Ti-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法
2023-11-01 14:52:47
專利名稱：Ti-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種半固態坯料的製備方法。
背景技術：
鈦合金是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用於各個領域。鈦合金的密度一般在4.51g/立方釐米左右，僅為鋼的60%，純鈦的強度才接近普通鋼的強度，一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大於其他金屬結構材料，可制出單位強度高、剛性好、質輕的零部件。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，並得到了實際應用。20世紀50 60年代，主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展。目前飛機的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。
目前鈦合金的成形方法主要包括鍛造和鑄造。鑄造利用液態鈦合金的流動性充填模具型腔而成形產品的工藝過程。鍛造是將鈦合金進行固態高溫熱塑性變形，使其充滿模具型腔，從而成形所需產品的工藝過程。二者各有利弊，其中鑄造以成型複雜形狀零件見長，鍛造則以提高產品性能為優勢。但是二者在成形高性能複雜形狀鈦合金零件方面都不具備優勢。針對高性能複雜形狀鈦合金零件的成形需求，半固態觸變成形技術具有一定的應用前景和價值。半固態觸變成形技術是20世紀70年代由美國麻省理工學院M.C.Flemings和D.B.Spencer發明的一項金屬精密成形技術。半固態觸變成形技術是一種繼承了鑄、鍛工藝的綜合優點的精密、近淨成形技術。與傳統的液態壓鑄相比，半固態觸變成形技術具有成形溫度低(液-固相溫區)、模具壽命長、製件精度高、組織均勻及其力學性能高等優點；與固態鍛造相比，它的顯著優點是可用較小的力、較低的成本一次成形形狀複雜、力學性能接近於鍛件的結構零件。
半固態觸變成形技術中主要技術路線為:坯料製備，二次加熱(重熔)和觸變成形。其中如何製備半固態坯料是半固態觸變成形技術最關鍵的一步。因為其決定和影響著整個成形過程，對成形產品的微觀組織形貌和力學性能非常重要。但是現有的方法有半固態二次加熱過程，增加了成本。發明內容
本發明的目的是為了解決現有方法有半固態二次加熱過程，增加了成本的技術問題，提供了一種T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法。
T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法如下:
—、將鈦金屬和銅金屬混合,得混合物，混合物中鈦金屬的質量分數為82% -86%,銅金屬的質量分數為14% _18%，然後熔煉混合物，再澆注，得到直徑為50_-60_、長度為350mm-400mm的圓柱體棒料,然後再切削,得到長度為85mm-95mm的T1-Cu型鈦合金還料；
二、將鐓粗模具工裝分別安裝至液壓機的活動橫梁和下固定橫梁的工作檯面上並將其預熱至220°C _235°C，並且在溫度為125°C _145°C的條件下將體積濃度為8% -25%的石墨水溶液勻地噴塗在鐓粗模具凸模和凹模的表面；
三、將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具安裝至液壓機或者擠壓機的活動橫梁和固定橫梁的工作檯上，並將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具預熱至280 0C -330 0C ；
四、利用電爐將T1-Cu型鈦合金坯料在氬氣保護下加熱至820°C _850°C，保溫8min_12min ；
五、將高溫電爐將預熱至T1-Cu型鈦合金的半固態溫度1160°C _1200°C保溫；
六、將經過步驟四處理的T1-Cu型鈦合金坯料運至鐓粗模具，在變形量為17% _23%、壓縮變形速度為5mm/S-8mm/S的條件下進行鐓粗熱壓縮變形，得到鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料；
七、將鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至高溫電阻爐中在氬氣保護、11600C -1200°c進行半固態溫度下保溫16min-21min ；
八、將經過步驟七處理的鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至步驟三所述半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具中，在280°C _330°C的條件下進行半固態觸變鍛造或者半固態觸變擠壓，得到T1-Cu型鈦合金半固態坯料，其中半固態觸變鍛造變形速度為28_/s-36mm/s,半固態觸變擠壓變形速度為32mm/s_40mm/s。
步驟一中所述的鈦金屬的純度為99.95%以上，銅金屬的純度為99.97%以上。
步驟一中在熔煉溫度為1570°C _1600°C、真空度為1.9X KT1Pa- .9X KT2Pa的條件下，熔煉混合物30min-35min。
步驟二中鐓粗模具工裝預熱採用內置電阻絲預熱，採用高頻瓷管進行支撐和絕緣處理，電阻絲材料為Cr20Ni80型鎳鉻電阻絲，採用三相三角形連接方式，模具內的加熱裝置功率為18kw。
步驟三中半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具凸模內的加熱裝置功率為21kw，凹模的加熱裝置功率為25kw。
步驟三中半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具在加熱過程中在溫度為1250C _145°C的條件下將體積濃度為8% -25 %的石墨水溶液勻地噴塗在半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具型腔表面。
步驟六中採用公稱壓力為IOOOOkN的三梁四柱式液壓機進行鐓粗熱壓縮變形。
本發明具有以下有益效果:
(一 )、採用材料冶金方法製備的T1-Cu型鈦合金坯料具有較寬的半固態溫度區間，所以該坯料非常適合半固態觸變成形。
( 二)、採用鐓粗工藝對T1-Cu型鈦合金坯料實現熱壓縮變形能夠使材料微觀組織細化，儲存彈性和塑性變性能，有效實現應變誘導。
(三)、採用 鐓粗熱變形後直接運抵高溫電阻爐中進行保護氣氛下升溫並半固態溫度保溫能夠縮短工藝流程，節約能源消耗，提高制坯生產效率。
(四)、採用半固態溫度保溫處理後直接運抵半固態觸變模具型腔進行半固態觸變成形能夠實現與成形過程的有效匹配，本發明沒有半固態二次加熱過程，提高了 T1-Cu型鈦合金零件的生產效率，節約成本。
圖1是本發明鐓粗模具的結構示意圖，圖中I表示凸模，2表示凹模，3表示加熱孔；
圖2是本發明半固態觸變模鍛模具的結構示意圖，圖中4表示半固態觸變模鍛模具的凸模，5表示半固態觸變模鍛模具的凹模，6表示模鍛製件；
圖3是本發明半固態擠壓模具的結構示意圖，圖中7表示半固態擠壓模具的凸模，8表不半固態擠壓模具的凹模，9表不擠壓製件。
具體實施方式
本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的任意組合。
具體實施方式
一:本實施方式T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法如下:
—、將鈦金屬和銅金屬混合,得混合物，混合物中鈦金屬的質量分數為82% -86%,銅金屬的質量分數為14% _18%，然後熔煉混合物，再澆注，得到直徑為50_-60_、長度為350mm-400mm的圓柱體棒料,然後再切削,得到長度為85mm-95mm的T1-Cu型鈦合金還料；
二、將鐓粗模具工裝分別安裝至液壓機的活動橫梁和下固定橫梁的工作檯面上並將其預熱至220°C _235°C，並且在溫度為125°C _145°C的條件下將體積濃度為8% -25%的石墨水溶液勻地噴塗在鐓粗模具凸模和凹模的表面；
三、將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具安裝至液壓機或者擠壓機的活動橫梁和固定橫梁的工作檯上，並將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具預熱至280 0C -330 0C ；
四、利用電爐將T1-Cu型鈦合金坯料在氬氣保護下加熱至820°C _850°C，保溫8min_12min ；
五、將高溫電爐將預熱至T1-Cu型鈦合金的半固態溫度1160°C _1200°C保溫；
六、將經過步驟四處理的T1-Cu型鈦合金坯料運至鐓粗模具，在變形量為17% _23%、壓縮變形速度為5mm/S-8mm/S的條件下進行鐓粗熱壓縮變形，得到鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料；
七、將鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至高溫電阻爐中在氬氣保護、11600C -1200°C進行半固態溫度下保溫16min-21min ；
八、將經過步驟七處理的鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至步驟三所述半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具中，在280°C _330°C的條件下進行半固態觸變鍛造或者半固態觸變擠壓，得到T1-Cu型鈦合金半固態坯料，其中半固態觸變鍛造變形速度為28_/s-36mm/s,半固態觸變擠壓變形速度為32mm/s_40mm/s。
本實施方式步驟一中將鈦金屬和銅金屬混合前在55°C -60°C的條件下採用HNO3與HF的水溶液進行酸洗12min-15min，HN03與HF的水溶液中HNO3體積濃度為21% -23%,HF體積濃度為2% -19%。
本實施方式中步驟七中採用WRP型鉬銠10-鉬熱電偶進行鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料溫度測量，將鉬銠10-鉬熱電偶直接與鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料表面接觸進行測溫。
本實施方式中所用的半固態觸變模鍛設備採用公稱壓力為5000kN的三梁四柱式液壓機，本實施方式中所用的半固態觸變擠壓設備採用公稱壓力為6500kN的立式擠壓機。
具體實施方式
二:本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中所述的鈦金屬的純度為99.95%以上，銅金屬的純度為99.97%以上。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:本實施方式與具體實施方式
一或二之一不同的是步驟一中在熔煉溫度為1570°C _1600°C、真空度為LgXKr1PaUXKT2Pa的條件下，熔煉混合物30min_35min。其它與具體實施方式
一或二之一相同。
具體實施方式
四:本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟二中鐓粗模具工裝預熱採用內置電阻絲預熱，採用高頻瓷管進行支撐和絕緣處理，電阻絲材料為Cr20Ni80型鎳鉻電阻絲，採用三相三角形連接方式，模具內的加熱裝置功率為18kw。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五:本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟三中半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具凸模內的加熱裝置功率為21kw，凹模的加熱裝置功率為25kw。其它與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六:本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三中半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具在加熱過程中在溫度為125°C _145°C的條件下將體積濃度為8% -25%的石墨水溶液勻地噴塗在半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具型腔表面。。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七:本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟六中採用公稱壓力為IOOOOkN的三梁四柱式液壓機進行鐓粗熱壓縮變形。其它與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八:本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟一中混合物中鈦金屬的質量分數為85%，銅金屬的質量分數為15%。其它與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九:本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟六中在變形量為20%、壓縮變形速度為6mm/s的條件下進行鐓粗熱壓縮變形。其它與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十:本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟七中在氬氣保護、1180°C進行半固態溫度下保溫15min。其它與具體實施方式
一至九之一相同。
採用下述實驗驗證本發明效果:
實驗一:
T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法如下:
—、將鈦金屬和銅金屬混合,得混合物,混合物中鈦金屬的質量分數為84%,銅金屬的質量分數為16%，然後熔煉混合物，再澆注，得到直徑為55mm、長度為360mm的圓柱體棒料，然後再切削，得到長度為90mm的T1-Cu型鈦合金坯料；
二、將鐓粗模具工裝分別安裝至液壓機的活動橫梁和下固定橫梁的工作檯面上並將其預熱至230°C，並且在溫度為135°C的條件下將體積濃度為20%的石墨水溶液勻地噴塗在鐓粗模具凸模和凹模的表面；
三、將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具安裝至液壓機或者擠壓機的活動橫梁和固定橫梁的工作檯上，並將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具預熱至330°C ；
四、利用電爐將T1-Cu型鈦合金坯料在氬氣保護下加熱至830°C，保溫IOmin ；
五、將高溫電爐將預熱至T1-Cu型鈦合金的半固態溫度1170°C，保溫15min ；
六、將經過步驟四處理的T1-Cu型鈦合金坯料運至鐓粗模具，在變形量為20%、壓縮變形速度為7mm/s的條件下進行鐓粗熱壓縮變形，得到鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料；
七、將鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至高溫電阻爐中在氬氣保護、1190°C進行半固態溫度下保溫20min ；
八、將經過步驟七處理的鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至步驟三所述半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具中，在300°C的條件下進行半固態觸變鍛造或者半固態觸變擠壓，得到T1-Cu型鈦合金半固態坯料，其中半固態觸變鍛造變形速度為28_/s-36mm/s,半固態觸變擠壓變形速度為32mm/s_40mm/s。
本實驗步驟一中將鈦金屬和銅金屬混合前在60°C的條件下採用HNO3與HF的水溶液進行酸洗15min，HNO3與HF的水溶液中HNO3體積濃度為22%、HF體積濃度為2%。
本實驗中步驟七中採用WRP型鉬銠10-鉬熱電偶進行鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料溫度測量，將鉬銠10-鉬熱電偶直接與鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料表面接觸進行測溫。
本實驗中所用的半固態觸變模鍛設備採用公稱壓力為5000kN的三梁四柱式液壓機，本實驗中所用的半固態觸變擠壓設備採用公稱壓力為6500kN的立式擠壓機。
權利要求
1.T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法如下: 一、將鈦金屬和銅金屬混合，得混合物，混合物中鈦金屬的質量分數為82%-86%,銅金屬的質量分數為14% _18%，然後熔煉混合物，再澆注，得到直徑為50mm-60mm、長度為350mm-400mm的圓柱體棒料,然後再切削,得到長度為85mm-95mm的T1-Cu型鈦合金還料； 二、將鐓粗模具工裝分別安裝至液壓機的活動橫梁和下固定橫梁的工作檯面上並將其預熱至220°C _235°C，並且在溫度為125°C _145°C的條件下將體積濃度為8% -25%的石墨水溶液勻地噴塗在鐓粗模具凸模和凹模的表面； 三、將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具安裝至液壓機或者擠壓機的活動橫梁和固定橫梁的工作檯上，並將半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具預熱至280 0C -330 0C ； 四、利用電爐將T1-Cu型鈦合金坯料在氬氣保護下加熱至820°C-850 °C,保溫8min_12min ； 五、將高溫電爐將預熱至T1-Cu型鈦合金的半固態溫度1160°C-1200°C保溫； 六、將經過步驟四處理的T1-Cu型鈦合金坯料運至鐓粗模具，在變形量為17%-23%,壓縮變形速度為5mm/S-8mm/S的條件下進行鐓粗熱壓縮變形，得到鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料； 七、將鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至高溫電阻爐中在氬氣保護、1160°C-1200°C進行半固態溫度下保溫16min-21min ； 八、將經過步驟七處理的鐓粗變形的T1-Cu型鈦合金坯料運至步驟三所述半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具中，在280°C _330°C的條件下進行半固態觸變鍛造或者半固態觸變擠壓，得到T1-Cu型鈦合金半固態坯料，其中半固態觸變鍛造變形速度為28_/s-36mm/s,半固態觸變擠壓變形速度為32mm/s_40mm/s。
2.根據權利要求1所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟一中所述的鈦金屬的純度為99.95%以上，銅金屬的純度為99.97%以上。
3.根據權利要求1所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟一中在熔煉溫度為1570°C -1600°C、真空度為1.9X 10_%-7.9X 10_2Pa的條件下，熔煉混合物30min_35mino
4.根據權利要求1所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟二中鐓粗模具工裝預熱採用內置電阻絲預熱，採用高頻瓷管進行支撐和絕緣處理，電阻絲材料為Cr20Ni80型鎳鉻電阻絲，採用三相三角形連接方式，模具內的加熱裝置功率為18kw。
5.根據權利要求1所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟三中半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具凸模內的加熱裝置功率為21kw，凹模的加熱裝置功率為25kw。
6.根據權利要求1所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟三中半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具在加熱過程中在溫度為125°C _145°C的條件下將體積濃度為8% -25%的石墨水溶液勻地噴塗在半固態觸變模鍛模具或者半固態擠壓模具型腔表面。
7.根據權利要求1所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟六中採用公稱壓力為IOOOOkN的三梁四柱式液壓機進行鐓粗熱壓縮變形。
8.根據權利要求1、2、3、4、5、6或7所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟一中混合物中鈦金屬的質量分數為85%，銅金屬的質量分數為15%。
9.根據權利要求1、2、3、4、5、6或7所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟六中在變形量為20%、壓縮變形速度為6mm/s的條件下進行鐓粗熱壓縮變形。
10.根據權利要求1、2、3、4、5、6或7所述T1-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，其特徵在於步驟七中在 氬氣保護、1180°C進行半固態溫度下保溫15min。
全文摘要
Ti-Cu型鈦合金半固態坯料的製備方法，它涉及一種半固態坯料的製備方法。本發明解決了現有方法有半固態二次加熱過程，增加了成本的技術問題。本方法如下用鈦金屬和銅金屬製備Ti-Cu型鈦合金坯料；利用電爐將Ti-Cu型鈦合金坯料在氬氣保護下加熱，然後進行鐓粗熱壓縮變形，然後在半固態溫度下保溫，再進行半固態觸變鍛造或者半固態觸變擠壓，得到Ti-Cu型鈦合金半固態坯料。本發明沒有半固態二次加熱過程，提高了Ti-Cu型鈦合金零件的生產效率，節約成本。本發明用於半固態坯料的製備領域。
文檔編號B22D17/00GK103170602SQ20131008171
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者姜巨福, 王迎 申請人:哈爾濱工業大學