℃以上。将得到的物料经过刨/铣床刨铣成规格为120×850×3500mm的锻坯。
实施例2(制备规格为200×900×2500mm的平板锻坯)
原料：选择7吨级规格为Φ920mm化学成分符合11-CL-045D标准要求的TA15钛合金铸锭。
1)开坯锻造：将铸锭锯切二均分后，进行2火次锻造，具体为：第1火次加热温度为1120℃～1190℃，保温550min～700min后，进行镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.8～2.0；回炉至1010℃～1140℃保温90min～180min后，再进行镦拔，镦粗与拔长锻比控制在1.8～2.0，终锻温度控制在700℃以上，锻后物料采用空冷的方式进行冷却。
2)中间锻造：中间锻造共分7火次完成，具体过程为：
第1火次的加热温度为930℃～970℃，保温550min～700min后进行镦拔；第2火次的加热温度为1020℃～1080℃，保温400min～500min后进行镦拔；第3～7火次加热温度为930℃～970℃，保温550min～700min后，进行“换向镦拔”，即进行轴向镦粗后从径向进行拔长，然后径向镦粗后再从轴向拔长。以上火次镦粗与拔长的锻比均控制在1.8～2.0之间，第7火次锻造后形成规格为700×700×1500mm的物料，终锻温度控制在650℃以上，每火次锻造完成后采用空冷的方式进行冷却。
3)成型锻造：成型锻造通过3火次拔长完成，具体为：
第1火的加热温度为930℃～970℃，保温550min～700min后，拔长变形量为35％、送进量为180mm，压机下压频次为50次/分钟，终锻温度控制在650℃以上；第2火的加热温度为930℃～970℃，保温450min～600min后，拔长变形量为22％、送进量为150mm，压机下压频次为60次/分钟，终锻温度控制在650℃以上；第3火的加热温度为930℃～970℃，保温300min～450min，拔长变形量为12％、送进量为80mm，压机下压频次为60次/分钟，终锻温度控制在650℃以上。将得到的物料经过刨/铣床刨铣成规格为200×900×2500mm的锻坯。
结果分析：
一、高低倍组织分析
对实施例1制备的规格为120×850×3500mm锻坯以及实施例2制备的规格为200×900×2500mm锻坯分别进行高低倍组织观察，其相应结果分别如图2～3及4～5所示。其中，根据图2、4可知，实施例1、2制备的锻坯头、中、尾部的低倍组织模糊均匀，未见分层、偏析等目视可见的缺陷，符合11-CL-045D标准的3～5级；根据图3、5可知，实施例1、2制备的锻坯头、中、尾部的厚度上、中、下位置的高倍组织均为α-β两相区加工的均匀组织，所有原始β晶界破碎充分，未见连续、平直的晶界α相，初生α相等轴化较好、含量约30％～65％，显微组织符合3～6级。
二、力学性能分析
对实施例1制备的规格为120×850×3500mm锻坯以及实施例2制备的规格为200×900×2500mm锻坯分别在锻坯头、中、尾位置取80mm长性能样经“840℃2h空冷”处理后，测试力学性能，其结果分别如下表1(实施例1锻坯热处理后检测的纵向力学性能数据)和表2(实施例2锻坯热处理后检测的纵向力学性能数据)所示：
表1
表2
通过上述表1、2的数据可知，实施例1、2制备的锻坯不同位置测试的室拉、冲击、高拉、持久等各项力学性能之间差值较小，充分说明锻坯均匀性较好。
三、超声波探伤结果分析
对实施例1制备的规格为120×850×3500mm锻坯以及实施例2制备的规格为200×900×2500mm锻坯分别进行水浸探伤检测，锻坯不同位置探伤均匀，达到了Φ1.2-9dB以上水平。
综上所述，采用本发明工艺制备的TA15钛合金大规格平板锻坯拥有良好力学性能，其纵向室温抗拉强度大于950MPa、屈服强度大于870MPa，纵向冲击大于45J/cm2，探伤水平达到Φ1.2-9dB以上，同时锻坯不同位置低倍组织组织模糊均匀，高倍组织中初生α等轴化较好，含量为30％～65％，完全满足航空航天领域对大规格组织性能均匀的钛合金平板锻坯的需求。
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 (7)
1.一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，所述TA15钛合金大规格平板锻坯的原料选择4～10吨级、规格为Φ720mm～Φ1020mm化学成分符合11-CL-045D标准要求的TA15钛合金铸锭，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、开坯锻造
对铸锭进行加热保温，并在相变点以上进行2火次镦粗与拔长，且每火次镦粗与拔长时锻比控制在1.1～2.2之间，锻后将坯料在空气中冷却，得到中间坯；
步骤2、中间锻造
将步骤1得到的中间坯加热到相变点以下60℃至相变点以上100℃保温，并分别进行4～8火次锻造，每火次镦粗与拔长锻比控制在1.1～2.0之间，且终锻温度不低于650℃，每次锻造完成后将坯料进行空冷，得到锻坯1；
步骤3、成型锻造
将步骤2得到的锻坯1加热到相变点以下20℃～60℃并进行成型锻造，成型锻造通过3火次拔长完成，且每火次终锻温度不低于650℃，锻后空冷得到锻坯2，锻坯2经机加工后得到目标尺寸的大规格平板锻坯。
2.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，其特征在于，所述步骤1中开坯锻造的具体过程为：先将铸锭加热到相变点以上100℃～200℃，保温400min～700min，进行一火次镦拔锻造；然后回炉到相变点以上20℃～150℃，保温30min～180min，再进行一火次镦拔锻造，终锻温度不低于700℃，锻后空冷，得到中间坯。
3.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，其特征在于，所述步骤2中4～8火次锻造的具体过程为：
第1火次加热温度到相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行镦拔；
第2火次加热温度到相变点以上20℃～100℃，保温300min～500min后，进行镦拔；
第3～8火次加热温度均为相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行“换向镦拔”锻造，即进行轴向镦粗后从径向进行拔长，然后镦粗后再从轴向拔长。
4.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，其特征在于，所述步骤3中成型锻造时在大厚度、低抗力阶段，通过大变形量改善心部组织，而在小厚度、高抗力阶段，使用小变形消除近表层变形死区，具体3火次拔长的变形量分别为：第1火次拔长变形量为30％±10％、第2火次拔长变形量按20％±8％以及第3火次拔长变形量为10％±5％。
5.根据权利要求4所述的一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，其特征在于，所述步骤3中成型锻造时送进量采用“小送进、高频次”拔长技术，具体3火次拔长的送进量分别为：第1火次拔长送进量为150mm～200mm、第2火次拔长送进量为100mm～180mm以及第3火次拔长送进量为50mm～120mm，且每火次压机拔长的下压频次为30次/分钟～70次/分钟。
6.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，其特征在于，所述步骤3中成型锻造的具体过程为：
第1火次加热温度为相变点以下20℃～60℃，保温400min～700min后，进行拔长变形；第2火次加热温度为相变点以下20℃～60℃，保温250min～600min后，再次进行拔长变形；第3火次加热温度均为相变点以下20℃～60℃，保温100min～500min后，进行最终拔长变形。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种TA15钛合金大规格平板锻坯的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于生产厚度为80mm～300mm，宽度为700mm～1700mm，长度为1400mm～3500mm的TA15钛合金大规格平板锻坯，且所述平板锻坯的纵向室温抗拉强度大于950MPa、屈服强度大于870MPa，纵向冲击大于45J/cm2，探伤水平达到Φ1.2-9dB以上。
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| CN118048589A (zh) * | 2024-01-18 | 2024-05-17 | 西部超导材料科技股份有限公司 | 一种大规格高均匀性Ti650高温钛合金板坯的制备方法 |
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