CN117840378A - 一种Ti17合金小型环形件的锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锻造技术领域，尤其涉及一种Ti17合金小型环形件的锻造方法。包括：选择棒料并机加，使棒料上下端面与中轴线的垂直度≤0.5mm；对机加后的棒料进行胎模锻得到锻件：胎模锻的温度设定为相变点上30℃且不超过925℃，预热保温阶段为0.8min/mm，高温保温阶段为0.5min/mm，模锻的变形量为50％～70％之间，环件内孔处的连皮厚度为25～40mm；将锻件粗加工至比目标Ti17小环件的外轮廓大3mm；使用的热处理制度是固溶+时效，固溶温度为：800℃，固溶时间为：240min，时效温度为：630℃，时效时间为：480min；对热处理后的锻件进行机加、探伤、腐蚀，理化后得到目标环件。
Description
技术领域
本发明属于锻造技术领域，尤其涉及一种Ti17合金小型环形件的锻造方法。
背景技术
Ti17合金是一种富β稳定元素的α-β两项型钛合金，该材料常用在发动机叶盘部位，对KIC和疲劳都有较高要求，所以常常使用β锻造，来形成网篮组织，满足锻件的性能要求。对于环件的生产，我们常规使用的锻造方式是：制坯—镦饼冲孔—预扩—β锻终扩制成环锻件，但是该方式生产Ti17小型环形件时，第一点：因其锻造温度区间窄，散热快，常常锻造后无法满足组织要求，经多次尝试，小型环形件用此方法生产，获得的高倍组织均为双态组织；第二点：因为Ti17合金β锻时，要求变形量大，使用扩孔的方式生产时，常常也会产生端面凹槽，增加机加难度。
发明内容
发明目的：提供一种Ti17合金小型环形件的锻造方法，以得到力学性能满足要求，且高倍组织为标准网篮组织的Ti17小型环形件。
技术方案：
一种Ti17合金小型环形件的锻造方法，所述方法包括：
步骤一：选择棒料，机加上下端面和定位台，并倒端面棱角至R15，使棒料上下端面与中轴线的垂直度≤0.5mm；
步骤二：对机加后的棒料进行胎模锻得到锻件：胎模锻的温度设定为相变点上30℃且不超过925℃，模锻的加热系数为：预热保温阶段为0.8min/mm，高温保温阶段为0.5min/mm，模锻的变形量为50％～70％之间，环件内孔处的连皮厚度为25～40mm；
步骤三：将锻件粗加工至比目标Ti17小环件的外轮廓大3mm；
步骤四：对粗加工后的锻件进行热处理：使用的热处理制度是固溶+时效，固溶温度为：800℃，固溶时间为：240min，时效温度为：630℃，时效时间为：480min；
步骤五：对热处理后的锻件进行机加、探伤、腐蚀，理化后得到目标Ti17小环件。
进一步地，步骤二中，模锻时，锻造初始速度设定为2mm/s，压至欠压为15mm后，将速度调整至0.5mm/s，压至合模后再保压5s。
进一步地，步骤二中，模锻时，所使用的闭式锻造胎模包括上冲头1，外环2，垫块3，其中，垫块3设置在外环2内，外环2和垫块3配合用于容纳棒料，垫块3与外环2之间为间隙配合，单面配合间隙为0.8～1mm，配合斜面与中轴线的夹角为5°，外环2内壁作为上冲头1的导向；上冲头1上设置有第一圆台11，第一圆台11的底部直径和小环件的内径等大；垫块3上设置有第二圆台31，第二圆台31的底部直径和小环件的内径等大；第二圆台31上设置有第三圆台32，用于锻造时定位。
进一步地，第一圆台11的出模斜度设置为15°，第二圆台31的出模斜度设置为20°，第一圆台11的高度为环件高度与连皮厚度差值的4/7，第二圆台31的高度为环件高度与连皮厚度差值的3/7。
进一步地，第三圆台32的高度为10～15mm，直径为1/4～1/3棒料直径，出模斜度为30°。
进一步地，步骤二中，棒料加热前，预热棒料至120～150℃后，再喷涂玻璃润滑剂；具体的喷涂方式是：采用双层涂刷，第一层喷涂ATP610玻璃润滑剂，用于棒料保温，待第一层润滑剂干燥后，再喷涂第二层润滑剂康达特312。
进一步地，步骤二中，在棒料高温阶段加热完成后，出炉用10mm厚的保温棉对棒料除定位台的其余部位进行软包套，包套后，再回炉加热保温30min后，出炉锻造。
进一步地，步骤四中，在热处理阶段，固溶后的冷却方式为水冷，且要求水冷时间≥20min。
有益效果：
本发明使用闭式胎模锻的方式生产Ti17小型环形件，并调整锻造、热处理工艺参数。采用本发明所提供的方式，生产的Ti17合金小型环形件，其一，能满足高倍网篮组织的要求，且操作简单，锻件尺寸可控性高；其二，该方案中所提及的闭式锻造胎模，制作简单，成本低，所以具有比较大的推广价值；其三，该发明中，对锻造、热处理的工艺参数、加热方式等做了进一步优化，能保证锻件冷模层≤5mm，且力学性能数据稳定在合格范围内。
附图说明
图1为闭式锻造胎模图，其中1为上冲头，2为外环，3为垫块，4为棒料，11为第一圆台，31为第二圆台，32为第三圆台；
图2为锻件图；
图3为高倍组织图；
图4为低倍组织图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种Ti17合金小型环形件(此处指外径≤400mm，高度为0.3～0.4倍的外径，壁厚为35～55mm之间的环锻件)的锻造方法，包括以下步骤：
步骤一：选择合适规格的棒料(棒料直径为环形锻件外径的2/3～3/4)，机加上下端面，在下端面形成定位台，并倒端面棱角至R15，机加上下端面保证棒料上下端面与中轴线的垂直度≤0.5mm；
步骤二：使用和环件轮廓相匹配的闭式锻造胎模对机加后的棒料进行模锻，模锻的温度设定为相变点上30℃且不超过925℃，这里设置一个最高加热温度，是为了避免相变点测试偏差和炉温偏差叠加后，加热温度过高，锻件局部形成魏氏组织，这将会大大降低锻件的力学性能，模锻的加热系数为：预热保温阶段为0.8min/mm，高温保温阶段为0.5min/mm，模锻的变形量设定为50％～70％之间,这是因为Ti17在相变点上加热时，原始晶粒会急剧粗化，只有足够的变形量才能使β晶粒发生再结晶，从而细化晶粒，起到提高锻件理化强度的目的，但是变形量过高，锻件剧烈变形处又会产生微裂纹，影响锻件的疲劳性能，经过反复验证，该实施例中所选用的变形区间是最合适的；环件内孔处的连皮厚度为25～40mm最为合适，连皮太厚，会浪费原材料，而连皮＜25mm，变形抗力会急剧增大，降低模具使用寿命。；
步骤三：按锻件热处理前粗加工图机加锻件，其中，锻件热处理前粗加工图是在锻件最终交付图的基础上，单面加量3mm；
步骤四：锻件热处理，使用的热处理制度是固溶+时效，固溶温度为：800℃，固溶时间为：240min，时效温度为：630℃，时效时间为：480min。
步骤五：机加、探伤、腐蚀，理化后得到目标Ti17小环件。
进一步，所述步骤二中，模锻时，锻造初始速度设定为2mm/s，压至欠压为15mm后，将速度调整至0.5mm/s，压至合模后再保压5s,锻造末期调低速速和保压，一方面有利于锻件棱角充满，另一方面可以促进锻件内外传热，减缓芯部过热而引起的粗晶缺陷。
所述步骤二中，模锻时，所使用的闭式锻造胎模包括冲头1，外环2，垫块3，外环2和垫块3配合在一起，用于容纳棒料，垫块与外环之间为间隙配合，单面配合间隙为0.8～1mm，垫块3与外环2斜面配合，配合斜面与中轴线的夹角为5°，外环2内壁作为上冲头1的导向；上冲头1下端面上设置有第一圆台11，第一圆台11的底部直径和小环件的内径等大；垫块3上设置有第二圆台31，第二圆台31的底部直径和小环件的内径等大；第二圆台31上设置有第三圆台32，用于锻造时定位。
所述步骤二中，第一圆台11的出模斜度设置为15°，第二圆台31的出模斜度设置为20°，第一圆台11设置在冲头1上，其为主动模具，和锻件的接触时间短，易于脱模，所以出模斜度小于第二圆台31的出模斜度，但实践证明，在圆台高度＞40mm的情况下，只有出模斜度≥15°，锻件才会顺利脱模；第一圆台11的高度为4/7(环件高度-连皮厚度)，第二圆台32的高度为3/7(环件高度-连皮厚度),，在这里第一圆台11高于第二圆台32的原因为第一圆台11设置在主动模具冲头1上，此处成型更高。
所述步骤二中，第三圆台32的高度为10～15mm，直径为1/4～1/3棒料直径，出模斜度为30°。定位台直径在此区间,定位较为稳固且不会造成过多的原材料浪费。
所述步骤二中，在棒料加热前，可以使用吹砂机吹毛棒料表面,再预热棒料至120～150℃后，再喷涂玻璃润滑剂；具体的喷涂方式是：采用双层涂刷，第一层喷涂ATP610玻璃润滑剂，用于棒料保温，待第一层润滑剂干后，再喷涂第二层润滑剂康达特312，用于锻造时润滑，减少锻造抗力。我们选择第一层涂刷ATP610润滑剂,其一是因为该润滑剂粘附性好,能紧紧粘附在棒料表面,待其干燥后,表面是粗糙的,康达特312更易涂覆；其二,在锻造过程中,表层接触模具的润滑剂可以更好的发挥润滑优势。
所述步骤二中，在棒料高温阶段加热完成后，出炉用10mm厚的保温棉对棒料除定位台处的其余部位进行软包套，包套后，再回炉加热保温30min后，出炉锻造。
所述步骤四中，在热处理阶段，固溶后的冷却方式为水冷，且要求水冷时间≥20min。，该冷却时间可以保证Ti17小环件的温度降低到100℃以下，保证锻件的力学性能要求.
实施例一：
一种Ti17合金小型环形件的锻造方法，主要锻造流程为：棒料机加倒角和定位台——胎模锻——热处理前粗加工——热处理——机加——探伤——腐蚀——机加——理化——终检——入库；该实施例生产的锻件如附图2所示；该方案通过改变以往环件的固有锻造思路，使用如附图1所示的闭式锻造胎模生产环锻件，并根据生产设备、环件特点等对专利CN11416074中提及的闭式镦饼胎模做了创新和改变，现将锻造过程中的重点步骤详述如下：
棒料机加：选择规格为φ300的Ti17棒材，复验合格后下料，棒料长度为193mm，机加上下端面并倒角至R15，并机加φ80×15的定位台，其中，定位台的出模斜度设置为30°，上下端面单面机加量≤1.5mm，要求上下端面与轴线的垂直度≤1mm，这可以保证棒料在较短时间内放正在胎模内，且压制过程中均匀变形；
胎模锻：棒料加热前，双层喷涂玻璃润滑剂，第一层为ATP-610，第二层为康达特312；该批棒料的相变点测定为895℃，棒料加热时，预锻加热温度为：865℃×155min，高温段加热温度为：925×80min，模锻的变形量控制在50％～70％之间，模锻的参数设定为：按定程控制，锻前高度为170mm，使用2mm/s的锻造速度压至锻件欠压为15mm，变速至0.5mm/s，压至模具合模，并保压5s，锻件出模后，将锻件转移到冷却架子上空冷；在该工序中，所使用的闭式锻造胎模如附图1所示，它有以下创新点：第一：该闭式锻造胎模根据油压机的设备特点，对垫块3和外环2做了适应性改造，垫块3是套在外环2内部，与外环2的连接方式由常规的台阶式间隙配合改成斜面配合，外环2的变形段的拔模方式为正拔模，这样可直接使用油压机的顶出装置顶出锻件，方便锻件出料；第二：第一圆台11的出模斜度为15℃，高度为4/7(环件高度-连皮厚度)，第二圆台31的出模斜度为20°，外环2内壁变形段的出模斜度为5°，高度为3/7(环件高度-连皮厚度)，这种设置在保证锻造的变形量和出模需求的情况下，还能最大程度的节约原材料；第三：设置专门的第三圆台32用于锻件定位，没有按常规的由锻件形状确定模具定位台，因环件壁厚薄，若以第二圆台31来定位，棒料倒角处到定位台的直线段太短，棒料无法落实在模具上，容易造成棒料在锻造期间倾斜，且棒料定位处，因壁厚薄，在锻造期间，易快速冷却变硬，造成锻件充不满的问题，而本专利创造性的设置专门的第三圆台32来定位，可避免此问题，在本实施例中，第三圆台的直径为80mm，高度为10mm，出模斜度为30°。
热处理：在热处理固溶阶段，锻件≤750℃入炉，升温至800℃，保温240min，采用的冷却方式为水冷≥20min；在热处理时效阶段，锻件≤600℃入炉，升温至630±5℃，保温480min，空冷。
理化件解剖后，测试局部高倍组织(放大倍数为500倍)，高倍组织为理想网篮组织，如附图3；测试剖面的低倍组织，低倍组织均匀，流线沿环件外形分布，上下端面及局部边角部位存在冷模层，但冷模层厚度≤5mm，见附图4。
实施例二：
在实施例1的基础上，做出改进的地方主要体现在胎模锻阶段，本实施例胎模锻加热阶段，采取的保温措施是：软包套，具体实施如下：加热前，预热棒料并喷涂FR5玻璃润滑剂，然后将棒料放置在加热炉中加热，具体加热参数为：≤750℃入炉，加热至相变点下30℃，保温155min，后升温至相变点上30℃(且≤925℃)，保温80min，棒料出炉用10mm厚的保温棉进行软包套，其中定位台部位无须包套，最后棒料入炉升温至相变点上30℃(且≤925℃)，保温30min后，出炉锻造。
该实施例，理化件解剖后，高倍组织也为标准网篮组织，低倍组织均匀，流线沿环件外形分布，表层几乎看不到冷模组织。这说明实施例二中提及的保温措施优于实施例一，但实施例二中使用软包套，延长了加热时间，且保温棉对现场操作工的身体，有轻度损害。在实际操作中，还应该根据实际情况，选择合适的保温方式，质量小，厚度薄的锻件推荐选择软包套，质量重，厚度大的锻件推荐选择玻璃润滑剂进行双层涂刷。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种Ti17合金小型环形件的锻造方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：选择棒料，机加上下端面和定位台，并倒端面棱角至R15，使棒料上下端面与中轴线的垂直度≤0.5mm；
步骤二：对机加后的棒料进行胎模锻得到锻件：胎模锻的温度设定为相变点上30℃且不超过925℃，模锻的加热系数为：预热保温阶段为0.8min/mm，高温保温阶段为0.5min/mm，模锻的变形量为50％～70％之间，环件内孔处的连皮厚度为25～40mm；
步骤三：将锻件粗加工至比目标Ti17小环件的外轮廓大3mm；
步骤四：对粗加工后的锻件进行热处理：使用的热处理制度是固溶+时效，固溶温度为：800℃，固溶时间为：240min，时效温度为：630℃，时效时间为：480min；
步骤五：对热处理后的锻件进行机加、探伤、腐蚀，理化后得到目标Ti17小环件。
2.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，步骤二中，模锻时，锻造初始速度设定为2mm/s，压至欠压为15mm后，将速度调整至0.5mm/s，压至合模后再保压5s。
3.根据权利要求2所述的锻造方法，其特征在于，步骤二中，模锻时，所使用的闭式锻造胎模包括上冲头(1)，外环(2)，垫块(3)，其中，垫块(3)设置在外环(2)内，外环(2)和垫块(3)配合用于容纳棒料，垫块(3)与外环(2)之间为间隙配合，单面配合间隙为0.8～1mm，配合斜面与中轴线的夹角为5°，外环(2)内壁作为上冲头(1)的导向；上冲头(1)上设置有第一圆台(11)，第一圆台(11)的底部直径和小环件的内径等大；垫块(3)上设置有第二圆台(31)，第二圆台(31)的底部直径和小环件的内径等大；第二圆台(31)上设置有第三圆台(32)，用于锻造时定位。
4.根据权利要求3所述的锻造方法，其特征在于，第一圆台(11)的出模斜度设置为15°，第二圆台(31)的出模斜度设置为20°，第一圆台(11)的高度为环件高度与连皮厚度差值的4/7，第二圆台(31)的高度为环件高度与连皮厚度差值的3/7。
5.根据权利要求4所述的锻造方法，其特征在于，第三圆台(32)的高度为10～15mm，直径为1/4～1/3棒料直径，出模斜度为30°。
6.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，步骤二中，棒料加热前，预热棒料至120～150℃后，再喷涂玻璃润滑剂；具体的喷涂方式是：采用双层涂刷，第一层喷涂ATP610玻璃润滑剂，用于棒料保温，待第一层润滑剂干燥后，再喷涂第二层润滑剂康达特312。
7.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，步骤二中，在棒料高温阶段加热完成后，出炉用10mm厚的保温棉对棒料除定位台的其余部位进行软包套，包套后，再回炉加热保温30min后，出炉锻造。
8.根据权利要求1所述的锻造方法，其特征在于，步骤四中，在热处理阶段，固溶后的冷却方式为水冷，且要求水冷时间≥20min。
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