CN116237449A - 一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法 - Google Patents

一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，属于钛合金锻造技术领域。本发明大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法依次包括自由锻制坯、横向预锻、高向终锻以及热处理步骤。本发明通过横向预锻+高向终锻实现“换向模锻”，达到钛合金复杂构件的模锻成形。本发明通过调整锻造工艺参数和热处理工艺参数，获得具有高强度‑塑性‑韧性‑疲劳寿命匹配的高强韧钛合金复杂构件，可广泛用于制造航空飞行器的机身复杂构件，能够显著提高先进航空器的使用性能和服役寿命。

Description

一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法
技术领域
本发明涉及高强韧钛合金锻造技术领域，尤其涉及一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法。
背景技术
航空宇航构件日益要求大型整体化、薄壁轻量化、形状复杂化。采用钛合金等高性能轻质合金材料和薄壁、整体、带筋的轻量化结构是提高零部件的性能和可靠性、实现装备轻量化的有效途径。
在现有技术中，大型复杂构件的制备方法采用铸造+机加的传统工艺来实现。然而，采用传统工艺方法制备的复杂钛合金构件，其本体组织及综合力学性能难以保证，经常会产生铸造组织缺陷，产品生产成品率较低，严格限制了产品配套的高效性。
为了彻底改变传统工艺制备方法，现采用主流先进锻造工艺方法来制备大型高强韧钛合金复杂构件，进一步提高构件的综合力学性能及研制周期。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，通过在传统常规锻造单向模锻造工艺方法的基础上，通过横向预锻+高向终锻实现“换向模锻”，达到钛合金复杂构件的模锻成形。并选取最佳锻造工艺参数和热处理工艺参数，获得具有高强度-塑性-韧性-疲劳寿命匹配的高强韧钛合金复杂构件，可广泛用于航空飞行器的机身复杂构件的制备，能够显著提高先进航空器的使用性能和服役寿命。
本发明大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，包括以下步骤：
步骤一、自由锻制坯
S1-1、棒料的加热保温：将钛合金棒料置于电阻炉中进行加热并保温；
S1-2、自由锻造：将加热保温后的棒料出炉，并在快锻机上进行自由锻制坯，自由锻制坯包括多火次的镦粗、拔长及开板分料，自由锻后散开进行空冷，得到自由锻坯料；
S1-3、预加工：将所述自由锻坯料通过机械方法进行机械预加工成型，得到所需形状的自由锻坯料；
步骤二、横向预锻
S2-1、自由锻坯料的喷涂：将步骤S1-3处理后的自由锻坯料置于电阻炉中进行预热并保温，保温出炉后用水剂石墨乳对预锻坯料进行喷涂；
S2-2、自由锻坯料的加热保温：首先将步骤S2-1喷涂处理后的自由锻坯料置于电阻炉中进行加热保温；
S2-3、横向预锻：将所述S2-2保温处理后的自由锻坯料出炉，在预锻模具中进行一火横向预锻(是指模锻液压机在坯料的横向(LT)上对坯料压制，进行一个火次的锻造)，预锻后将坯料散开进行冷却；
步骤三、高向终锻
S3-1、预锻坯料的喷涂：将步骤S2处理后的预锻坯料置于电阻炉中进行预热并保温，保温出炉后用水剂石墨乳对预锻坯料进行喷涂；
S3-2、预锻坯料的加热保温：首先将步骤S3-1喷涂处理后的预锻坯料置于电阻炉中进行加热保温，保温完成后，采用保温隔热材料对坯料进行全面包裹，回炉加热保温25～45min后得到加热好的预锻坯料；
S3-3、高向终锻：将所述S3-2加热好的预锻坯料出炉，在终锻模具中进行一火高向终锻(是指模锻液压机在坯料的高向(ST)上对坯料压制，进行一个火次的锻造)，终锻后将坯料散开进行空冷或比空冷更快的方式进行冷却。
步骤四、热处理：将步骤三处理后的锻件进行完全退火处理和去应力退火处理；
所述完全退火是将加热炉预热至750℃～850℃，然后将所述锻件入炉加热保温，温度波动范围≤8℃，保温2～4h后进行出炉冷却至室温；所述冷却为空冷或比空冷更快的方式冷却；
去应力退火处理是将加热炉预热至550℃～650℃，然后将完全退火处理后的锻件入炉加热保温，保温6～8h后进行出炉空冷。
优选的，步骤S1-1所述加热温度为Tβ-35℃～Tβ-50℃；所述Tβ为钛合金的相变点温度。
优选的，步骤S1-1所述保温时间按有效截面厚度×加热保温系数η计算；所述加热保温系数为0.6～1.0；
保温时间的计算公式为式(1)：
t＝H×η (1)
式(1)中t为保温时间，单位为min；H为坯料的有效截面厚度，单位为mm；η为坯料的加热保温系数，单位为min/mm。
优选的，步骤S1-2所述平砧快锻机的上、下砧座和所述开板锻前需预热，预热温度为250～350℃，预热时间12～14h；所述自由锻单火次锻造变形量为≥30％；所述自由锻终锻温度≥800℃。
优选的，步骤S2-1所述预热温度为250℃～350℃，保温时间为90±10min。
优选的，步骤S2-2所述保温时间按有效截面厚度×加热保温系数η计算；所述加热保温系数为0.6～1.8；计算公式同步骤S1-1。
优选的，步骤S2-3所述预锻模具需进行锻前预热，预热温度300～350℃，预热时间16～18h；所述预锻温度≥820℃；预锻压制速度为3～5mm/s；预锻后控制预锻坯料的四周圆角R≥30mm。
优选的，步骤S3-1所述预热温度为250℃～350℃，保温时间为90±10min。
优选的，步骤S3-2所述保温时间按有效截面厚度×加热保温系数η计算；所述加热保温系数为0.6～1.8；计算公式同步骤S1-1。
优选的，步骤S3-3所述终锻模具需进行锻前预热，预热温度350～400℃，预热时间18～20h；所述终锻温度≥820℃；终锻压制速度为1～2mm/s，控制终锻完成锻件各部的变形量≥35％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，通过创新性突破传统铸造成形工艺方法，并在传统常规锻造单向模锻造工艺方法的基础上，通过横向预锻+高向终锻实现“换向模锻”，使钛合金各向异性组织均匀性得到最大改善，达到钛合金复杂构件的模锻成形。并选取最佳锻造工艺参数和热处理工艺参数，获得具有高强度-塑性-韧性-疲劳寿命匹配的高强韧钛合金复杂构件，可广泛用于航空飞行器的机身复杂构件的制备，能够显著提高先进航空器的使用性能和服役寿命。
附图说明
图1为实施例1中自由锻的坯料结构示意图；
图2为实施例1中预锻的坯料结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，具体步骤如下：
步骤一、自由锻制坯
S1-1、坯料的加热保温：TA15钛合金
Figure BDA0004065612520000031
棒材两端面倒角后，置于炉温均匀性≤±10℃的电阻炉有效工作区中加热，加热温度为Tβ-40℃，炉温达到工艺设定温度后计算保温时间，加热保温系数η取0.8，保温时间为280min，达到工艺设定保温时间后得加热好的坯料；所述坯料的长宽高分别为：600mm、300mm、200mm；
S1-2、自由锻造：将所述加热好的坯料由机械手夹持出炉后在快锻机上进行自由锻制坯，上、下砧座及辅助开板提前用天然气预热至350℃；自由锻制坯分两火次完成，第一火次进行镦粗工序，第二火次进行分料、拔长工序，单火次锻造变形量控制在25～35％之间，终锻温度按≥800℃控制；锻造完成后进行空冷。
S1-3、预加工：将步骤S1-2得到的自由锻坯料通过数控铣床进行预加工，得到设定形状的自由锻坯料；本实施例中自由锻坯料如图1。
步骤二、横向预锻
S2-1、自由锻坯料的喷涂：将步骤S1-3处理后的坯料置于电阻炉中进行预热保温，预热温度为250℃，保温90±10min后，出炉后用配置好的专用水剂石墨乳对预加工后的自由锻坯料进行喷涂，喷涂后石墨乳涂层厚度为0.2-0.4mm；
S2-2、自由锻坯料的加热保温：首先将步骤S2-1喷涂处理后的自由锻坯料置于炉温均匀性≤±10℃的电阻炉有效工作区中加热，加热温度为Tβ-35℃，保温时间200min，达到工艺设定保温时间后得加热好的坯料；
S2-3、横向预锻：将所述S2-2加热好的自由锻坯料出炉进行一火横向预锻，预锻模具需要提前在天热气预热炉中预热至300℃，并在预锻模型腔中用专用水剂石墨乳进行喷涂；预锻压制速度设定为3mm/s，终锻温度按≥820℃控制，并控制预锻坯料的四周圆角R＝50mm，预锻完成后将坯料散开进行空冷。得到设定形状的预锻坯料；本实施例中预锻坯料如图2。
步骤三、高向终锻
S3-1、预锻坯料的喷涂：将步骤S2-3处理后的坯料打磨排伤后置于电阻炉中进行预热保温，预热温度为250℃，保温90±10min后，出炉后用配置好的专用水剂石墨乳对预锻后的坯料进行喷涂，喷涂后石墨乳涂层厚度为0.2-0.4mm；
S3-2、预锻坯料的加热保温：首先将步骤S2-1喷涂处理后的预锻坯料置于电阻炉中进行加热保温，加热温度为Tβ-30℃，保温完成后，采用保温隔热材料对坯料进行全面包裹，回炉加热保温30min后得到加热好的预锻坯料；
S3-3、高向终锻：将所述S3-2加热好的预锻坯料出炉进行一火高向终锻，终锻模具需要提前在天热气预热炉中预热至300℃，并在终锻模型腔中用专用水剂石墨乳进行喷涂。终锻压制速度设定为1mm/s，终锻温度按≥820℃控制，终锻完成后将坯料散开进行空冷。
步骤四、热处理
将步骤S3-3处理后的锻件进行完全退火和去应力退火处理。其中，完全退火处理的过程具体为：锻件加热到840℃保温3h后散开空冷，控制锻件从加热炉内转移至冷却区的时间应不超过40s；
去应力退火处理的过程具体为：把完全退火后的锻件加热到580℃保温6h，空冷。
本发明添加的水剂石墨乳按照自来水和石墨乳的质量比为10：1制备而成；添加水剂石墨乳起润滑作用；所述石墨乳为市场常规购买的MD-12石墨乳。
本发明添加的保温隔热材料为高硅氧玻璃纤维布，耐高温，起到防止坯料降温的作用。
本实施例中步骤二横向(LT向)预锻和步骤三S3高向(ST向)终锻实现“换向模锻”
采用实施例1“换向模锻”成形方法所提供大型高强韧钛合金复杂结构锻件常规力学性能见表1所示。
表1
Figure BDA0004065612520000051
由表1可知，采用实施例1“换向模锻”成形方法所提供大型高强韧钛合金复杂结构锻件常规力学性能均符合研制要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、自由锻制坯
S1-1、棒料的加热保温：将钛合金棒料置于电阻炉中进行加热并保温；
S1-2、自由锻造：将加热保温后的棒料出炉，并在快锻机上进行自由锻制坯，自由锻制坯包括多火次的镦粗、拔长及开板分料，自由锻后散开进行冷却，得到自由锻坯料；
S1-3、预加工：将所述自由锻坯料进行机械预加工成型，得到所需形状的自由锻坯料；
步骤二、横向预锻
S2-1、自由锻坯料的喷涂：将步骤S1-3处理后的自由锻坯料置于电阻炉中进行预热并保温，保温出炉后用水剂石墨乳对预锻坯料进行喷涂；
S2-2、自由锻坯料的加热保温：首先将步骤S2-1喷涂处理后的自由锻坯料置于电阻炉中进行加热保温；
S2-3、横向预锻：将所述S2-2保温处理后的自由锻坯料出炉，在预锻模具中进行一火横向预锻，预锻后将坯料散开进行冷却；
步骤三、高向终锻
S3-1、预锻坯料的喷涂：将步骤S2处理后的预锻坯料置于电阻炉中进行预热并保温，保温出炉后用水剂石墨乳对预锻坯料进行喷涂；
S3-2、预锻坯料的加热保温：首先将步骤S3-1喷涂处理后的预锻坯料置于电阻炉中进行加热保温，保温完成后，采用保温隔热材料对坯料进行全面包裹，回炉加热保温25～45min；
S3-3、高向终锻：将所述S3-2处理后的坯料出炉，在终锻模具中进行一火高向终锻，终锻后将坯料进行冷却，得到锻件；
步骤四、热处理：将步骤三处理后的锻件进行完全退火处理和去应力退火处理；
所述完全退火是将加热炉预热至750℃～850℃，然后将所述锻件入炉加热保温，温度波动范围≤8℃，保温2～4h后进行出炉冷却至室温；
所述去应力退火处理是将加热炉预热至550℃～650℃，然后将完全退火处理后的锻件入炉加热保温，保温6～8h后进行出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S1-1所述加热温度为Tβ-35℃～Tβ-50℃；所述Tβ为钛合金的相变点温度。
3.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S1-1所述保温时间按有效截面厚度×加热保温系数计算；所述加热保温系数为0.6～1.0。
4.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S1-2所述快锻机的上、下砧座和所述开板锻前需预热，预热温度为250～350℃，预热时间12～14h；所述自由锻单火次锻造变形量为≥30％；所述自由锻终锻温度≥800℃。
5.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S2-1所述预热温度为250℃～350℃，保温时间为90±10min。
6.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S2-2所述保温时间按有效截面厚度×加热保温系数计算；所述加热保温系数为0.6～1.8。
7.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S2-3所述预锻模具需进行锻前预热，预热温度300～350℃，预热时间16～18h；所述预锻温度≥820℃；预锻压制速度为3～5mm/s；预锻后控制预锻坯料的四周圆角R≥30mm。
8.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S3-1所述预热温度为250℃～350℃，保温时间为90±10min。
9.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S3-2所述保温时间按有效截面厚度×加热保温系数计算；所述加热保温系数为0.6～1.8。
10.根据权利要求1所述的大型高强韧钛合金复杂构件换向模锻成形方法，其特征在于，步骤S3-3所述终锻模具需进行锻前预热，预热温度350～400℃，预热时间18～20h；所述终锻温度≥820℃；终锻压制速度为1～2mm/s，控制终锻完成锻件各部的变形量≥35％。
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