CN118341928A - 一种ta15棒材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TA15棒材的制备方法，包括以下步骤：熔炼并测试合金铸锭相变点、多次锻造后墩拔、修磨、下料分切后锻造和拔长滚圆。本发明通过模拟计算，对TA15钛合金中Al、V、Mo、Zr、Fe、O和Si元素的含量进行了优化设计，使合金能兼顾室温下的强塑性匹配与500℃高温条件下的性能，同时基于优化后的成分，设计了多火次换向锻造工艺，以保证所得成品棒材的组织均匀性，所得TA15钛合金成品棒材具有良好的强塑性匹配与高温性能，满足高端领域的实际需要。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金棒材制造技术领域，尤其涉及一种TA15棒材的制备方法。
背景技术
随着我国航空航天、海洋工程和军事装备等领域的牵引和推动，新型结构材料向高功能化、复合轻量化和智能化的方向发展。钛合金因其具有的高比强度、高海洋环境耐蚀性、以及无磁性等特点，成为了航空航天、海洋工程和军事装备等领域备受重视的备选材料，将伴随经济和技术的不断发展、制备工艺的不断成熟而持续扩展其应用范围与数量。在航空航天领域，α钛合金和近α钛合金广泛应用于民用飞机的楼梯托架和防火墙板等等非受力部件，以及燃油管路、液压管路和空调管路等功能型部件。α+β两相钛合金主要应用于民用航空飞机的框、梁等受力构件、以及蒙皮和其它板材冲压零件。而β钛合金则主要应用于起落架以及其它机身和机翼部位的承受高强度载荷的受力部件。
TA15钛合金是一种近α型钛合金，具有高强度、热稳定性、焊接性和良好的加工性能，是航空航天领域的典型钛合金牌号之一，其大规格棒材作为成品与管型材中间品均有大量应用。
TA15棒材主要通过锻造实现生产，主要技术要点在于化学成分与锻造工艺设计，通常倾向于保证较好的室温强塑性匹配，并兼顾高温拉伸与高温持久性能。由于TA15钛合金成分设计、锻造工艺的难度大，相关产品在部分性能上容易出现存在波动与不达标的情况。
因此，为了对TA15成分进行优化，应当对现有技术提出改进。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种TA15棒材的制备方法，通过模拟计算，对TA15成分进行了优化，并基于优化后的成分设计相应的锻造工艺，所得TA15钛合金成品棒材具有良好的强塑性匹配与高温性能，满足高端领域的实际需要。
根据本发明的一个方面，提出一种TA15棒材的制备方法，其包括以下步骤：
S1、熔炼得到TA15合金铸锭，测试合金铸锭相变点tβ；
S2、将所述TA15钛合金铸锭入炉加热至1150℃保温后出炉锻造，先拔长至高径比1:1.8，之后不回炉一火完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第一坯料；
S3、将所述第一坯料入炉加热至1050℃保温后出炉锻造，不回炉一火完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第二坯料；
S4、将第二坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，每次镦拔后回炉加热预定时间再镦拔，完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第三坯料；
S5、重复进行步骤S4，并将完成重复锻造的第三坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，一镦一拔后回炉加热预定时间再一镦一拔，得到第四坯料；
S6、将经过分切的第四坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，拔长一端后回炉加热预定时间再拔长另一端；之后，在950℃保温后进行锻造，拔长整形一端后回炉加热预定时间再拔长整形另一端，得到预定规格的棒材。
根据本发明的一个实施例，步骤S1中，以质量百分数计，所述合金铸锭中，Al含量为6.30～6.60％；V含量为2.30～2.40％；Mo含量为1.50～1.80％；Zr含量为2.30～2.40％；Fe含量为0.10～0.15％；O含量为0.07～0.10％；Si含量为0.04～0.06％。
根据本发明的一个实施例，步骤S2、S3、S4中，所述换向二镦二拔为镦粗后沿着镦粗方向的垂直方向进行拔长。与沿原镦粗方向进行拔长相比，换向拔长有利于减少变形死区，缓解锻造过程中的变形不均匀，得到更为均匀的组织并细化晶粒。
根据本发明的一个实施例，步骤S2、S3、S4中，所述正常墩拔的拔长方向为原镦粗方向。
根据本发明的一个实施例，步骤S2、S3、S4、S5中，保温时间为5～6h；步骤S6中，在tβ-(20～30)℃保温3～4h，在950℃保温2～2.5h；步骤S4、S5中，回炉加热时间为2h；步骤S6中，回炉加热时间为1.5h。
根据本发明的一个实施例，步骤S5中，重复进行3次步骤S4。
根据本发明的一个实施例，步骤S6中，还包括对棒材进行退火，退火温度范围为800～850℃，保温时间范围1.5～2h。
根据本发明的一个实施例，步骤S2、S3、S4、S5中，墩粗下压量不小于40％。
根据本发明的一个实施例，第一坯料、第二坯料以及第三坯料的直径均为720±20mm；第四坯料的直径为400±20mm；步骤S6中，第一次拔长至直径为240mm，第二次拔长至直径为220mm。
根据本发明的一个实施例，所述棒材的长度范围为4300～4800mm。
在根据本发明的实施例的一种TA15棒材的制备方法，包括以下工艺流程：合金成分确定、VAR熔炼、测试合金铸锭相变点、多次锻造后墩拔、修磨、下料分切后锻造和拔长滚圆，本发明通过模拟计算，对国家标准中所规定的TA15钛合金各主要元素Al、V、Mo、Zr、Fe、O和Si的含量进行了优化设计。Al稳定和强化了α相，提高了β相转变温度，并降低了合金的密度。V是β相稳定元素，保证合金具有一定量的β相，能改善合金的工艺塑性，提高钛的热稳定性。Mo可以细化钛合金的显微组织，且能在较小幅度降低其室温塑性的前提下，显著提高其室温强度。Zr可以降低钛的Ms点，减少时效w相的体积分数；其在α相和β相中均有较大的固溶度，使钛的室温拉伸性能强度明显升高，塑性下降，还能提高温拉伸性能。Fe对钛具有很好的强化效果，稳定β相能力强。O原子在与钛形成间隙固溶体时占据八面体间隙，使α相晶格发生畸变，从而对钛起强化作用，使强度升高，塑性降低。一定含量的Si元素能提高钛合金的高温性能。优化后的成分使合金能兼顾室温下的强塑性匹配与500℃高温条件下的性能，同时基于优化后的成分，设计了多火次换向锻造工艺，以保证所得成品棒材的组织均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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案例，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它的附图。
图1示出了根据本发明的一种TA15棒材的制备方法的工艺流程图；
图2示出了根据本发明的一种TA15棒材的制备方法的实施例1中TA15钛合金棒材组织的示意图；
图3示出了根据本发明的一种TA15棒材的制备方法的实施例2中TA15钛合金棒材组织的示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种TA15棒材的制备方法，其包括以下步骤：
S1、熔炼得到TA15合金铸锭，测试合金铸锭相变点tβ；
S2、将所述TA15钛合金铸锭入炉加热至1150℃保温后出炉锻造，先拔长至高径比1:1.8，之后不回炉一火完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第一坯料；
S3、将所述第一坯料入炉加热至1050℃保温后出炉锻造，不回炉一火完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第二坯料；
S4、将第二坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，每次镦拔后回炉加热预定时间再镦拔，完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第三坯料；
S5、重复进行步骤S4，并将完成重复锻造的第三坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，一镦一拔后回炉加热预定时间再一镦一拔，得到第四坯料；
S6、将经过分切的第四坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，拔长一端后回炉加热预定时间再拔长另一端；之后，在950℃保温后进行锻造，拔长整形一端后回炉加热预定时间再拔长整形另一端，得到预定规格的棒材。
本申请中，换向拔长的目的是减少变形死区，缓解锻造过程中的变形不均匀，得到更为均匀的组织并细化晶粒；追加镦拔次数意味着更大的总变形量，有利于晶粒细化，改善拉伸性能的一致性；不回炉一火完成锻造能避免中途加热对组织的影响，使变形效果更为充分。
在根据本发明的实施例的TA15棒材的制备方法中，通过模拟计算，对TA15钛合金中Al、V、Mo、Zr、Fe、O和Si元素的含量进行了优化设计，使合金能兼顾室温下的强塑性匹配与500℃高温条件下的性能，同时基于优化后的成分，设计了多火次换向锻造工艺，以保证所得成品棒材的组织均匀性。
本发明的生产工艺流程为：合金成分确定、VAR熔炼、测试合金铸锭相变点、多次锻造后墩拔、修磨、下料分切后锻造和拔长滚圆，其中：
步骤S1中，以质量百分数计，所述合金铸锭中，Al含量为6.30～6.60％；V含量为2.30～2.40％；Mo含量为1.50～1.80％；Zr含量为2.30～2.40％；Fe含量为0.10～0.15％；O含量为0.07～0.10％；Si含量为0.04～0.06％。该成分能使合金能兼顾室温下的强塑性匹配与500℃高温条件下的性能。
步骤S1中，测试合金铸锭相变点tβ以确定两相区锻造温度tβ-(20～30)℃。
步骤S1中的熔炼为三次VAR熔炼。
步骤S2中需要对获得的第一坯料进行冷却后修磨。
步骤S2、S3、S4中，所述换向二镦二拔为镦粗后沿着镦粗方向的垂直方向进行拔长。
步骤S2、S3、S4中，所述正常墩拔的拔长方向为原镦粗方向。更多的镦拔次数意味着更大的总变形量，有利于晶粒细化，改善拉伸性能的一致性。
步骤S2、S3、S4、S5中，保温时间为5～6h；步骤S6中，在tβ-(20～30)℃保温3～4h，在950℃保温2～2.5h；步骤S4、S5中，回炉加热时间为2h；步骤S6中，回炉加热时间为1.5h。
步骤S5中，重复进行3次步骤S4。
步骤S6中，还包括对棒材进行退火，退火温度范围为800～850℃，保温时间范围1.5～2h。
步骤S2、S3、S4、S5中，墩粗下压量不小于40％。
第一坯料、第二坯料以及第三坯料的直径均为720±20mm；第四坯料的直径为400±20mm；步骤S6中，第一次拔长至直径为240mm，第二次拔长至直径为220mm。
所述棒材的长度范围为4300～4800mm。
以下通过具体的实施例对本方案进行说明。
实施例1：
S1、以质量百分数计，Al含量为6.3％，V含量为2.3％，Mo含量为1.5％，Zr含量为2.3％，Fe含量为0.1％，O含量为0.07％，Si含量为0.04％，VAR熔炼得到一支6t级的TA15铸锭；
S2、清理所得6t级铸锭并中切，一分为二成为两截3t级的锭坯；
S3、利用电阻炉加热3t级的锭坯，在1150℃保温5～6h出炉进行第一火次锻造，先拔长至高径比1:1.8后换向二镦二拔加一次正常墩拔，拔长打八方至720×L mm，墩粗下压量40％；
S4、在1050℃保温5～6h出炉进行第二火次锻造，换向二镦二拔加一次正常墩拔，拔长打八方至720×L mm，墩粗下压量变形量40％；
S5、在960℃保温5～6h出炉进行第三火次锻造，换向二镦二拔加一次正常墩拔，拔长打八方至720×L mm，墩粗下压量变形量40％，每次镦拔之间回炉再烧2h；
S6、重复两次步骤S5，完成第四火次和第五火次的锻造；
S7、在950℃保温5～6h出炉进行第六火次锻造，换向二镦二拔，拔长打八方至400×L mm后下料3等分，墩粗下压量变形量40％，每次镦拔之间回炉再烧2h；
S8、在950℃保温3～4h出炉进行第七火次锻造，拔长至八方240×L mm，中途回炉再烧1.5h；
S9、在950℃保温2～2.5h出炉进行第八火次锻造，整形至Φ220×4300～4800mm的棒材，中途回炉再烧1.5h。所得棒材组织如图2所示，由图2可知，组织均匀性较好。
性能测试显示，室温下棒材的抗拉强度Rm＝958MPa，屈服强度Rp0.2＝862MPa，延伸率A50＝16％；高温(500℃)下，棒材的抗拉强度Rm＝693MPa，持久性能为470MPa加载下保持162h不断裂。
实施例2：
S1、以质量百分数计，Al含量为6.6％，V含量为2.4％，Mo含量为1.8％，Zr含量为2.4％，Fe含量为0.15％，O含量为0.1％，Si含量为0.06％，VAR熔炼得到一支6t级的TA15铸锭；
S2、清理所得6t级铸锭并中切，一分为二成为两截3t级的锭坯；
S3、利用电阻炉加热3t级的锭坯，在1150℃保温5～6h出炉进行第一火次锻造，先拔长至高径比1:1.8后换向二镦二拔加一次正常墩拔，拔长打八方至720×L mm，墩粗下压量40％；
S4、在1050℃保温5～6h出炉进行第二火次锻造，换向二镦二拔加一次正常墩拔，拔长打八方至720×L mm，墩粗下压量变形量40％；
S5、在950℃保温5～6h出炉进行第三火次锻造，换向二镦二拔加一次正常墩拔，拔长打八方至710×L mm，墩粗下压量变形量40％，每次镦拔之间回炉再烧2h；
S6、重复两次步骤S5，完成第四火次和第五火次的锻造；
S7、在940℃保温5～6h出炉进行第六火次锻造，换向二镦二拔，拔长打八方至400×L mm后下料3等分，墩粗下压量变形量40％，每次镦拔之间回炉再烧2h；
S8、在940℃保温3～4h出炉进行第七火次锻造，拔长至八方240×L mm，中途回炉再烧1.5h；
S9、在940℃保温2～2.5h出炉进行第八火次锻造，整形至Φ220×4300～4800mm的棒材，中途回炉再烧1.5h。所得棒材组织如图3所示，由图3可知，组织均匀性较好。
性能测试显示，室温下棒材的抗拉强度Rm＝995MPa，屈服强度Rp0.2＝878MPa，延伸率A50＝14％；高温(500℃)下，棒材的抗拉强度Rm＝734MPa，持久性能为470MPa加载下保持164h不断裂。
本发明提出一种TA15棒材的制备方法，其实施后至少具有以下有益效果：
通过模拟计算，对TA15钛合金中Al、V、Mo、Zr、Fe、O和Si元素的含量进行了优化设计，使合金能兼顾室温下的强塑性匹配与500℃高温条件下的性能，同时基于优化后的成分，设计了多火次换向锻造工艺，以保证所得成品棒材的组织均匀性。
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 (10)
1.一种TA15棒材的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、熔炼得到TA15合金铸锭，测试合金铸锭相变点tβ；
S2、将所述TA15钛合金铸锭入炉加热至1150℃保温后出炉锻造，先拔长至高径比1:1.8，之后不回炉一火完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第一坯料；
S3、将所述第一坯料入炉加热至1050℃保温后出炉锻造，不回炉一火完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第二坯料；
S4、将第二坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，每次镦拔后回炉加热预定时间再镦拔，完成换向二镦二拔和一次正常墩拔，得到第三坯料；
S5、重复进行步骤S4，并将完成重复锻造的第三坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，一镦一拔后回炉加热预定时间再一镦一拔，得到第四坯料；
S6、将经过分切的第四坯料入炉加热至tβ-(20～30)℃保温后出炉锻造，拔长一端后回炉加热预定时间再拔长另一端；之后，在950℃保温后进行锻造，拔长整形一端后回炉加热预定时间再拔长整形另一端，得到预定规格的棒材。
2.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，步骤S1中，以质量百分数计，所述合金铸锭中，Al含量为6.30～6.60％；V含量为2.30～2.40％；Mo含量为1.50～1.80％；Zr含量为2.30～2.40％；Fe含量为0.10～0.15％；O含量为0.07～0.10％；Si含量为0.04～0.06％。
3.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，步骤S2、S3、S4中，所述换向二镦二拔为镦粗后沿着镦粗方向的垂直方向进行拔长。
4.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，步骤S2、S3、S4中，所述正常墩拔的拔长方向为原镦粗方向。
5.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，步骤S2、S3、S4、S5中，保温时间为5～6h；步骤S6中，在tβ-(20～30)℃保温3～4h，在950℃保温2～2.5h；步骤S4、S5中，回炉加热时间为2h；步骤S6中，回炉加热时间为1.5h。
6.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，步骤S5中，重复进行3次步骤S4。
7.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，步骤S6中，还包括对棒材进行退火，退火温度范围为800～850℃，保温时间范围1.5～2h。
8.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，步骤S2、S3、S4、S5中，墩粗下压量不小于40％。
9.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，第一坯料、第二坯料以及第三坯料的直径均为720±20mm；第四坯料的直径为400±20mm；步骤S6中，第一次拔长至直径为240mm，第二次拔长至直径为220mm。
10.根据权利要求1所述的TA15棒材的制备方法，其特征在于，所述棒材的长度范围为4300～4800mm。
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