CN116673422A - Tc4钛合金大规格锻棒材的锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，包括如下步骤：步骤1、将直径Φ700～750mm的TC4钛合金铸锭加热至β转变温度以上150～200℃并保温3～5h，坯料出炉后采用快锻机进行锻造；步骤2、将上一步骤得到的坯料在β转变温度以上0～50℃加热保温3～5h，采用快锻机进行2火次锻造；步骤3、将上一步骤第2火次锻造得到的坯料在β转变温度以下30～40℃加热保温3～5h，采用快锻机进行3火次锻造；步骤4、将上一步骤第3火次锻造得到的坯料多火次拔长，在拔长的过程中当坯料温度低于850℃时停止拔长，回炉保温1h，出炉后继续拔长，拔长至预定长度后，采用型砧进行滚圆，最终获得预定尺寸的棒材，提高了棒材的组织均匀性和TC4锻棒材成材率。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金的棒材锻造领域，尤其涉及一种TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法。
背景技术
TC4钛合金具有超导、储氢、形状记忆、超弹和高阻尼等特殊性能，其作为所有钛合金中市场需求最大的材料，使用领域十分广泛。尤其在航空领域，使用钛合金代替传统金属材料加工成航空发动机的压气机盘、叶片和机匣、蒙皮、紧固件等关键零部件，减重效果明显，对提高飞机推动力、增加航程、节省燃料等都会产生巨大的效益。同时，TC4钛合金应用于航空航天领域，对其合金成分均匀性、组织均匀性、性能均一性、以及超声波探伤都提出了很高的要求。
钛合金的加工过程一般分为海绵钛冶炼、铸锭熔炼、锻造/轧制等工艺流程。航空用TC4钛合金棒材锻造过程中，为制备出满足上述技术要求的高品质钛合金棒材，往往需要在β单相区2～4火次开坯锻造，α+β两相区5～10火次反复墩拔以及1～2火次成型，导致航空级大规格TC4锻棒材产品锻造过程中坯料开裂严重，由此会导致每火次修磨量增加，导致成材率低、生产成本高，还会迫使热变形过程中断，导致棒材单火次变形量不足，组织均匀性差。
因此，如何通过合理的锻造工艺设计，降低从TC4钛合金铸锭到合格锻棒材的火次，实现低成本和高综合性能的良好匹配，其已成为高成材率大规格TC4钛合金锻棒材技术开发中需要解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其能解决现有技术中生产TC4钛合金坯料开裂严重、成材率低、生产成本高以及组织和性能不均匀的技术问题。
一方面，本发明实施例公开了一种TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，包括如下步骤：
步骤1、将直径Φ700～750mm的TC4钛合金铸锭加热至β转变温度以上150～200℃并保温3～5h，坯料出炉后采用快锻机进行锻造，先将所述铸锭镦粗至高径比为1.6～1.8，回炉保温1.5～2h；后出炉镦粗至高度的80％，拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；后出炉镦粗至高度的75％，拔长至高径比为1.4～1.6，终锻温度≥950℃；
步骤2、将上一步骤得到的坯料在β转变温度以上0～50℃加热保温3～5h，采用快锻机进行2火次锻造，每火次坯料出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的70％～75％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的65％～70％，再拔长至高径比为1.4～1.6，2火次锻造中第1火次终锻温度≥900℃、第2火次终锻温度≥850℃；
步骤3、将上一步骤第2火次锻造得到的坯料在β转变温度以下30～40℃加热保温3～5h，采用快锻机进行3火次锻造，每火次坯料出炉后，先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的60％～65％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；后3火次锻造中的第1火次和第2火次出炉后先镦粗至高度的60％，再拔长至高径比为1.4～1.6，3火次锻造中的第3火次先镦粗至高度的60％，再拔长至八方400mm；
步骤4、将上一步骤第3火次锻造得到的坯料多火次拔长，在拔长的过程中当坯料温度低于850℃时停止拔长，回炉保温1h，出炉后继续拔长，拔长至预定长度后，采用型砧进行滚圆，最终获得预定尺寸的棒材。
根据本发明的一个实施例，步骤1至步骤4中加热方式采用电加热炉加热，加热升温速度≤200℃/h。
根据本发明的一个实施例，步骤2中，2火次锻造中第1火次坯料出炉温度1050℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的75％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的70％，再拔长至高径比为1.4～1.6；2火次锻造中第2火次坯料出炉温度1000℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的70％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的65％，再拔长至高径比为1.4～1.6。
根据本发明的一个实施例，步骤3中，3火次锻造中第1火次坯料出炉温度960℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的65％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；3火次锻造中第1火次和第2火次坯料出炉温度960℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的60％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h。
根据本发明的一个实施例，步骤1至步骤3中每火次锻造结束后，坯料甩出修磨表面。
根据本发明的一个实施例，所述TC4钛合金规格为Φ750mm×1500mm，所述TC4钛合金重量为3t，所述快锻机的规格为45MN，步骤1锻造结束后坯料尺寸为Φ860mm×1290mm。
根据本发明的一个实施例，所述预定尺寸的棒材为直径Φ200～300mm、长度1800～2000mm的棒材。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，通过每火次镦粗拔长2～3次，每一火次中先镦粗预定的量接着拔长至预定的高径比且镦粗和拔长的变形量不同，提供了变形量梯度分配和跨火次拔长有效结合的方式，减小了每火次热变形过程中坯料的开裂程度，提高了棒材的组织均匀性，提高了TC4锻棒材成材率，同时减少了锻造火次，缩短了生产周期，流程短，能耗低，生产成本也相应降低，满足了航空航天等领域对低成本、高性能钛合金结构件的需求。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例公开的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法的流程示意图；
图2为实施例1得到的TC4钛合金Φ210mm×1800mm棒材截面边缘位置处不同放大倍数下的横向显微组织；
图3为实施例1得到的TC4钛合金Φ210mm×1800mm棒材截面1/2R位置处不同放大倍数下的横向显微组织；
图4为实施例1得到的TC4钛合金Φ210mm×1800mm棒材截面心部位置处不同放大倍数下的横向显微组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
如图1所示，本发明一实施例公开了一种TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，包括如下步骤：
步骤1、将直径Φ700～750mm的TC4钛合金铸锭加热至β转变温度以上150～200℃并保温3～5h，坯料出炉后采用快锻机进行锻造，先将所述铸锭镦粗至高径比为1.6～1.8，回炉保温1.5～2h；后出炉镦粗至高度的80％，拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；后出炉镦粗至高度的75％，拔长至高径比为1.4～1.6，终锻温度≥950℃；
步骤2、将上一步骤得到的坯料在β转变温度以上0～50℃加热保温3～5h，采用快锻机进行2火次锻造，每火次坯料出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的70％～75％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的65％～70％，再拔长至高径比为1.4～1.6，2火次锻造中第1火次终锻温度≥900℃、第2火次终锻温度≥850℃；
步骤3、将上一步骤第2火次锻造得到的坯料在β转变温度以下30～40℃加热保温3～5h，采用快锻机进行3火次锻造，每火次坯料出炉后，先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的60％～65％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；后3火次锻造中的第1火次和第2火次出炉后先镦粗至高度的60％，再拔长至高径比为1.4～1.6，3火次锻造中的第3火次先镦粗至高度的60％，再拔长至八方400mm；
步骤4、将上一步骤第3火次锻造得到的坯料多火次拔长，在拔长的过程中当坯料温度低于850℃时停止拔长，回炉保温1h，出炉后继续拔长，拔长至预定长度后，采用型砧进行滚圆，最终获得预定尺寸的棒材。
在一些实施例中，步骤1至步骤4中加热方式采用电加热炉加热，加热升温速度≤200℃/h。在该实施例中，采用电加热炉加热、控制升温速度，有利于保证坯料整体温度均匀分布。
在一些实施例中，步骤2中，2火次锻造中第1火次坯料出炉温度1050℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的75％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的70％，再拔长至高径比为1.4～1.6；2火次锻造中第2火次坯料出炉温度1000℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的70％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的65％，再拔长至高径比为1.4～1.6。
在一些实施例中，步骤3中，3火次锻造中第1火次坯料出炉温度960℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的65％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；3火次锻造中第1火次和第2火次坯料出炉温度960℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的60％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h。
在一些实施例中，步骤1至步骤3中每火次锻造结束后，坯料甩出修磨表面。
在一些实施例中，TC4钛合金规格为Φ750mm×1500mm，TC4钛合金重量为3t，快锻机的规格为45MN，步骤1锻造结束后坯料尺寸为Φ860mm×1290mm。该实施例公开的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，能够在45MN快锻机上实现单重为3t的超大规格TC4钛合金锻坯的批量生产，较传统TC4大规格钛合金锻坯锻造加工成本降低约15％，综合成材率提升约5％，适用于工业化生产。
在一些实施例中，预定尺寸的棒材为直径Φ200～300mm、长度1800～2000mm的棒材。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例中TC4钛合金的规格为Φ7500mm×1500mm，铸锭β转变温度Tβ为1000℃。
步骤1：将TC4铸锭加热至1150℃进行保温，升温速度≤200℃/h，保温时间为3～5h，出炉后首先将其墩粗至高径比为1.6～1.8，然后回炉保温1.5～2h；出炉后墩粗至高度的80％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉墩粗至高度的75％，后拔长至高径比为1.4～1.6，坯料尺寸为Φ860mm×1290mm，终锻温度≥950℃，第1火次锻造结束，坯料甩出修磨表面。
步骤2、将上一步骤得到的TC4钛合金坯料加热至1050℃并保温3～5h，坯料出炉后，先小变形拔长至高径比为1.7～1.9消除打磨缺陷，再墩粗至高度的75％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先墩粗至高度的70％，再拔长至高径比为1.4～1.6，终锻温度≥900℃，第2火次锻造结束，坯料甩出修磨表面。
步骤3、将上一步骤得到的TC4钛合金坯料加热至1000℃并保温3～5h，坯料出炉后，先小变形拔长至高径比为1.7～1.9消除打磨缺陷，再墩粗至高度的70％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后，先墩粗至高度的65％，再拔长至高径比为1.4～1.6，终锻温度≥850℃，第3火次锻造结束，坯料甩出修磨表面。
步骤4、将上一步骤得到的TC4钛合金坯料加热至960℃并保温3～5h，坯料出炉后，先小变形拔长至高径比为1.7～1.9消除打磨缺陷，再墩粗至高度的65％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后，先墩粗至高度的60％，再拔长至高径比为1.4～1.6，终锻温度≥850℃，第4火次锻造结束，坯料甩出修磨表面。
步骤5、将上一步骤得到的TC4钛合金坯料加热至960℃并保温3～5h，坯料出炉后，先小变形拔长至高径比为1.7～1.9消除打磨缺陷，再墩粗至高度的60％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后，先墩粗至高度的60％，再拔长至高径为比1.4～1.6，终锻温度≥850℃，第五火次锻造结束，坯料甩出修磨表面。
步骤6、将上一步骤得到的TC4钛合金坯料加热至960℃并保温3～5h，坯料出炉后，先小变形拔长至高径比为1.7～1.9消除打磨缺陷，再墩粗至高度的60％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后，先墩粗至高度的60％，再拔长至八方400mm，终锻温度≥850℃，第六火次锻造结束，坯料甩出修磨表面。
步骤7、将上一步骤得到的TC4钛合金坯料多火次拔长，该过程中每当坯料温度低于850℃时，停止拔长，回炉保温1h，出炉后继续拔长。拔长至预定长度后，采用型砧进行滚圆，最终获得Φ210mm×1800mm棒材，且满足GJB 1538A-2008的标准和用户要求。
本发明对实施例1锻造的TC4钛合金大规格锻棒材进行性能检测，结果如下表1。
表1TC4钛合金锻棒材室温力学性能评价
从表1中可以看出，采用本发明方法锻造的TC4钛合金大规格锻棒材室温抗拉强度σ0.2为943～972MPa，屈服强度σb为868～919MPa，延伸率A不小于13.75，端面收缩率Z不小于38.5，头部和断裂韧性KIC分别为89.25Mpa·m1/2、90.65Mpa·m1/2。另外，从附图2、附图3和附图4的对比可以看出，实施例1得到的棒材截面所有位置处的显微组织都表现出典型的双态组织特征，且不同位置的等轴初生α相和板条次生α相的尺寸几乎没有差别，说明实施例1制得的棒材不同位置的组织均匀性非常好，满足技术要求。
综上所述，本发明实施例提供的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，通过每火次镦粗拔长2～3次，每一火次中先镦粗预定的量接着拔长至预定的高径比且镦粗和拔长的变形量不同，提供了变形量梯度分配和跨火次拔长有效结合的方式，减小了每火次热变形过程中坯料的开裂程度，提高了棒材的组织均匀性，提高了TC4锻棒材成材率，同时减少了锻造火次，缩短了生产周期，流程短，能耗低，生产成本也相应降低，满足了航空航天等领域对低成本、高性能钛合金结构件的需求。
需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将直径Φ700～750mm的TC4钛合金铸锭加热至β转变温度以上150～200℃并保温3～5h，坯料出炉后采用快锻机进行锻造，先将所述铸锭镦粗至高径比为1.6～1.8，回炉保温1.5～2h；后出炉镦粗至高度的80％，拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；后出炉镦粗至高度的75％，拔长至高径比为1.4～1.6，终锻温度≥950℃；
步骤2、将上一步骤得到的坯料在β转变温度以上0～50℃加热保温3～5h，采用快锻机进行2火次锻造，每火次坯料出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的70％～75％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的65％～70％，再拔长至高径比为1.4～1.6，2火次锻造中第1火次终锻温度≥900℃、第2火次终锻温度≥850℃；
步骤3、将上一步骤第2火次锻造得到的坯料在β转变温度以下30～40℃加热保温3～5h，采用快锻机进行3火次锻造，每火次坯料出炉后，先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的60％～65％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；后3火次锻造中的第1火次和第2火次出炉后先镦粗至高度的60％，再拔长至高径比为1.4～1.6，3火次锻造中的第3火次先镦粗至高度的60％，再拔长至八方400mm；
步骤4、将上一步骤第3火次锻造得到的坯料多火次拔长，在拔长的过程中当坯料温度低于850℃时停止拔长，回炉保温1h，出炉后继续拔长，拔长至预定长度后，采用型砧进行滚圆，最终获得预定尺寸的棒材。
2.根据权利要求1所述的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其特征在于，步骤1至步骤4中加热方式采用电加热炉加热，加热升温速度≤200℃/h。
3.根据权利要求1所述的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其特征在于，步骤2中，2火次锻造中第1火次坯料出炉温度1050℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的75％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的70％，再拔长至高径比为1.4～1.6；2火次锻造中第2火次坯料出炉温度1000℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的70％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；出炉后先镦粗至高度的65％，再拔长至高径比为1.4～1.6。
4.根据权利要求1所述的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其特征在于，步骤3中，3火次锻造中第1火次坯料出炉温度960℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的65％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h；3火次锻造中第1火次和第2火次坯料出炉温度960℃，出炉后先拔长至高径比为1.7～1.9，再镦粗至高度的60％，后拔长至高径比为1.7～1.9，回炉保温1.5～2h。
5.根据权利要求1所述的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其特征在于，步骤1至步骤3中每火次锻造结束后，坯料甩出修磨表面。
6.根据权利要求1所述的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其特征在于，所述TC4钛合金规格为Φ750mm×1500mm，所述TC4钛合金重量为3t，所述快锻机的规格为45MN，步骤1锻造结束后坯料尺寸为Φ860mm×1290mm。
7.根据权利要求1所述的TC4钛合金大规格锻棒材的锻造方法，其特征在于，所述预定尺寸的棒材为直径Φ200～300mm、长度1800～2000mm的棒材。
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2023
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