CN117403157A - 一种高抗冲击m36钛合金棒材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，基于材料在高温下应变补偿本构方程，先采用动态材料模型建立的温度与应力、应变以及应变速率之间的热加工特性，再在不同加热锻造区域采用不同锻造的控制参数，尤其是通过控制开坯、中间及成品锻造中的火次、温度、变形量和应变速率，锻造后再经热处理即得到目标M36钛合金棒材。本发明制备操作简单，适于大规模工业化生产，通过科学的在不同加热锻造区域采用不同锻造应变速率控制为主，显著的改善了锻造过程易产生裂纹的缺陷，最终制备的M36钛合金棒材组织均匀性良好，力学性能优异，完全满足兵器、航空、航天工业对材料高抗冲击性能的技术要求。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法。
背景技术
钛合金因具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、耐低温、无磁、可焊、生物相容性好等优异的综合性能，在航空、航天、核工业、兵器、海洋、石油、化工、医疗、日常生活等诸多领域已得到广泛的应用。其中，在部分特殊领域钛合金材料会承受高速冲击载荷的问题，如航孔/航天飞行器非正常着陆时与着陆基面的冲击，高速运转的航空发动机叶片遭受飞鸟、冰雹、跑道碎石等离散源撞击，超音速导弹对舰船和地面军事堡垒的侵彻，高速飞行子弹对防护装甲的冲塞破坏等。因此，开发高抗冲击钛合金材料具有重要意义。
基于上述原因，西部超导材料科技股份有限公司经过多年的研发，开发出新型具有高抗冲击特性的M36钛合金(Ti-Al-Mo-V-Zr-Cr-Fe)，目前已在多个新型重点兵器装备上得到初步应用考核，具备广阔的发展前景。由于M36钛合金属于高Al当量和Mo当量材料，具有较高的变形抗力和较低的加工塑性，该牌号钛合金采用传统制备经验生产棒材时，在锻造过程中极易产生裂纹，对棒材的组织性能均匀性及力学性能造成不利影响，进一步影响材料的后续深加工和使用结构安全性，从而制约材料在某些场合的应用，即最终导致该材料难以满足对高抗冲击性能要求更为严格的兵器、航空、航天工业发展需求。
有鉴于此，本发明人提出一种高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，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，提供一种高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，用于解决传统方法制备M36钛合金棒材时，锻造过程钛合金易开裂及组织性能不均匀等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
一种高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，所述制备方法基于M36钛合金材料在高温下应变补偿本构方程，先采用动态材料模型建立的温度与应力、应变以及应变速率之间的热加工特性，再在不同加热锻造区域采用不同锻造应变速率控制为主要特征进行M36钛合金棒材的制备，用于改善M36钛合金材料锻造过程裂纹产生及提高材料的组织和性能均匀性。
进一步地，所述M36钛合金棒材的原料采用真空自耗电弧炉三次熔炼生产的单重1～5吨级M36钛合金铸锭，所述铸锭化学成分质量百分比为：Al：3.5％～6.5％，Mo：0.5％～3.5％，V：0.6％～3.5％，Cr：0.6％～2.5％，Zr：0.6％～2.5％，Fe：0.6％～3.5％，其余为钛和不可避免的杂质元素，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、开坯锻造
将M36钛合金铸锭原料加热至相变点以上100℃～180℃后，进行3火次开坯锻造，开坯锻造方式为镦粗和拔长，得到M36钛合金初始锻坯；
步骤2、中间锻造
将步骤1得到的M36钛合金初始锻坯加热至相变点以上30℃～50℃后，进行3～4火次中间锻造，中间锻造方式为镦粗和拔长，得到M36钛合金中间锻坯；
步骤3、成品锻造
将步骤2得到的M36钛合金中间锻坯加热至相变点以下55℃～70℃后，进行2～3火次成品锻造，成品锻造方式为拔长，得到M36钛合金棒材；
步骤4、热处理
对步骤3得到的M36钛合金棒材进行热处理，并空冷至室温后即得到目标成品M36钛合金棒材。
进一步地，所述步骤1～3中每火次锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
进一步地，所述步骤1～3中每火次锻造后均进行空冷。
进一步地，所述步骤1中M36钛合金铸锭原料的截面直径为420mm～720mm。
进一步地，所述步骤1进行开坯锻造时，每火次变形量50％～80％，应变速率0.5s-1～3s-1。
进一步地，所述步骤2进行中间锻造时，每火次变形量40％～70％，应变速率0.1s-1～0.3s-1。
进一步地，所述步骤3进行成品锻造时，每火次变形量30％～50％，应变速率0.05s-1～0.08s-1。
进一步地，所述步骤4进行热处理时，温度设定为700℃～850℃，保温时间设定为1h～2h。
进一步地，所述制备方法主要用于生产规格为Φ130mm～Φ380mm的M36钛合金棒材，且所述M36钛合金棒材的动态强度σa大于1650MPa，动态冲击吸收能EA1大于500MPa，同时动态塑性εup大于0.31。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的制备方法，是基于M36钛合金材料在高温下应变补偿本构方程，先采用动态材料模型建立的温度-应力-应变-应变速率热加工特性，再在不同加热锻造区域采用不同锻造的控制参数，尤其是通过控制锻造温度、控制每火次变形量及应变速率。相较于现有技术，有效的改善了M36钛合金材料在锻造过程易产生裂纹的缺陷，提高制备过程稳定性和成材率，同时有效提高材料的组织和性能均匀性，另外该制备工艺操作简单可行，适于大规模工业化生产，且最终制备的M36钛合金棒材动态强度σa大于1650MPa，动态冲击吸收能EA1大于500MPa，动态塑性εup大于0.31，完全满足兵器、航空、航天工业对材料高抗冲击性能的技术要求。
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是本发明制备方法的流程图；
图2是本发明M36钛合金材料在高温下与应力、应变以及应变速率之间的热加工特性图；
图3为本发明实施1制备的M36钛合金棒材低倍组织图；
图4为本发明实施1制备的M36钛合金棒材边部高倍组织图；
图5为本发明实施1制备的M36钛合金棒材1/2R处高倍组织图；
图6为本发明实施1制备的M36钛合金棒材心部高倍组织图；
图7为本发明实施2制备的M36钛合金棒材低倍组织图；
图8为本发明实施2制备的M36钛合金棒材边部高倍组织图；
图9为本发明实施2制备的M36钛合金棒材1/2R处高倍组织图；
图10为本发明实施2制备的M36钛合金棒材心部高倍组织图；
图11为本发明实施3制备的M36钛合金棒材低倍组织图；
图12为本发明实施3制备的M36钛合金棒材边部高倍组织图；
图13为本发明实施3制备的M36钛合金棒材1/2R处高倍组织图；
图14为本发明实施3制备的M36钛合金棒材心部高倍组织图。
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方法的例子。
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，本发明提供一种高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，该制备方法基于M36钛合金材料在高温下应变补偿本构方程，先采用动态材料模型(DynamicMaterials Model)建立一种高抗冲击钛合金M36钛合金材料的加工图，包括温度与应力、应变以及应变速率之间的热加工特性，如附图2所示，再根据材料功率耗散和加工稳定性等关键指标，全面科学地提出高抗冲击钛合金M36钛合金棒材制备方法及具体工艺参数范围，主要包括控制不同加热锻造区域采用不同锻造的应变速率，从而改善材料锻造过程裂纹产生，提高材料的组织和性能均匀性。
具体的，M36钛合金棒材的原料采用真空自耗电弧炉三次熔炼生产的截面直径为420mm～720mm，单重1～5吨级M36钛合金铸锭，该铸锭化学成分质量百分比为：Al：3.5％～6.5％，Mo：0.5％～3.5％，V：0.6％～3.5％，Cr：0.6％～2.5％，Zr：0.6％～2.5％，Fe：0.6％～3.5％，其余为钛和不可避免的杂质元素，制备方法具体包括以下步骤：
步骤1、开坯锻造
将准备好的M36钛合金铸锭原料加热至相变点以上100℃～180℃后，进行3火次开坯锻造，开坯锻造方式为镦粗和拔长，每火次变形量50％～80％，应变速率0.5s-1～3s-1，得到M36钛合金初始锻坯；
步骤2、中间锻造
将步骤1得到的M36钛合金初始锻坯加热至相变点以上30℃～50℃后，进行3～4火次中间锻造，中间锻造方式为镦粗和拔长，每火次变形量40％～70％，应变速率0.1s-1～0.3s-1，得到M36钛合金中间锻坯；
步骤3、成品锻造
将步骤2得到的M36钛合金中间锻坯加热至相变点以下55℃～70℃后，进行2～3火次成品锻造，成品锻造方式为拔长，每火次变形量30％～50％，应变速率0.05s-1～0.08s-1，得到M36钛合金棒材；
步骤4、热处理
对步骤3得到的M36钛合金棒材进行热处理，热处理时，温度设定为700℃～850℃，保温时间设定为1h～2h，并空冷至室温后即得到目标成品M36钛合金棒材。
其中，上述步骤1～3中每火次锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低，且步骤1～3中每火次锻造后均进行空冷。
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Φ380mm的M36钛合金棒材)
本实施例高抗冲击M36钛合金棒材制备方法包含以下步骤：
1)将规格为Φ720mm的M36钛合金铸锭原料进行3火次开坯锻造，开坯锻造方式为镦粗和拔长，3火次开坯锻造的加热温度分别为相变点以上180℃、160℃、130℃，3火次变形量分别控制在60％、70％、80％，且每火次对应的应变速率分别为1s-1、1.5s-1、3s-1，锻造后进行空冷，得到M36钛合金初始锻坯；
2)将步骤1)得到的M36钛合金初始锻坯进行3火次中间锻造，中间锻造方式为镦粗和拔长，3火次中间锻造的加热温度分别为相变点以下30℃、45℃、50℃，3火次变形量分别控制在70％、60％、55％，且每火次对应的应变速率分别为0.3s-1、0.3s-1、0.2s-1，锻造后进行空冷，得到M36钛合金中间锻坯；
3)将步骤2)得到的M36钛合金中间锻坯进行2火次成品锻造，成品锻造方式为拔长，2火次成品锻造的加热温度分别为相变点以下55℃、70℃，2火次变形量分别控制在50％、45％，且每火次对应的应变速率分别为0.08s-1、0.06s-1，锻造后进行空冷，得到规格为Φ380mm的M36钛合金棒材；
4)将步骤3)得到的M36钛合金棒材在温度为700℃的条件下进行2h的热处理，并空冷至室温后即得到目标成品M36钛合金棒材。
为了验证本实施例1最终制备规格为Φ380mm的成品M36钛合金棒材组织是否均匀一致，对棒材不同位置(边部、1/2R处、心部)进行高低倍组织观察，具体如图3～6所示，由图3～6可知本实施例制备的M36钛合金棒材组织均匀性良好；另外对该棒材的高抗冲击性能进行了相关测试，其力学性能数据如下表1所示。
实施例2(制备规格为Φ320mm的M36钛合金棒材)
本实施例高抗冲击M36钛合金棒材制备方法包含以下步骤：
1)将规格为Φ620mm的M36钛合金铸锭原料进行3火次开坯锻造，开坯锻造方式为镦粗和拔长，3火次开坯锻造的加热温度分别为相变点以上150℃、130℃、100℃，3火次变形量分别控制在50％、60％、70％，且每火次对应的应变速率分别为0.5s-1、1.5s-1、2s-1，锻造后进行空冷，得到M36钛合金初始锻坯；
2)将步骤1)得到的M36钛合金初始锻坯进行3火次中间锻造，中间锻造方式为镦粗和拔长，3火次中间锻造的加热温度分别为相变点以下30℃、40℃、50℃，3火次变形量分别控制在60％、60％、45％，且每火次对应的应变速率分别为0.2s-1、0.2s-1、0.1s-1，锻造后进行空冷，得到M36钛合金中间锻坯；
3)将步骤2)得到的M36钛合金中间锻坯进行3火次成品锻造，成品锻造方式为拔长，3火次成品锻造的加热温度分别为相变点以下55℃、60℃、70℃，3火次变形量分别控制在45％、40％、35％，且每火次对应的应变速率分别为0.07s-1、0.07s-1、0.06s-1，锻造后进行空冷，得到规格为Φ320mm的M36钛合金棒材；
4)将步骤3)得到的M36钛合金棒材在温度为780℃的条件下进行1.5h的热处理，并空冷至室温后即得到目标成品M36钛合金棒材。
为了验证本实施例2最终制备规格为Φ320mm的成品M36钛合金棒材组织是否均匀一致，对棒材不同位置(边部、1/2R处、心部)进行高低倍组织观察，具体如图7～10所示，由图7～10可知本实施例制备的M36钛合金棒材组织均匀性良好；另外对该棒材的高抗冲击性能进行了相关测试，其力学性能数据如下表1所示。
实施例3(制备规格为Φ130mm的M36钛合金棒材)
本实施例高抗冲击M36钛合金棒材制备方法包含以下步骤：
1)将规格为Φ420mm的M36钛合金铸锭原料进行3火次开坯锻造，开坯锻造方式为镦粗和拔长，3火次开坯锻造的加热温度分别为相变点以上170℃、130℃、120℃，3火次变形量分别控制在50％、55％、60％，且每火次对应的应变速率分别为0.5s-1、1.5s-1、2s-1，锻造后进行空冷，得到M36钛合金初始锻坯；
2)将步骤1)得到的M36钛合金初始锻坯进行4火次中间锻造，中间锻造方式为镦粗和拔长，4火次中间锻造的加热温度分别为相变点以下30℃、35℃、40℃、50℃，4火次变形量分别控制在55％、55％、50％、45％，且每火次对应的应变速率分别为0.2s-1、0.2s-1、0.1s-1、0.1s-1，锻造后进行空冷，得到M36钛合金中间锻坯；
3)将步骤2)得到的M36钛合金中间锻坯进行3火次成品锻造，成品锻造方式为拔长，3火次成品锻造的加热温度分别为相变点以下55℃、60℃、70℃，3火次变形量分别控制在40％、35％、30％，且每火次对应的应变速率分别为0.07s-1、0.07s-1、0.06s-1，锻造后进行空冷，得到规格为Φ130mm的M36钛合金棒材；
4)将步骤3)得到的M36钛合金棒材在温度为850℃的条件下进行1h的热处理，并空冷至室温后即得到目标成品M36钛合金棒材。
为了验证本实施例3最终制备规格为Φ130mm的成品M36钛合金棒材组织是否均匀一致，对棒材不同位置(边部、1/2R处、心部)进行高低倍组织观察，具体如图11～14所示，由图11～14可知本实施例制备的M36钛合金棒材组织均匀性良好；另外对该棒材的高抗冲击性能进行了相关测试，其力学性能数据如下表1所示。
表1实施例1～3制备的M36合金棒材动态性能测试结果
通过表1数据及图3～14组织结构可知，采用本发明工艺制备的M36钛合金棒材具备足够强的动态性能，其动态塑性εup大于0.31，动态强度σa大于1650MPa，动态冲击吸收能EA1大于500MPa，应变率s-1介于3400～3800之间，且制备的M36钛合金棒材的组织均匀性良好一致。因此，本发明制备工艺制备的M36钛合金棒材能够完全满足兵器、航空、航天工业对材料高抗冲击性能的相关技术要求。
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 (10)
1.一种高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述制备方法基于M36钛合金材料在高温下应变补偿本构方程，先采用动态材料模型建立的温度与应力、应变以及应变速率之间的热加工特性，再在不同加热锻造区域采用不同锻造应变速率控制为主要特征进行M36钛合金棒材的制备，用于改善M36钛合金材料锻造过程裂纹产生及提高材料的组织和性能均匀性。
2.根据权利要求1所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述M36钛合金棒材的原料采用真空自耗电弧炉三次熔炼生产的单重1～5吨级M36钛合金铸锭，所述铸锭化学成分质量百分比为：Al：3.5％～6.5％，Mo：0.5％～3.5％，V：0.6％～3.5％，Cr：0.6％～2.5％，Zr：0.6％～2.5％，Fe：0.6％～3.5％，其余为钛和不可避免的杂质元素，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、开坯锻造
将M36钛合金铸锭原料加热至相变点以上100℃～180℃后，进行3火次开坯锻造，开坯锻造方式为镦粗和拔长，得到M36钛合金初始锻坯；
步骤2、中间锻造
将步骤1得到的M36钛合金初始锻坯加热至相变点以上30℃～50℃后，进行3～4火次中间锻造，中间锻造方式为镦粗和拔长，得到M36钛合金中间锻坯；
步骤3、成品锻造
将步骤2得到的M36钛合金中间锻坯加热至相变点以下55℃～70℃后，进行2～3火次成品锻造，成品锻造方式为拔长，得到M36钛合金棒材；
步骤4、热处理
对步骤3得到的M36钛合金棒材进行热处理，并空冷至室温后即得到目标成品M36钛合金棒材。
3.根据权利要求2所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤1～3中每火次锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
4.根据权利要求2所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤1～3中每火次锻造后均进行空冷。
5.根据权利要求2所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤1中M36钛合金铸锭原料的截面直径为420mm～720mm。
6.根据权利要求2所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤1进行开坯锻造时，每火次变形量50％～80％，应变速率0.5s-1～3s-1。
7.根据权利要求2所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤2进行中间锻造时，每火次变形量40％～70％，应变速率0.1s-1～0.3s-1。
8.根据权利要求2所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤3进行成品锻造时，每火次变形量30％～50％，应变速率0.05s-1～0.08s-1。
9.根据权利要求2所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤4进行热处理时，温度设定为700℃～850℃，保温时间设定为1h～2h。
10.根据权利要求1～9任一项所述的高抗冲击M36钛合金棒材的制备方法，其特征在于，所述制备方法主要用于生产规格为Φ130mm～Φ380mm的M36钛合金棒材，且所述M36钛合金棒材的动态强度σa大于1650MPa，动态冲击吸收能EA1大于500MPa，同时动态塑性εup大于0.31。
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