一種TB13鈦合金熔煉及開坯鍛造方法與流程
2023-08-02 18:01:46
【技術領域】
本發明屬於鈦合金熔煉和鍛造技術領域，具體涉及一種tb13鈦合金熔煉及開坯鍛造方法。
背景技術：
鈦合金tb13(ti-4al-22v)是一種β型鈦合金，具有優良的超彈性，冷加工性。主要應用於電子、機械、家電、醫療衛生及眼鏡架等生活日用品等各個領域。
tb13合金含有較高含量的β穩定元素v，使合金在室溫下可得到單相的β組織，也使其獲得了良好的冷加工性。生產實踐中，熔煉原材料通常以alv中間合金的方式添加al、v元素。tb13合金需要v含量較高的alv85合金，但其v含量處於83-86％之間，若出現v含量較低的情況就很難滿足tb13合金中al、v元素的配比。同時，該合金由於合金元素含量較高，對雜質元素的含量非常敏感，必須嚴格控制雜質元素的含量。
在鈦合金分類中，為實現β化或者近β化，需添加大量的合金元素，降低合金的β轉化溫度。常用β-ti合金的相轉變溫度處於700-800℃之間，熱加工時溫度過高，保溫時間過長會導致材料脆性增強。因此，該合金的熱加工工藝參數中，對溫度的窗口要求較高。尤其是不能過高，易產生高溫脆性，發生脆斷。
為實現tb13合金良好的力學性能，熔煉方法與開坯鍛造工藝是研究該合金的重要方向。β-ti合金是對熱加工參數非常敏感的一類鈦合金。如採用較大錠型，勢必提高開坯鍛造的加熱溫度，並需要較長的保溫時間。同時加工的火次也會增加，又增加了合金的高溫受熱時間。例如φ460-1200kg的鈦合金錠型，開坯鍛造的溫度處於1050-1150℃，保溫時間4-5h。至少需要2火次才能變形至□110mm(即截面邊長為110mm的方形坯料)。這些因素都將對合金的性能產生不良的影響。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種tb13鈦合金熔煉及開坯鍛造方法，以減少能耗，減少鑄錠過程中發生高溫脆性的風險，提高了材料的強度及塑性。
本發明採用以下技術方案，一種tb13鈦合金熔煉及開坯鍛造方法，具體包括以下步驟：
步驟1、以0級海綿鈦、alv中間合金、工業純鋁為原料，按照tb13鈦合金的成分配比進行稱料、混料，並倒入模具型腔內；所述alv中間合金中各元素重量百分比為v＝86.5％-88.5％，o≤0.30％，c≤0.05％；
步驟2、啟動壓機，對模具型腔內的混合原料進行壓制，得出電極塊，所述電極塊的尺寸為φ100mm；
步驟3、重複執行步驟1至步驟2得到多個電極塊，並組焊為自耗電極；
步驟4、將自耗電極進行至少4次自耗重熔，得到tb13鈦合金鑄錠，所述tb13鈦合金鑄錠尺寸為φ380mm，重量為500-800kg。
步驟5、將tb13鈦合金鑄錠於800-850℃裝爐，加溫度至950-980℃，到溫後保溫3-3.5h，一次性實現將φ380mm的tb13鈦合金鑄錠鍛造為截面邊長為110mm的方形坯料。
進一步地，所述0級海綿鈦為小顆粒海綿鈦，其粒徑為3-12.7mm；所述alv中間合金的顆粒粒徑小於等於8mm。
進一步地，步驟2中得到的電極塊單重為10kg。
進一步地，所述壓機為2000t液壓機。
進一步地，步驟4中首次重熔時，真空自耗熔煉爐內真空度大於等於100pa，後續自耗爐熔煉真空度大於等於10-1pa。
進一步地，所述真空熔煉爐為1.5t真空自耗熔煉爐。
進一步地，步驟5中鍛造設備選用1600t快鍛機。
本發明的有益效果是：本發明適合於近β或β型鈦合金的熔煉與開坯鍛造的工藝制度，β鈦合金採用小錠型、低溫鍛造工藝，減少鑄錠在開坯鍛造過程中高溫區的停留時間，提高了材料的強度及塑性，為後續加工奠定了良好的基礎，這類鈦合金的β相轉變點基本處於700-800℃的範圍，材料的性能受熱加工工藝的影響很大，本發明對於合金元素含量較多的β鈦合金，通過多次熔煉實現充分熔合，潔淨，均勻的小型鑄錠，並實施低溫鍛造工藝，減少鑄錠發生高溫脆性的風險，提高了材料的強度及塑性，為後續加工奠定了良好的基礎。
【具體實施方式】
下面結合具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明公開了一種tb13鈦合金熔煉及開坯鍛造方法，該方法研究一種小錠型低溫鍛造工藝。採用至少4次的真空自耗熔煉方法製備600kg左右的tb13合金小型鑄錠，然後在較低的溫度下進行大變形量開坯鍛造，實現該合金的良好性能。
tb13鈦合金屬於β鈦合金，本發明採用小錠型、低溫鍛造工藝，減少鑄錠在開坯鍛造過程中高溫區的停留時間，提高了材料的強度及塑性，為後續加工奠定了良好的基礎。
具體包括以下步驟：
步驟1、以0級海綿鈦、alv中間合金、工業純鋁豆為原料，按照tb13鈦合金的成分配比進行稱料、混料，並倒入模具型腔內；
合金力學性能與鑄錠成分的對比分析得出：c、o含量的增大會惡化材料力性，alv中間合金理想的控制含量：c≤0.02％、o≤0.15％。因此，對原材料0級海綿鈦、alv合金的雜質含量要嚴格控制。
本發明中原材料採用0級海綿鈦、工業純鋁豆、alv中間合金。其中alv中間合金的顆粒尺寸≤8mm，即其粒徑小於等於8mm，同時要適當提高v的含量，則alv中間合金中各元素重量百分比為具體要求為：v＝86.5-88.5％，o≤0.30％，c≤0.05％。海綿鈦選為小顆粒，其粒徑為3-12.7mm。
步驟2、啟動壓機，對模具型腔內的混合原料進行壓制，得出電極塊；電極塊單重為10kg，尺寸為φ100，長度為400mm。
根據tb13鈦合金的成分配比，分別稱料、混料後，壓製得出電極塊尺寸為φ100-10kg，長約400mm。選用設備為2000t液壓機。
步驟3、重複執行步驟1至步驟2得到多個電極塊，並組焊為自耗電極；
步驟4、將自耗電極進行至少4次自耗重熔，得到tb13鈦合金鑄錠，鑄錠重量為500-800kg，tb13鈦合金鑄錠尺寸為φ380(即鑄錠截面直徑為380mm)。
首次重熔時，選用φ160mm水冷銅坩堝，且真空度不低於100pa，即真空自耗熔煉爐內真空度大於等於100pa，後續真空自耗爐熔煉真空度不低於10-1pa，選用設備為1.5t真空自耗熔煉爐。
步驟5、將tb鈦合金鑄錠於800-850℃裝爐，加溫度至950-980℃，到溫後保溫3-3.5h，採用自由鍛造的方式，進行開坯鍛造。一次性實現φ380→□110的變形(即一次性將φ380mm的tb13鈦合金鑄錠鍛造為截面邊長為110mm的方形坯料)，一火次變形量達到89％，即一火次變形量大於85％，中間可適當回火。鍛造設備選用設備為1600t快鍛機。
實施例1tb13(ti-4al-22v)合金的φ380-600kg鑄錠熔煉及開坯鍛造方法：先將原材料0級海綿鈦、工業純鋁豆、alv中間合金按照ti-4.2al-21v(wt％)配比，進行稱料，混料。電極塊壓制選用2000t液壓機，電極塊單重10kg，尺寸為φ100×400mm。
共製備60個電極塊，組焊為12個自耗電極。後續經過真空自耗熔煉4次，獲得φ380-600kg鑄錠。鑄錠上部、中部、下部元素含量的檢測結果為：v％＝21.05％、21.10％、20.96％；al％＝4.20％、4.25％、4.24％；c％＝0.015％、0.018％、0.017％；o％＝0.14％、0.13％、0.14％。該錠號材料在後續加工過程中，未發現內部存在組織與成分偏析的現象。
開坯鍛造的設備為1600t快鍛機，加熱溫度950-980℃，鑄錠於800-850℃裝爐，到溫後保溫3-3.5h。採用自由鍛造的方式，一次性實現φ380→□110的變形，中間回火一次。鍛後方坯外觀平整，無較大較深的表面裂紋。經後續加工，tb13合金兩種規格絲材的室溫力學性能見表1。相對於大錠型，高溫鍛造工藝，本發明方案製備的tb13合金絲材的強度與塑性指標均有所提高。尤其是，延伸率a達到22％-28％，舊工藝絲材的延伸率a處於13％-20％之間。斷面收縮率z達到70％以上，舊工藝絲材的z值一般不超過65％。表明，本發明方案製備的tb13合金絲材具有更優良的室溫力學性能。
表1tb13合金室溫力學性能