CN117000926A - 一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，包括开坯工序、改锻工序和成型工序；随着火次增加，Tx1从β+(160～170℃)降低至β+(30～40℃)，同时开坯工序的压下量由Hk1降低至Tx2从β‑(30～35℃)降低至β‑(35～40℃)再增加至β+(35～40℃)，同时改锻工序的压下量由Hg1降低至再增加至Tx3保持在β‑(35～40℃)，同时压下量由Hc1降低至本发明解决了因锻坯在高温变形不均匀而导致的锻坯最终低倍组织和高倍组织不均匀问题。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金棒材内部组织成型领域，具体涉及一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法。
背景技术
钛合金棒材是由钛合金原材料经过海绵钛熔炼、开坯成形。由于特种需求的锻件用料对其内部组织均匀性有较高的要求，且锻件的综合性能与其显微组织密切相关，而现有工艺制备的钛合金棒材的内部组织均匀性难以满足所需产品对组织的较高要求，因此，在热成形产品前，需要利用锻压设备对坯料进行均匀化锻造成型，以满足产品所需原材料的要求。
现有的锻造工艺主要是在5000T压力机上改锻生产Ti6Al4V锻件，加热温度采用一直递减的方式来完成Ti6Al4V坯料的开坯锻造。现有的锻造工艺中，锻造温度的控制存在在高温变形未完全改善锻件内部组织晶粒细化的情况，按照加热温度递减的方式生产，最终存在局部粗晶或组织不均匀，致使力学性能指标较差，理化结果不合格，出现报废，造成生产周期长，能源消耗高等缺陷。
目前，多数厂家利用液压机设备进行钛合金均匀性的改锻生产工艺，主要是对加热温度采用一直递减的方式来完成钛合金坯料开坯锻造，而对锻造过程的锤击速度，锤击频率，压下量和送进量等锻造工艺没有很好的匹配方法，造成最终成型棒材的表面低倍和内部显微组织不均匀性问题。例如，大体积的Ti6Al4V钛合金在航空领域被大范围的应用，而锻件对棒材的组织均匀性要求更高，然而现有的锻造工艺因锻坯在高温变形不均匀而无法满足Ti6Al4V钛合金棒材的表面低倍和内部显微组织不均匀性问题。
此外，采用加热温度一直递减的现有的锻造工艺获得的钛合金棒材，对棒材组织均匀性取样，只能在样品1/4处取样做组织均匀性检查，且1/4处取样情况达到基本组织均匀性要求；然而无法在1/2处取样做组织均匀性检查，且1/2处取样情况无法达到基本组织均匀性要求。
发明内容
为了解决现有锻造工艺因锻坯在高温变形不均匀而导致的锻坯最终低倍组织和高倍组织不均匀的问题，本发明的目的在于提供一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法。
为提高生产效率，减少废品，充分利用对锻造温度和锻造技术条件的优化生产流程，进行有效改良常规的锻造方法，采用降-升-降的温度加热的方法，来有效改善在开坯高温残余未变形的原始晶粒组织，提高锻件生产改锻合格率及所需内部组织合格率，同时可以很好的控制锻件锻造时的变形技术参数的相互匹配关系，使其满足所需的内部组织均匀性要求，所需的内部组织为：a+β。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，包括开坯工序、改锻工序和成型工序；
所述开坯工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx1时，控制每火次压下量；且随着开坯工序火次的增加，Tx1从β+(160～170℃)降低至β+(30～40℃)，同时开坯工序的压下量由Hk1降低至110mm≤Hk1≤155mm，/>n1为改锻工序的锻造火次，n1为≥2的正整数；
所述改锻工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx2时，控制每火次压下量；且随着改锻工序火次的增加，Tx2从β-(30～35℃)降低至β-(35～40℃)再增加至β+(35～40℃)，同时改锻工序的压下量由Hg1降低至再增加至/>100mm≤Hg1≤125mm， n2’,n2为改锻工序的锻造火次，1<n2’<n2，n2为≥3的正整数；
所述成型工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx3时，控制每火次压下量；且随着成型工序火次的增加，Tx3保持在β-(35～40℃)，同时成型工序的压下量由Hc1降低至80mm≤Hc1≤100mm，/> n3为成型工序的锻造火次，n3为≥2的正整数；
其中，β为钛合金棒材的相变点温度。本发明中，Tx1为开坯工序每火次的终锻温度；Hk1为开坯工序第1火次的压下量；为开坯工序第n1火次的压下量。Tx2为改锻工序每火次的终锻温度；Hg1为改锻工序第1火次的压下量；/>为改锻工序第n2’火次的压下量；/>为改锻工序第n2火次的压下量。Tx3为成型工序每火次的终锻温度；Hc1为成型工序第1火次的压下量；/>为成型工序第n1火次的压下量。
进一步，所述开坯工序中，110mm≤Hk1≤155mm，
所述改锻工序中，100mm≤Hg1≤125mm，
所述成型工序中，80mm≤Hc1≤100mm，
更进一步，所述开坯工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx1时，控制每火次压下量；且随着开坯工序火次的增加，Tx1从β+(160～170℃)降低至β+(30～40℃)，同时压下量由110～155mm降低至100～135mm；
所述改锻工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx2时，控制每火次压下量，且随着改锻工序火次的增加，Tx2从β-(30～35℃)降低至β-(35～40℃)再增加至β+(35～40℃)，同时压下量由100～125mm降低至95～115mm再增加至110～155mm；
所述成型工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx3时，控制每火次压下量，且随着成型工序火次的增加，Tx3保持在β-(35～40℃)，同时压下量由80～100mm降低至60～80mm。
更进一步，随着开坯工序火次的增加，Tx1从β+(160～170℃)降低至β+(30～40℃)，同时压下速度从Vk1降低至45mm/s≤Vk1≤55mm/s，送给量从Mk1降低至/>250mm≤Mk1≤500mm，
随着改锻工序火次的增加，Tx2从β-(30～35℃)降低至β-(35～40℃)再增加至β+(35～40℃)，同时压下速度由Vg1降低至再增加至/>30mm/s≤Vg1≤35mm/s， 送给量由Mg1降低至/>再增加至/>220mm≤Mg1≤350mm，
随着成型工序火次的增加，Tx3保持在β-(35～40℃)，同时压下速度由Vc1降低至35mm/s≤Vc1≤40mm/s，/>送给量由Mc1降低至220mm≤Mc1≤350mm，/>
本发明中，Vk1为开坯工序第1火次的压下速度；为开坯工序第n1火次的压下速度；Mk1为开坯工序第1火次的送给量；/>为开坯工序第n1火次的送给量。Vg1为改锻工序第1火次的压下量；/>为改锻工序第n2’火次的压下速度；/>为改锻工序第n2火次的压下速度；Mg1为改锻工序第1火次的送给量；/>为改锻工序第n2’火次的送给量；为改锻工序第n2火次的送给量。Vc1为成型工序第1火次的压下速度；/>为成型工序第n3火次的压下速度；Mc1为成型工序第1火次的送给量；/>为成型工序第n3火次的送给量。本发明中，通过综合考虑棒材的改锻所需的加热温度递变过程、同时对锤击速度，锤击频率，压下量和送进量等因素的综合考虑，利用5000T压力机设备通过对坯料进行均匀改锻，以提高Ti6Al4V棒材的组织均匀性，解决因锻坯在高温变形不均匀而导致的锻坯最终低倍组织和高倍组织不均匀问题。
更进一步，当所述开坯工序的锻造火次为n1火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温一段时间，之后升温至Tx1＝β+(160～170℃)，保温一段时间；同时压下速度45～55mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm；
第n1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温一段时间，之后升温至Tx1＝β+(30～40℃)，保温一段时间，同时压下速度35～40mm/s，压下量105～135mm，送给量230～400mm。
更进一步，当所述改锻工序的锻造火次为n2火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温一段时间，之后升温至Tx2＝β-(30～35℃)，保温一段时间；同时压下速度30～35mm/s，压下量100～125mm，送给量220～350mm；
第n2’火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温一段时间，之后升温至Tx2＝β-(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度25～30mm/s；压下量95～115mm；送给量210～300mm；
第n2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温一段时间，之后升温至Tx2＝β+(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度40～45mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm。
更进一步，当所述成型工序的锻造火次为n3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温一段时间，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度35～40mm/s，压下量80～100mm，送给量220～350mm；
第n3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温一段时间，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度20～30mm/s，压下量60～80mm，送给量200～250mm。
更进一步，所述开坯工序中，随着开坯工序火次的增加，每火次的终锻温度Tx1的保温时间由初始的410～420min降低至250～270min；
所述改锻工序中，随着改锻工序火次的增加，每火次的终锻温度Tx2的保温时间由初始的350～360min降低至150～160min再增加至350～360min；
所述成型工序中，随着成型工序火次的增加，每火次的终锻温度Tx3的保温时间由初始的220～230min降低至180～190min。
更进一步，所述开坯工序的锻造火次为2～4火；
所述改锻工序的锻造火次为3～5火；
所述成型工序的锻造火次为2～4火。
更进一步，当所述开坯工序的锻造火次为3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温100～120min，之后升温至Tx1＝β+(160～170℃)，保温410～420min；同时压下速度45～55mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm；
第2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温100～120min，之后升温至Tx1＝β+(70～80℃)，保温260～270min；同时压下速度40～45mm/s；压下量100～145mm；送给量240～450mm；
第3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温100～120min，之后升温至Tx1＝β+(30～40℃)，保温250～260min；同时压下速度35～40mm/s，压下量105～135mm，送给量230～400mm；
当所述改锻工序的锻造火次为3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温100～120min，之后升温至Tx2＝β-(30～35℃)，保温350～360min；同时压下速度30～35mm/s，压下量100～125mm，送给量220～350mm；
第2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温100～120min，之后升温至Tx2＝β-(35～40℃)，保温150～160min；同时压下速度25～30mm/s；压下量95～115mm；送给量210～300mm；
第3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温100～120min，之后升温至Tx2＝β+(35～40℃)，保温350～360min；同时压下速度40～45mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm；
当所述成型工序的锻造火次为3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温100～120min，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温220～230min；同时压下速度35～40mm/s，压下量80～100mm，送给量220～350mm；
第2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温100～120min，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温200～210min；同时压下速度30～35mm/s；压下量70～90mm；送给量210～300mm；
第3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温100～120min，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温180～190min；同时压下速度20～30mm/s，压下量60～80mm，送给量200～250mm。
本发明的有益效果：
1、本发明通过改进锻造工艺，采用降-升-降的温度加热的方法，解决因锻坯在高温变形不均匀导致的低倍组织和高倍组织的不均匀问题，有效改善在开坯高温参与未变形的原始晶粒组织；并控制锻件锻造的变形计数参数之间的匹配关系，通过对改锻的温度和锤击速度、频率、压下量和送进量等参数匹配优化，提高锻件生产改锻合格率及所需内部组织合格率。
2、本发明能够很好的控制锻件锻造时的变形技术参数的相互匹配关系。而通过综合考虑棒材的改锻所需的加热温度递变过程、同时对锤击速度，锤击频率，压下量和送进量等因素的综合考虑；来改善棒材最终理化所需的要求，提高了锻造合格率，减少废品损失，节约能源，同时提高了经济效益。
附图说明
图1至图4为实施例1的锻件的理化检查结果。
图5至图8为实施例2的锻件的理化检查结果。
图9为比较例1的锻件的理化检查结果。
图10为实施例3的锻件的高倍检查结果。其中(A)为1/4处的高倍组织图，(B)为1/2处(芯部)的高倍组织图。
图11为比较例1的锻件的高倍检查结果。其中(A)为1/4处的高倍组织图，(B)为1/2处(芯部)的高倍组织图。
图12为实施例1的锻件在不同高度取样的图片，其中(A)为1/3H高度取样，(B)为1/4H高度取样，(C)为1/2H高度(芯部)取样。
图13为图12在不同高度取样的锻件样品的高倍显微组织检查照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在钛合金棒材热成形前，需要用锻压设备对坯料进行均匀化锻造成形，满足最终应用对材料的组织要求。而市场上采用液压机设备进行钛合金均匀性的改锻生产，加热温度都采用一直递减的方式完成坯料的锻造工艺，锻造工艺(锤击参数，压下量等)无法匹配造成最终成型棒材表面低倍和内部显微组织的不均匀性，导致产品力学性能指标差，理化结果不合格，造成生产周期长，能源消耗高。随着航空领域和军工领域钛合金棒材的高端应用越来越多，对于棒材的组织均匀性要求更高，需要我们通过改锻棒材完成显微组织判断棒材的组织均匀性。因此，我们以Ti6Al4V钛合金铸锭为原料的改锻方法来验证本发明的效果。
下述各实施例中，选用Ti6Al4V钛合金铸锭进行锻造成型说明，铸锭规格：Φ690×1000；相变点：β＝988～995℃。当然，也可以选用其他规格的铸锭，此处仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。压力机采用500T压力机。下述各实施例中实验方法如无特殊说明，均为常规方法；设备和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
实施例1
一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，包括以下步骤：
(1)开坯工序：Ti6Al4V钛合金铸锭，Φ690×1000，相变点：β＝995℃。
第1火：加热温度和时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温到800～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1165℃(β+170℃)，保温420min；技术要求：该工序的压下速度45mm/s，压下量110mm，送给量250mm；锻造：Φ690×1000；经轴向镦粗，再压扁后、锻方拔长，轴向镦粗，再锻方拔长。
第2火：加热温度和时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至790～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1075℃(β+80℃)，保温270min；技术要求：该工序的压下速度40mm/s；压下量108mm；送给量240mm；锻造：经轴向镦粗，再换向锻方拔长，再轴向镦粗，换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至780～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1035℃(β+40℃)，保温260min；技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量105mm，送给量230mm。锻造：经轴向镦粗、锻方，再锻方、拔长，换向后镦粗、锻方，再对角拔长。
(2)改锻工序：
第1火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至800～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝960℃(β-35℃)，保温360min；技术要求：该工序的压下速度30mm/s，压下量100mm，送给量220mm；锻造：经再镦粗、锻方，换向后锻方、拔长。
第2火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至790～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温160min；技术要求：该工序的压下速度25mm/s；压下量95mm；送给量210mm；锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至780～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1035℃(β
+40℃)，保温360min；技术要求：该工序的压下速度45mm/s，压下量110mm，送给量250mm。锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方、拔长。
(3)成型工序：
第1火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至800～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温230min；技术要求：该工序的压下速度40mm/s，压下量100mm，送给量220mm；锻造：经轴向拔长倒八方，回炉一次，轴向拔长倒八方，回炉二次，轴向拔长倒八方，中间采用剁刀均分3件。
第2火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至790～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温210min；技术要求：该工序的压下速度35mm/s；压下量70mm；送给量210mm；锻造：经轴向锻方、拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至780～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温190min；技术要求：该工序的压下速度20mm/s，压下量60mm，送给量200mm。锻造：用专用摔子摔圆、轴向拔长(允许回火1次hours)，得到钛合金棒材。
(4)热处理：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度≤600℃入炉，随炉升温至755℃，保温180min，出炉后空冷。
(5)机加：机加外圆和两端面；表面粗糙度Ra3.2。
(6)理化检查：
理化项目：化学成分、力学性能、高倍组织、低倍组织检查等。
腐蚀标准：按AMS4982的标准100％检查两端低倍组织。
实施例2
一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，包括以下步骤：
(1)开坯工序：Ti6Al4V钛合金铸锭，Φ690×1000，相变点：β＝995℃。
第1火：加热温度和时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温到830～850℃，保温100min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1155℃(β+160℃)，保温410min；技术要求：该工序的压下速度55mm/s，压下量155mm，送给量500mm；锻造：Φ690×1000；经轴向镦粗，再压扁后、锻方拔长，轴向镦粗，再锻方拔长。
第2火：加热温度和时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至830～840℃，保温100min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1065℃(β+70℃)，保温260min；技术要求：该工序的压下速度45mm/s；压下量145mm；送给量450mm；锻造：经轴向镦粗，再换向锻方拔长，再轴向镦粗，换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至820～830℃，保温100min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1025℃(β+30℃)，保温250min；技术要求：该工序的压下速度40mm/s，压下量105mm，送给量400mm。锻造：经轴向镦粗、锻方，再锻方、拔长，换向后镦粗、锻方，再对角拔长。
(2)改锻工序：
第1火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至830～850℃，保温100min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝965℃(β-30℃)，保温350min；技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量125mm，送给量350mm；锻造：经再镦粗、锻方，换向后锻方、拔长。
第2火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至830～840℃，保温100min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝960℃(β-35℃)，保温150min；技术要求：该工序的压下速度25mm/s；压下量95mm；送给量300mm；锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至820～830℃，保温100min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1030℃(β
+35℃)，350min；技术要求：该工序的压下速度40mm/s，压下量155mm，送给量500mm。锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方、拔长。
(3)成型工序：
第1火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至830～850℃，保温100min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝960℃(β-35℃)，保温220min；技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量100mm，送给量350mm；锻造：经轴向拔长倒八方，回炉一次，轴向拔长倒八方，回炉二次，轴向拔长倒八方，中间采用剁刀均分3件。
第2火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至830～840℃，保温100min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝960℃(β-35℃)，保温200min；技术要求：该工序的压下速度30mm/s；压下量90mm；送给量300mm；锻造：经轴向锻方、拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至820～830℃，保温100min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝960℃(β-35℃)，保温180min；技术要求：该工序的压下速度20mm/s，压下量80mm，送给量250mm。锻造：用专用摔子摔圆、轴向拔长(允许回火1次hours)，得到钛合金棒材。
(4)热处理；(5)机加；(6)理化检查；与实施例1的方法相同。
实施例3
一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，包括以下步骤：
(1)开坯工序：Ti6Al4V钛合金铸锭，Φ690×1000，相变点：β＝995℃。
第1火：加热温度和时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温到800～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1165℃(β+170℃)，保温420min；技术要求：该工序的压下速度50mm/s，压下量145mm，送给量380mm；锻造：Φ690×1000；经轴向镦粗，再压扁后、锻方拔长，轴向镦粗，再锻方拔长。
第2火：加热温度和时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至790～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1075℃(β+80℃)，保温270min；技术要求：该工序的压下速度45mm/s；压下量140mm；送给量350mm；锻造：经轴向镦粗，再换向锻方拔长，再轴向镦粗，换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至780～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1035℃(β+40℃)，保温260min；技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量135mm，送给量300mm。锻造：经轴向镦粗、锻方，再锻方、拔长，换向后镦粗、锻方，再对角拔长。
(2)改锻工序：
第1火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至800～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝960℃(β-35℃)，保温360min；技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量100mm，送给量300mm；锻造：经再镦粗、锻方，换向后锻方、拔长。
第2火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至790～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温160min；技术要求：该工序的压下速度20mm/s；压下量95mm；送给量270mm；锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至780～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以上温度Tx＝1035℃(β
+40℃)，保温360min；技术要求：该工序的压下速度45mm/s，压下量155mm，送给量400mm。锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方、拔长。
(3)成型工序：
第1火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至800～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温230min；技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量80mm，送给量300mm；锻造：经轴向拔长倒八方，回炉一次，轴向拔长倒八方，回炉二次，轴向拔长倒八方，中间采用剁刀均分3件。
第2火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至790～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温210min；技术要求：该工序的压下速度33mm/s；压下量75mm；送给量260mm；锻造：经轴向锻方、拔长。
第3火：加热温度和保温时间：由初始温度≤800℃入炉，随炉升温至780～810℃，保温120min，再随炉升温到相变点以下温度Tx＝955℃(β-40℃)，保温190min；技术要求：该工序的压下速度30mm/s，压下量70mm，送给量220mm。锻造：用专用摔子摔圆、轴向拔长(允许回火1次hours)，得到钛合金棒材。
(4)热处理；(5)机加；(6)理化检查；与实施例1的方法相同。
比较例1
一种钛合金棒材的锻造成型方法，与实施例1的区别之处在于，加热温度都采用一直递减的方式完成坯料的锻造工艺，具体方法包括以下步骤：
(1)开坯锻造：Ti6Al4V钛合金铸锭，Φ690×1000，相变点：β＝995℃。
第1火：加热温度和时间：由初始温度1150℃，终锻温度控制在800℃。技术要求：该工序的压下速度45mm/s，压下量110mm，送给量250mm。锻造：Φ690×1000；经轴向镦粗，再压扁后、锻方拔长，轴向镦粗，再锻方拔长。
第2火：加热温度和时间：钛合金棒材由初始温度1100℃，终锻温度控制在800℃。技术要求：该工序的压下速度40mm/s；压下量108mm；送给量240mm；锻造：经轴向镦粗，再换向锻方拔长，再轴向镦粗，换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度1040℃，终锻温度控制在800℃。技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量105mm，送给量230mm。锻造：经轴向镦粗、锻方，再锻方、拔长，换向后镦粗、锻方，再对角拔长。
(2)改锻锻造：
第1火：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度960℃，终锻温度控制在800℃。技术要求：该工序的压下速度35mm/s，压下量100mm，送给量220mm。锻造：经再镦粗、锻方，换向后锻方、拔长。
第2火：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度950℃，终锻温度控制在800℃。技术要求：该工序的压下速度30mm/s；压下量95mm；送给量210mm。锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方拔长。
第3火：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度950℃，终锻温度控制在800℃。技术要求：该工序的压下速度30mm/s，压下量95mm，送给量200mm。锻造：经镦粗、锻方，再换向后锻方、拔长。
(3)成型工序：
第1火：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度940℃，终锻温度控制在780℃。技术要求：该工序的压下速度25mm/s，压下量100mm，送给量220mm。锻造：经轴向拔长倒八方，回炉一次，轴向拔长倒八方，回炉二次，轴向拔长倒八方，中间采用剁刀均分3件。
第2火：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度940℃，终锻温度控制在780℃。技术要求：该工序的压下速度25mm/s；压下量70mm；送给量210mm。锻造：经轴向锻方、拔长。
第3火：加热温度和保温时间：钛合金棒材由初始温度940℃，终锻温度控制在780℃。技术要求：该工序的压下速度20mm/s，压下量60mm，送给量200mm。锻造：用专用摔子摔圆、轴向拔长(允许回火1次hours)，得到钛合金棒材。
(4)热处理；(5)机加；(6)理化检查；与实施例1的方法相同。
对上述实施例1～3和比较例1的方法锻造的钛合金棒材(简称“锻件”)进行理化检查。
1、理化检查
1.1、锻件的化学成分检查
对实施例1～3的锻件进行化学成分检查，检查结果显示，实施例1～3的锻件的化学成分均满足“航空用钛及钛合金锻件规范GJB 2744A-2007”的标准要求。
图1显示了实施例1的锻件的杂质含量，杂质含量为H＝0.0013％；满足“航空用钛及钛合金锻件规范GJB 2744A-2007”的标准要求(H≤0.015％)。
1.2、锻件的室温力学性能
实施例1～3和比较例1的室温力学性能结果见表1。图1和图2的检查报告显示实施例1的锻件的室温力学性能，图5和图6的检查报告显示实施例2的锻件的室温力学性能，图9的检查报告显示比较例1的锻件的室温力学性能。
表1锻件的室温力学性能
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注：抗拉强度(Tensile Strength)；0.2％偏移时的屈服强度(Yield Strength at0.2％Offset)；4D伸长率(4D伸长率)；面积缩减(Reduction of Area)。
由表1结果显示，实施例1～3的锻件的室温力学性能均满足“航空用钛及钛合金锻件规范GJB 2744A-2007”的标准要求。而比较例1由于各工序的加热温度都采用一直递减的方式完成坯料的锻造，锻造工艺(锤击参数，压下量等)无法匹配导致了锻件表面低倍和内部显微组织的不均匀性，导致产品力学性能指标差，无法满足“航空用钛及钛合金锻件规范GJB 2744A-2007”的标准要求。与比较例1相比，本发明实施例通过改进锻造工艺，采用降-升-降的温度加热方法，解决因锻坯在高温变形不均匀导致的低倍组织和高倍组织不均匀问题，改善在开坯高温参与未变形的原始晶粒组织，控制锻件锻造的变形计数参数之间的匹配关系，通过对改锻的温度和锤击速度、频率、压下量和送进量等参数匹配优化，提高锻件生产改锻合格率及所需内部组织合格率。
1.3、锻件的低倍组织检查
对实施例1～3及比较例1的锻件进行低倍组织检查。结果显示，本发明实施例1～3的锻件，其低倍组织均匀，无肉眼可见的裂纹、折叠、气孔、偏析、缩尾、金属或非金属夹杂及其他肉眼可见的冶金缺陷；如图3的检查报告显示实施例1的锻件的低倍组织检查结果。而比较例1的锻件。其低倍组织可见有裂纹。由此进一步说明，与传统的锻造工艺(比较例1)相比，本发明实施例的方法通过改善在开坯高温参与未变形的原始晶粒组织，控制锻件锻造的变形计数参数之间的匹配关系，通过对改锻的温度和锤击速度、频率、压下量和送进量等参数匹配优化，提高锻件生产改锻合格率及所需内部组织合格率。
1.4、锻件的高倍组织检查
对实施例1～3及比较例1的锻件进行高倍组织检查，检查结果见图4、图7-8以及图10～13。
图4显示了实施例1的锻件的高倍检查结果。
图7显示了实施例2的锻件的高倍检查结果。图8显示了实施例2的锻件的芯部高倍检查结果。
图10显示了实施例3的锻件的高倍检查结果，其中(A)为1/4处的高倍组织图，(B)为1/2处(芯部)的高倍组织图。
图11显示了比较例1的锻件的高倍检查结果，其中(A)为1/4处的高倍组织图，(B)为1/2处(芯部)的高倍组织图。
图12为实施例1的锻件在不同高度取样的图片，其中(A)为1/3H高度取样，(B)为1/4H高度取样，(C)为1/2H高度(芯部)取样。图13为图12在不同高度取样的锻件样品的高倍显微组织检查照片。
由高倍组织检查结果显示，本发明实施例1～3的锻件的显微组织是经α+β两相区加工的均匀组织，均为双态组织，无完整的原始β晶界，等轴的初生α相较少，且片层的次生α相较细，因此各锻件的强度和硬度较高。从残余应力测试结果来看，各锻件整体的应力分布更加均匀。由此得出，本发明实施例1～3制备的钛合金棒材的低倍组织和高倍组织均满足GB2220-1994要求以及“航空用钛及钛合金锻件规范GJB 2744A-2007”的标准要求，其余力学性能等满足专用技术协议和标准要求。
此外，本发明实施例的锻件在1/4、1/3及1/2取样的显微组织均满足标准的组织均匀性要求。而比较例1在1/4及1/2取样的显微组织因高温变形不均匀，温度升降过大，组织结构容易产生缺陷，导致其无法满足标准的组织均匀性要求。
1.5、硬度检查
对实施例1～3及比较例1的锻件硬度进行检查，结果见表2。
表2锻件的硬度
表2结果显示，锻件的各部位的强度更加均匀，且标准差较小。其中，实施例1～3的锻件的硬度均大于对比例1的锻件的硬度，且满足“航空用钛及钛合金锻件规范GJB 2744A-2007”的标准要求。
1.6、高温拉伸强度和热稳定性检查
1.6.1、高温拉伸强度检查
对实施例1～3及比较例1的锻件进行400℃高温拉伸强度检查，结果见表3。
表3锻件的高温力学性能
由表3结果显示，实施例1～3的锻件的高温拉伸强度均大于比较例1的锻件的高温拉伸强度，且满足“航空用钛及钛合金锻件规范GJB 2744A-2007”的标准要求。而比较例1由于高温变形不均匀，温度升降过大，组织结构容易产生缺陷，导致其无法满足标准的组织均匀性要求，从而影响其高温拉伸强度，导致比较例1的高温拉伸强度无法满足标准要求。
1.6.2、热稳定性检查
对实施例1～3及比较例1的锻件进行400℃×100h热稳定性检查，结果见表4。
表4锻件的热稳定性
| 锻件 | 暴露条件 | 冷却方式 | 取样方向 | 室温拉伸性能/MPa |
| 实施例1 | 400℃×100h | 空冷 | 纵向 | 914 |
| 实施例2 | 400℃×100h | 空冷 | 纵向 | 920 |
| 实施例3 | 400℃×100h | 空冷 | 纵向 | 917 |
| 对比例1 | 400℃×100h | 空冷 | 纵向 | 892 |
| 标准值 | 400℃×100h | 空冷 | 纵向 | ≥895 |
由表4结果显示，实施例1～4的锻件在经400℃×100h热处理后，其室温拉伸强度仍满足标准要求。而比较例1由于高温变形不均匀，温度升降过大，组织结构容易产生缺陷，由此导致其热稳定性相对较差。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，包括开坯工序、改锻工序和成型工序；其特征在于，
所述开坯工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx1时，控制每火次压下量；且随着开坯工序火次的增加，Tx1从β+(160～170℃)降低至β+(30～40℃)，同时开坯工序的压下量由Hk1降低至110mm≤Hk1≤155mm，/>n1为改锻工序的锻造火次，n1为≥2的正整数；
所述改锻工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx2时，控制每火次压下量；且随着改锻工序火次的增加，Tx2从β-(30～35℃)降低至β-(35～40℃)再增加至β+(35～40℃)，同时改锻工序的压下量由Hg1降低至再增加至/>100mm≤Hg1≤125mm， n2’,n2为改锻工序的锻造火次，1<n2’<n2，n2为≥3的正整数；
所述成型工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx3时，控制每火次压下量；且随着成型工序火次的增加，Tx3保持在β-(35～40℃)，同时成型工序的压下量由Hc1降低至80mm≤Hc1≤100mm，/> n3为成型工序的锻造火次，n3为≥2的正整数；
其中，β为钛合金棒材的相变点温度。
2.根据权利要求1所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，所述开坯工序中，110mm≤Hk1≤155mm，
所述改锻工序中，100mm≤Hg1≤125mm，
所述成型工序中，80mm≤Hc1≤100mm，
3.根据权利要求2所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，所述开坯工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx1时，控制每火次压下量；且随着开坯工序火次的增加，Tx1从β+(160～170℃)降低至β+(30～40℃)，同时压下量由110～155mm降低至100～135mm；
所述改锻工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx2时，控制每火次压下量，且随着改锻工序火次的增加，Tx2从β-(30～35℃)降低至β-(35～40℃)再增加至β+(35～40℃)，同时压下量由100～125mm降低至95～115mm再增加至110～155mm；
所述成型工序是在起始温度≤800℃、终锻温度Tx3时，控制每火次压下量，且随着成型工序火次的增加，Tx3保持在β-(35～40℃)，同时压下量由80～100mm降低至60～80mm。
4.根据权利要求3所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，随着开坯工序火次的增加，Tx1从β+(160～170℃)降低至β+(30～40℃)，同时压下速度从Vk1降低至45mm/s≤Vk1≤55mm/s，/>送给量从Mk1降低至/>250mm≤Mk1≤500mm，/>
随着改锻工序火次的增加，Tx2从β-(30～35℃)降低至β-(35～40℃)再增加至β+(35～40℃)，同时压下速度由Vg1降低至再增加至/>30mm/s≤Vg1≤35mm/s， 送给量由Mg1降低至/>再增加至/>220mm≤Mg1≤350mm，
随着成型工序火次的增加，Tx3保持在β-(35～40℃)，同时压下速度由Vc1降低至35mm/s≤Vc1≤40mm/s，/>送给量由Mc1降低至/>220mm≤Mc1≤350mm，/>
5.根据权利要求1或4所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，当所述开坯工序的锻造火次为n1火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温一段时间，之后升温至Tx1＝β+(160～170℃)，保温一段时间；同时压下速度45～55mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm；
第n1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温一段时间，之后升温至Tx1＝β+(30～40℃)，保温一段时间，同时压下速度35～40mm/s，压下量105～135mm，送给量230～400mm。
6.根据权利要求5所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，当所述改锻工序的锻造火次为n2火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温一段时间，之后升温至Tx2＝β-(30～35℃)，保温一段时间；同时压下速度30～35mm/s，压下量100～125mm，送给量220～350mm；
第n2’火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温一段时间，之后升温至Tx2＝β-(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度25～30mm/s；压下量95～115mm；送给量210～300mm；
第n2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温一段时间，之后升温至Tx2＝β+(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度40～45mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm。
7.根据权利要求6所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，当所述成型工序的锻造火次为n3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温一段时间，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度35～40mm/s，压下量80～100mm，送给量220～350mm；
第n3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温一段时间，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温一段时间；同时压下速度20～30mm/s，压下量60～80mm，送给量200～250mm。
8.根据权利要求7所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，所述开坯工序中，随着开坯工序火次的增加，每火次的终锻温度Tx1的保温时间由初始的410～420min降低至250～270min；
所述改锻工序中，随着改锻工序火次的增加，每火次的终锻温度Tx2的保温时间由初始的350～360min降低至150～160min再增加至350～360min；
所述成型工序中，随着成型工序火次的增加，每火次的终锻温度Tx3的保温时间由初始的220～230min降低至180～190min。
9.根据权利要求7所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，所述开坯工序的锻造火次为2～4火；
所述改锻工序的锻造火次为3～5火；
所述成型工序的锻造火次为2～4火。
10.根据权利要求9所述的提高钛合金棒材组织均匀性的锻造成型方法，其特征在于，当所述开坯工序的锻造火次为3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温100～120min，之后升温至Tx1＝β+(160～170℃)，保温410～420min；同时压下速度45～55mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm；
第2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温100～120min，之后升温至Tx1＝β+(70～80℃)，保温260～270min；同时压下速度40～45mm/s；压下量100～145mm；送给量240～450mm；
第3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温100～120min，之后升温至Tx1＝β+(30～40℃)，保温250～260min；同时压下速度35～40mm/s，压下量105～135mm，送给量230～400mm；
当所述改锻工序的锻造火次为3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温100～120min，之后升温至Tx2＝β-(30～35℃)，保温350～360min；同时压下速度30～35mm/s，压下量100～125mm，送给量220～350mm；
第2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温100～120min，之后升温至Tx2＝β-(35～40℃)，保温150～160min；同时压下速度25～30mm/s；压下量95～115mm；送给量210～300mm；
第3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温100～120min，之后升温至Tx2＝β+(35～40℃)，保温350～360min；同时压下速度40～45mm/s，压下量110～155mm，送给量250～500mm；
当所述成型工序的锻造火次为3火时，
第1火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至800～850℃，保温100～120min，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温220～230min；同时压下速度35～40mm/s，压下量80～100mm，送给量220～350mm；
第2火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至790℃～840℃，保温100～120min，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温200～210min；同时压下速度30～35mm/s；压下量70～90mm；送给量210～300mm；
第3火：钛合金棒材由初始温度≤800℃升温至780℃～830℃，保温100～120min，之后升温至Tx3＝β-(35～40℃)，保温180～190min；同时压下速度20～30mm/s，压下量60～80mm，送给量200～250mm。
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