CN117123708A - 一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及有色金属热加工领域，具体为一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法。包括以下步骤：S1：建立TC21锻件在两相区锻造后的锻比与在单相区加热时初始β晶粒尺寸的关系；S2：测试TC21钛合金在单相区中加热时β晶粒尺寸随时间变化规律；S3：两相区制坯完成后TC21薄腹板锻件的锻比，根据需要的锻件β晶粒尺寸，确定锻件在Tβ+Δt温度下的保温时间；S4：模锻。本发明建立了TC21钛合金两相区制坯时，锻件锻比与其初始β晶粒尺寸的关系，并与β晶粒的生长模型相结合，可以直接确定TC21钛合金薄腹板锻件在单相区锻造的保温时间，可以保证锻件的β晶粒尺寸生长可控，达到锻件的力学性能要求。
Description
技术领域
本申请涉及有色金属热加工领域，具体为一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法。
背景技术
TC21钛合金是一种损伤容限型钛合金，因其断裂韧性和抗疲劳裂纹的性能较好，被大量应用于飞机的结构件。如图1所示，钛合金具有一个相变点Tβ温度，在相变点Tβ温度下，钛合金中存在α和β两种晶粒，因此在相变点Tβ温度下称为两相区；在钛合金加热到相变点Tβ温度上时，钛合金中的α晶粒会转变为β晶粒，这使得在相变点Tβ温度上时，钛合金中仅存在β晶粒，因此在相变点Tβ温度上称为单相区。目前，部分飞机结构件的设计厚度较薄(腹板厚度为30-80mm)，这类锻件在锻造过程中通常采用棒材进行制坯和模锻，因此存在截面累积变形量较大，即锻比较大，使得锻件的β晶粒尺寸破碎严重。根据钛合金的冶金学，TC21钛合金的β晶粒尺寸对锻件的断裂韧性、断面收缩率等关键力学指标具有重要影响。因此，控制薄腹板类型TC21钛合金模锻件的β晶粒尺寸，对锻件的力学性能稳定性具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，控制薄腹板类型TC21钛合金模锻件的β晶粒尺寸，保证锻件的力学性能要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，包括以下步骤：
S1：建立TC21锻件在两相区锻造后的锻比与在单相区加热时初始β晶粒尺寸的关系；
S11、将不同锻比下TC21钛合金模锻件心部取样，加热至Tβ温度之上，待两相区组织静态再结晶使α晶粒会转变为β晶粒完全形成β晶粒立即后水淬，并采用金相法测试不同锻比锻件的初始β晶粒尺寸；
S12、拟合锻比与初始β晶粒尺寸的关系，为表达式(1)：
d＝393-94.5x
式中d为静态再结晶刚完成时的初始β晶粒尺寸，x为锻比，x＜4.15；
S2：测试TC21钛合金在单相区中加热时β晶粒尺寸随时间变化规律；
S21、将TC21钛合金在单相区的Tβ+Δt温度下保温第一时间，达到保温时间后迅速淬火；
S22、将淬火后的样品进行显微组织测试，并统计其β晶粒尺寸；
S23、根据β晶粒尺寸随保温时间的变化，得到晶粒生长动力学模型拟和形成晶粒生长关系表达式(2)：
lnΔd＝nlnt+lnK
式中Δd为在单相区Tβ+Δt温度下，将TC21钛合金在Tβ+Δt温度下保温第一时间后β晶粒尺寸与刚加热至Tβ+Δt时的最初β晶粒尺寸的差值；
S3：两相区制坯完成后TC21薄腹板锻件的锻比，以及表达式(1)和(2)，根据需要的锻件β晶粒尺寸，确定锻件在Tβ+Δt温度下的保温时间；
S4：模锻
将荒坯按照S3步骤中的Tβ+Δt温度和保温时间进行处理，随后在模锻压机上开展模锻。
进一步，步骤S21中的第一时间为20-120min。
进一步，在步骤S2中，Δt为15-25℃。
进一步，在步骤S11中TC21锻件在两相区锻造后的锻比为1.5-3.5。
进一步，S11步骤，在单相区加热时保证所有α晶粒全部溶解完成，且α晶粒完全转变成为β晶粒。
进一步，采用金相法测试β晶粒尺寸时，单个β晶粒沿不同方向测试5个截距，求平均值。
进一步，S3步骤计算的保温时间是指锻件在单相区加热时心部已到温，且α晶粒完全转变成为等轴β晶粒之后的保温时间。
本申请实施例与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明建立了TC21钛合金在单相区锻造时，锻件β晶粒尺寸与保温时间的影响关系，实现了TC21钛合金在单相区锻造时TC21钛合金β晶粒尺寸的预测。
2、本发明建立了TC21钛合金两相区制坯时，锻件锻比与其初始β晶粒尺寸的关系，并与β晶粒的生长模型相结合，可以直接确定TC21钛合金薄腹板锻件在单相区锻造的保温时间，可以保证锻件的β晶粒尺寸生长可控，达到锻件的力学性能要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为TC21钛合金相变点的示意图；
图2是将TC21钛合金在单相区的Tβ+20℃温度下不同保温时间β晶粒尺寸的示意图；
图3是TC21钛合金薄腹板锻件的显微组织示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。
一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，包括以下步骤：
S1：建立TC21锻件在两相区锻造后的锻比与在单相区加热时初始β晶粒尺寸的关系；
S11、将不同锻比下TC21钛合金模锻件心部取样，加热至Tβ温度之上，待两相区组织静态再结晶使α晶粒会转变为β晶粒完全形成β晶粒立即后水淬，并采用金相法测试不同锻比锻件的初始β晶粒尺寸；
S12、拟合锻比与初始β晶粒尺寸的关系，为表达式(1)：
d＝393-94.5x
式中d为静态再结晶刚完成时的初始β晶粒尺寸，x为锻比，x＜4.15；
S2：测试TC21钛合金在单相区中加热时β晶粒尺寸随时间变化规律；
S21、将TC21钛合金在单相区的Tβ+Δt温度下保温第一时间，达到保温时间后迅速淬火；
S22、将淬火后的样品进行显微组织测试，并统计其β晶粒尺寸；
S23、根据β晶粒尺寸随保温时间的变化，得到晶粒生长动力学模型拟和形成晶粒生长关系表达式(2)：
lnΔd＝nlnt+lnK
式中Δd为在单相区Tβ+Δt温度下，将TC21钛合金在Tβ+Δt温度下保温第一时间后β晶粒尺寸与刚加热至Tβ+Δt时的最初β晶粒尺寸的差值；
S3：两相区制坯完成后TC21薄腹板锻件的锻比，以及表达式(1)和(2)，根据需要的锻件β晶粒尺寸，确定锻件在Tβ+Δt温度下的保温时间；
S4：模锻
将荒坯按照S3步骤中的Tβ+Δt温度和保温时间进行处理，随后在模锻压机上开展模锻。
进一步，步骤S21中的第一时间为20-120min。
进一步，在步骤S2中，Δt为15-25℃。
进一步，在步骤S11中TC21锻件在两相区锻造后的锻比为1.5-3.5。
进一步，S11步骤，在单相区加热时保证所有α晶粒全部溶解完成，且α晶粒完全转变成为β晶粒。
进一步，采用金相法测试β晶粒尺寸时，单个β晶粒沿不同方向测试5个截距，求平均值。
进一步，S3步骤计算的保温时间是指锻件在单相区加热时心部已到温，且α晶粒完全转变成为等轴β晶粒之后的保温时间。
实施例一
本实施例中TC21钛合金腹板厚度为90mm，采用Ф300mm的棒子锻造成形，保温温度为Tβ+20℃，主要步骤如下：
S1：建立TC21锻件在两相区锻造后的锻比与在单相区加热时初始β晶粒尺寸的关系；
S11、将不同锻比下TC21钛合金模锻件心部取样，加热至Tβ温度之上，待两相区组织静态再结晶使α晶粒会转变为β晶粒完全形成β晶粒立即后水淬，并采用金相法测试不同锻比锻件的初始β晶粒尺寸；
S12、拟合锻比与初始β晶粒尺寸的关系，为表达式(1)：
d＝393-94.5x
式中d为静态再结晶刚完成时的初始β晶粒尺寸，x为锻比，x＜4.15；
锻件的腹板荒坯的厚度为90mm，根据工艺确定该锻件的锻比为1.8。根据表达式(1)，当锻件的锻比为1.8时，锻件在单相区加热的β晶粒初始尺寸d则为222.9μm。
S2：测试TC21钛合金在单相区中加热时β晶粒尺寸随时间变化规律；
S21、将TC21钛合金在单相区的Tβ+20℃温度下保温20min、40min、60min、80min、100min、120min并淬火至室温；
S22、将淬火后的样品进行显微组织测试，并统计其β晶粒尺寸；
统计结果如图2所示，并根据β晶粒尺寸随保温时间的变化，得到晶粒生长动力学模型拟和形成晶粒生长关系，根据拟合结果，确定n和lnK的值，因此表达式(2)可以细化为：
lnΔd＝0.326lnt+2.805
式中Δd为在单相区Tβ+20℃温度下，将TC21钛合金在Tβ+20℃温度下保温第一时间后β晶粒尺寸与刚加热至Tβ+20℃时的最初β晶粒尺寸的差值；
S3：两相区制坯完成后TC21薄腹板锻件的锻比，以及表达式(1)和(2)，根据需要的锻件β晶粒尺寸，确定锻件在Tβ+20℃温度下的保温时间；
当需要的锻件β晶粒尺寸为400μm，锻件的初始β晶粒尺寸为222.9μm，Δd为177.1μm根据上述细化的公式(2)，计算出β晶粒尺寸从222.9μm生长至400μm时所需时间为1444秒。
S4：模锻
将荒坯按照S3步骤中的温度和时间加热，随后在模锻压机上开展模锻。
将荒坯在Tβ+20℃进行加热，待荒坯到温后保温时间为1444秒，随后快速转运至模锻压机上进行模锻。
本申请实施例制造的TC21钛合金薄腹板锻件的显微组织如图3所示，可以表明锻件的晶粒尺寸与400μm非常接近。其力学测试如表1所示，锻件的拉伸性能和断裂韧性符合标准要求。
表1
Claims (7)
1.一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立TC21锻件在两相区锻造后的锻比与在单相区加热时初始β晶粒尺寸的关系；
S11、将不同锻比下TC21钛合金模锻件心部取样，加热至Tβ温度之上，待两相区组织静态再结晶使α晶粒会转变为β晶粒完全形成β晶粒立即后水淬，并采用金相法测试不同锻比锻件的初始β晶粒尺寸；
S12、拟合锻比与初始β晶粒尺寸的关系，为表达式(1)：
d＝393-94.5x
式中d为静态再结晶刚完成时的初始β晶粒尺寸，x为锻比，x＜4.15；
S2：测试TC21钛合金在单相区中加热时β晶粒尺寸随时间变化规律；
S21、将TC21钛合金在单相区的Tβ+Δt温度下保温第一时间，达到保温时间后迅速淬火；
S22、将淬火后的样品进行显微组织测试，并统计其β晶粒尺寸；
S23、根据β晶粒尺寸随保温时间的变化，得到晶粒生长动力学模型拟和形成晶粒生长关系表达式(2)：
lnΔd＝nlnt+lnK
式中Δd为在单相区Tβ+Δt温度下，将TC21钛合金在Tβ+Δt温度下保温第一时间后β晶粒尺寸与刚加热至Tβ+Δt时的最初β晶粒尺寸的差值；
S3：两相区制坯完成后TC21薄腹板锻件的锻比，以及表达式(1)和(2)，根据需要的锻件β晶粒尺寸，确定锻件在Tβ+Δt温度下的保温时间；
S4：模锻
将荒坯按照S3步骤中的Tβ+Δt温度和保温时间进行处理，随后在模锻压机上开展模锻。
2.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，其特征在于，步骤S21中的第一时间为20-120min。
3.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，Δt为15-25℃。
4.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，其特征在于，在步骤S11中TC21锻件在两相区锻造后的锻比为1.5-3.5。
5.根据权利要求4所述的一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，其特征在于，S11步骤，在单相区加热时保证所有α晶粒全部溶解完成，且α晶粒完全转变成为β晶粒。
6.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金薄腹板模锻件β晶粒的控制方法，其特征在于，采用金相法测试β晶粒尺寸时，单个β晶粒沿不同方向测试5个截距，求平均值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3步骤计算的保温时间是指锻件在单相区加热时心部已到温，且α晶粒完全转变成为等轴β晶粒之后的保温时间。
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|---|---|---|---|---|
| CN118002727A (zh) * | 2024-04-10 | 2024-05-10 | 中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司 | 一种短流程合金棒材的锻造方法 |
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2023
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| CN118002727A (zh) * | 2024-04-10 | 2024-05-10 | 中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司 | 一种短流程合金棒材的锻造方法 |
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