一種tc4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法
2023-12-01 10:34:21
一種tc4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法
【專利摘要】本發明涉及鈦合金的棒材鍛造加工方法，尤其是一種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法。其特點是，包括如下步驟：步驟1，開坯鍛造；步驟2，相變點以上中間鍛造；步驟3，相變點以下中間鍛造；步驟4；步驟5，成品鍛造，最終獲得Φ200～Φ300mm、長度2000～3000mm的TC4鈦合金大規格棒材。與現有技術相比：1、本發明不需要更大規格的鑄錠和大噸位的鍛造設備，可以採用普通工業3噸錠和小噸位鍛造壓機實現工業化生產；2、設備投資小。Φ600mm的3噸錠型僅需要投資3噸的電弧爐，與之配套的3000噸成型油壓機，鍛造工序需要投資小噸位的鍛造壓機，比如1600噸的鍛造壓機等，設備投資明顯減小。
【專利說明】一種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鈦合金的棒材鍛造加工方法，尤其是一種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法。
【背景技術】
[0002]鈦合金具有輕質、比強度高、高溫性能優良、抗腐蝕能力強等優點，是航空、航天、兵器、艦船等領域應用的重要材料。航空工業是鈦合金高端應用的主要領域，而其中鈦合金用量最大的合金牌號是TC4 (T1-6A1-4V)中強兩相鈦合金，佔鈦合金產量的70%左右，主要用於飛機結構件等部件。隨著航空工業的發展，為了提高飛機的安全可靠性、延長壽命、提高結構效益，飛機的設計發展趨勢是減少焊接，承力件逐漸採用大型鍛件和大型整體鍛件所代替。為了滿足大型鍛件和大型整體鍛件的研製、生產，需要使用高質量大規格鈦合金棒材。
[0003]在國內，以前生產TC4鈦合金Φ 10mm以上棒材時，為了保證組織、性能均勻一致並符合相關技術要求需要採用反覆鐓拔，而鐓拔鍛造的實現是依靠人工加持完成操作，受這種操作方法的限制，使得國內TC4鈦合金Φ 10mm以上棒材生產的周期長，棒材單重較小，產品質量一致性差，超聲波探傷級別低。在2008年左右，工業化生產和應用的棒材直徑最大為Φ220_，單支長度僅有1.5m左右，長度較短，難以滿足國內航空、航天、艦船等領域的需求。同期國內許多單位雖開展了 O220mm以上規格棒材的研製，但棒材長度難以提高，組織、力學性能、超聲波探傷及質量一致性等要求仍存在較大的差距。
[0004]目前，國內採用Φ700~Φ950_的4噸~8噸錠型，使用3150噸鍛造機和2500噸鍛造機實現了 Φ200~Φ 400mm長度≥2500mm的TC4大棒生產，但火次大約在8~13次，甚至更多。還有部分單位為了生產Φ 400mm的大棒，新增加了 4500噸快鍛機，但火次也在11~13之間，生產成本仍然很高。
[0005]總體而言，鈦合金是一種難變形和難加工材料，尤其是應用於航空結構件的TC4大規格棒材，存在組織和性能不均勻的問題。為了解決這個問題，通常採用更大規格的鑄錠(比如Φ700~Φ950_的4噸~8噸錠型)、大的鍛造壓機(2500噸~3150噸快鍛機)和增加鍛造火次(8~13火次)等措施來實現，但投資成本高、工藝流程長、技術複雜。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法，能夠採用小噸位鍛造壓機和中等工業型鑄錠以及較少的鍛造火次鍛造加工規格為Φ200~Φ300πιπι長度2000~3000mm的TC4鈦合金大棒。
[0007]—種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法，其特別之處在於，包括如下步驟:
[0008]步驟I，開坯鍛造:
[0009]將直徑600~700mm的TC4鈦合金鑄錠先在800~850°C預熱I~2h，然後在β轉變溫度以上150~200°C加熱保溫，等到保溫時間4~6h到後採用快鍛機進行開坯鍛造，控制鐓拔次數2~3次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，總鍛比不小於2，終鍛溫度≥9000C，鍛後採用水冷；
[0010]步驟2，相變點以上中間鍛造:
[0011]將上一步驟得到的坯料先在在800~850°C預熱I~2h，然後在β轉變溫度以上50~100°C加熱保溫，等到保溫時間3~4h到後採用快鍛機進行相變點以上中間鍛造，控制鐓拔次數2~4次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，總鍛比不小於3，拔長時採用滿砧送進從而增加橫向變形量並改善鍛透性，終鍛溫度> 850°C，鍛後採用水冷；
[0012]步驟3，相變點以下中間鍛造:
[0013]將上一步驟得到的坯料在β轉變溫度以下30~40°C加熱保溫3~4h，仍然採用快鍛機進行2火次鍛造，控制鐓拔次數3~4次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，每火次總鍛比不小於4，拔長時採用滿砧送進從而增加橫向變形量改善鍛透性，終鍛溫度> 800°C，鍛後採用水冷；
[0014]步驟4:
[0015]將上一步驟得到的坯料在β轉變溫度以下50~60°C加熱保溫2~4h，仍然採用快鍛機進行2~3火次鍛造，控制鐓拔次數2~4次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，每火次總鍛比不小於2.5，並且控制拔長時沿斷面對角線方向壓下拔長，採用滿砧送進，終鍛溫度^ 800°C，鍛後採用水冷；
[0016]步驟5，成品鍛造:
[0017]將上一步驟得到的坯料在β轉變溫度以下50~60°C加熱保溫2~3h，在快鍛機上同時採用平砧和V型砧進行摔圓鍛造從而減少平砧鍛造時產生的難變形區以進一步改善組織均勻性，控制變形量25~35%，終鍛溫度> 800°C，鍛後採用水冷，最終獲得Φ200~Φ 300mm、長度2000~3000mm的TC4鈦合金大規格棒材。
[0018]其中步驟3中採用快鍛機在相變點以下兩相區進行2火次鍛造，步驟4中採用快鍛機在相變點以下兩相區進行2~3火次鍛造。
[0019]其中快鍛機採用1600~2000噸的快鍛機。
[0020]本發明提供一種採用小噸位鍛造壓機(1600~2000噸快鍛機)和中等工業型鑄錠(Φ600~700_左右的3噸錠型)以及較少的鍛造火次(7~8火次)製備TC4鈦合金大棒(Φ200~Φ300πιπι， 長度2000~3000mm)的加工方法，達到了減少投資、節約能源、縮短工藝流程和降低生產成本、挖潛增效的良好效果，而且批次質量一致性高，生產周期大幅度縮短。
[0021]本發明方法與現有技術相比，還具有如下優點:1、本發明不需要更大規格的鑄錠和大噸位的鍛造設備，可以採用普通工業3噸錠和小噸位鍛造壓機實現工業化生產；2、設備投資小。Φ600πιπι的3噸錠型僅需要投資3噸的電弧爐，與之配套的3000噸成型油壓機，鍛造工序需要投資小噸位的鍛造壓機，比如1600噸的鍛造壓機等，設備投資明顯減小，固定資產折舊也明顯降低；3、本發明可以實現每火次鐓拔次數2~4次，不僅沒有降低變形量，而且可以實現單火次大變形，達到了改善組織性能均勻性的目的，同時減少了鍛造火次，縮短了生產周期，流程短，耗能比較低，生產成本也相應降低；4、本發明在拔長鍛造時送進量大，為滿砧送進，增加了橫向變形，提高了鍛透性，並在有些拔長工序採用了沿對角線方向換向鍛造，既提高了大棒鍛造的均勻性和鍛透性，又提高了鍛造效率；5、本發明在成品鍛造時，採用平砧和V型砧進行摔圓鍛造，既減少了平砧鍛造時產生的難變形區，進一步改善了組織均勻性，又同時提高了成品鍛坯的鍛造效率和表面質量；6、採用本發明鍛造的棒材綜合性能高，棒材室溫拉伸強度為950~1025MPa，屈服強度為900~lOOOMPa，縱向延伸率不小於11%，縱向斷面收縮率不小於30%，橫向延伸率不小於9%，縱向斷面收縮率不小於22%，高低倍組織和探傷級別滿足技術要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]附圖1為實施例1得到的--4ΒΦ215，D/4(200X)棒材橫向顯微組織；
[0023]附圖2為實施例1得到的--4ΒΦ215，邊部(200 X )棒材橫向顯微組織；
[0024]附圖3為實施例2得到的TC4BΦ 240，D/4 (200 X)棒材橫向顯微組織；
[0025]附圖4為實施例2得到的TC4B Φ 240，邊部(200 X )棒材橫向顯微組織；
[0026]附圖5為實施例3得到的TC4BΦ 300，D/4 (500 X)棒材橫向顯微組織；
[0027]附圖6為實施例3得到的TC4B Φ 300，邊部(500 X )棒材橫向顯微組織。
【具體實施方式】
[0028]目前，《GJB1538A航空結構件用鈦合金棒材規範》中規定的TC4合金棒材的最大規格為Φ220mm。但國內採用更大規格的鑄錠(Φ700~Φ950mm的4噸~8噸錠型)、大的鍛造壓機(2500噸~3150噸快鍛機)和較多的鍛造火次(8~13火次)實現了 TC4鈦合金Φ220~Φ400πιπι大規格棒材的生產，規格從以前的Φ100~Φ220πιπι已經擴展到了Φ220 ~Φ 400mm。
[0029]從技術層面來說確實取得了很大的突破，但仍然也存在以下的缺點:
[0030]I)設備投資大。Φ700~Φ950πιπι的4噸~8噸錠型需要投資5噸~8噸的電弧爐，與之配套的大的電極成型油壓機，鍛造工序需要投資大噸位的鍛造壓機，比如2500噸~3150噸的鍛造壓機，大規格鑄錠的加熱爐等配套設備；
[0031]2)耗能比較高。鑄錠規格更大需要大型加熱爐加熱，而且保溫時間會更長，鍛造需要大噸位的鍛造壓機，而且火次多，自然耗能增加更多；
[0032]3)流程較長。增加了加熱火次，無形之中也增加了打磨和檢驗工序，生產周期較長;
[0033]4)生產成本高。由於設備投資大、耗能高和流程長，所以生產成本也比較高。
[0034]本發明提供一種採用小噸位鍛造壓機(1600~2000噸快鍛機)和中等工業型鑄錠(Φ600~700_左右的錠型)以及較少的鍛造火次(7~8火次)製備TC4鈦合金大棒(Φ200~Φ300mm)的加工方法，該方法不需要大噸位的鍛造設備，可以在較小噸位的鍛造壓機上實現工業化生產的TC4鈦合金大規格棒材，組織和性能均符合航空結構件用鈦合金棒材的規範要求，棒材室溫拉伸強度為950~1025MPa，屈服強度為900~lOOOMPa，縱向延伸率不小於11%，縱向斷面收縮率不小於30%，橫向延伸率不小於9%，縱向斷面收縮率不小於22%，探傷雜波反射信號較小，探傷級別高。
[0035] 本發明方法的基本思路是:在鍛造開坯前先準確下料，開坯鍛造時大加工率鐓拔，充分破碎鑄態晶粒，改善組織均勻性和變形能力，在中間鍛造每火次也是快速大變形，每次拔長時採用滿砧送進，增加橫向變形，在有些拔長工序中採用換向拔長減少變形死區，在每次鍛造後採用水冷，並在每火次後採用倒稜、歸圓操作，在成品鍛造時採用平砧和V型砧結合的方式，進一步改善組織和性能的均勻性，從而獲得了組織和性能均勻、超聲波探傷滿足要求的Φ200?Φ300_Χ2000?3000mm的TC4鈦合金大規格棒材。
[0036]TC4鈦合金的相變點溫度為980?1000°C，不同批次因化學成分波動而波動，一般常採用連續升溫金相法測定。
[0037]實施例1:
[0038]本實施例採用1600噸快鍛機，以直徑為600mm的TC4鈦合金鑄錠(鑄錠為圓柱體，長度1200mm)為原料加工Φ 215mmX 3000mm的TC4鈦合金棒材，加工方法具體如下:
[0039]步驟1:將直徑600mm的TC4鈦合金鑄錠先在820°C預熱lh，然後在1150°C加熱保溫4h，採用1600噸快鍛機進行開坯鍛造，鐓拔次數2次，每次鐓拔鍛比1.7，總鍛比2.8，終鍛溫度90(TC，鍛後剁切三等分，然後採用水冷；
[0040]步驟2:將步驟I鍛造的坯料在820°C預熱lh，然後在1050°C加熱保溫3h，採用1600噸快鍛機進行相變點以上開始鍛造，鐓拔次數2次，每次鐓拔鍛比1.7，總鍛比2.8，拔長時採用滿砧送進，終鍛溫度850°C，鍛後採用水冷；
[0041]步驟3:經過相變點以上鍛造的坯料在960°C加熱保溫3h，採用1600噸快鍛機在相變點以下兩相區進行2火次鍛造，每火次鐓拔次數3次，每次鐓拔鍛比1.7，每火次總鍛比
4.6，拔長時採用滿砧送進，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷；
[0042]步驟4:將步驟3經過鍛造的坯料在950°C加熱保溫2h，採用1600噸快鍛機在相變點以下兩相區進行2火次鍛造，每火次鐓拔次數2次，每次鐓拔鍛比1.7，每火次總鍛比
2.8，拔長時沿對角線方向壓下拔長，採用滿砧送進，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷；
[0043]步驟5:將經過步驟4鍛造的坯料在940°C加熱保溫2h，在1600噸快鍛機上同時採用平砧和V型砧進行摔圓鍛造，變形量控制在25%，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷，獲得Φ 215mm X 3000mm的TC4鈦合金大規格棒材。
[0044]實施例2:
[0045]本實施例採用1600噸快鍛機，以直徑為600mmX 780mm的TC4鈦合金鑄錠為原料加工Φ 240mmX 2200mm的TC4鈦合金棒材，加工方法具體如下:
[0046]步驟1:將直徑約為600mm的TC4鈦合金鑄錠先在820°C預熱2h，然後在1170°C加熱保溫6h，採用1600噸快鍛機進行開坯鍛造，鐓拔次數3次，每次鐓拔鍛比約1.7，總鍛比約4.6，終鍛溫度900°C，鍛後採用水冷；
[0047]步驟2:將步驟I鍛造的坯料在820°C預熱2h，然後在1050°C加熱保溫4h，採用1600噸快鍛機進行鍛造，鐓拔次數3次，前兩次次鐓拔鍛比約1.7，第三次拔長鍛比約2.8，總鍛比約5.6，拔長時採用滿砧送進，終鍛溫度850°C，鍛後採用水冷，並採用帶鋸中分鋸切；
[0048]步驟3:經過相變點以上鍛造的坯料在960°C加熱保溫4h，採用1600噸快鍛機進行2火次鍛造，每火次鐓拔次數4次，每次鐓拔鍛比約1.7，每火次總鍛比約7.8，拔長時採用滿砧送進，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷；
[0049]步驟4:將步驟3經過鍛造的坯料在950°C加熱保溫3h，進行2火次鍛造，每火次鐓拔次數2次，每次鐓拔鍛約1.7，每火次總鍛比約2.8，拔長時沿對角線方向壓下拔長，採用滿砧送進，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷；
[0050]步驟5:將經過步驟4鍛造的坯料在940°C加熱保溫3h，在1600噸快鍛機上採用平砧和V型砧進行摔圓鍛造，變形量控制在32%，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷，最終獲得Φ 240mm X 2200mm的TC4鈦合金大規格棒材。
[0051]實施例3:
[0052]本實施例採用直徑為600mm的TC4鈦合金鑄錠為原料加工Φ300mmX2000mm的TC4鈦合金棒材，加工方法具體如下:
[0053]步驟1:將直徑約為600mmX IlOOmm的TC4鈦合金鑄錠先在820°C預熱lh，然後在1170°C加熱保溫5h，採用1600噸快鍛機進行開坯鍛造，鐓拔次數3次，每次鐓拔鍛比約1.7，總鍛比約4.6，終鍛溫度900°C，鍛後採用水冷；
[0054]步驟2:將步驟I鍛造的坯料在820°C預熱lh，然後在1100°C加熱保溫4h，採用1600噸快鍛機進行相變點以上中間鍛造，鐓拔次數4次，每次鐓拔鍛比不約1.7，總鍛比約
7.8，拔長時採用滿砧送進，終鍛溫度850°C，鍛後採用水冷，並採用帶鋸中分鋸切；
[0055]步驟3:經過相變點以上鍛造的坯料在960°C加熱保溫3h，採用1600噸快鍛機進行2火次鍛造，每火次鐓拔次數4次，每次鐓拔鍛比約1.7，每火次總鍛比約7.8，拔長時採用滿砧送進，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷；
[0056]步驟4:將步驟3經過鍛造的坯料在950°C加熱保溫4h，在兩相區進行3火次鍛造，每火次鐓拔次數3次，每次鐓拔鍛比約1.7，每火次總鍛比約4.6，拔長時沿對角線方向壓下拔長，採用滿砧送進，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷；
[0057]步驟5:將經過步驟4鍛造的坯料在940°C加熱保溫2h，在1600噸快鍛機上採用平砧和V型砧進行摔圓鍛造，變形量控制在30%，終鍛溫度800°C，鍛後採用水冷，最終獲得Φ 300mm X 2000mm的TC4鈦合金大規格棒材。
[0058]本發明對實施例1至實施例3加工的TC4鈦合金棒材進行普通退火熱處理及加工，對棒材進行性能檢測，結果如下:
[0059]I)棒材室溫力學性能:
[0060]
【權利要求】
1.一種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟I，開坯鍛造: 將直徑600~700mm的TC4鈦合金鑄錠先在800~850°C預熱I~2h，然後在β轉變溫度以上150~200°C加熱保溫，等到保溫時間4~6h到後採用快鍛機進行開坯鍛造，控制鐓拔次數2~3次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，總鍛比不小於2，終鍛溫度≤9000C，鍛後採用水冷； 步驟2，相變點以上中間鍛造: 將上一步驟得到的坯料先在在800~850°C預熱I~2h，然後在β轉變溫度以上50~100°C加熱保溫，等到保溫時間3~4h到後採用快鍛機進行相變點以上中間鍛造，控制鐓拔次數2~4次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，總鍛比不小於3，拔長時採用滿砧送進從而增加橫向變形量並改善鍛透性，終鍛溫度> 850°C，鍛後採用水冷； 步驟3，相變點以下中間鍛造: 將上一步驟得到的坯料在β轉變溫度以下30~40°C加熱保溫3~4h，仍然採用快鍛機進行2火次鍛造，控制鐓拔次數3~4次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，每火次總鍛比不小於4，拔長時採用滿砧送進從而增加橫向變形量改善鍛透性，終鍛溫度> 800°C，鍛後採用水冷； 步驟4: 將上一步驟得到的坯料在 β轉變溫度以下50~60°C加熱保溫2~4h，仍然採用快鍛機進行2~3火次鍛造，控制鐓拔次數2~4次，每次鐓拔鍛比不小於1.5，每火次總鍛比不小於2.5，並且控制拔長時沿斷面對角線方向壓下拔長，採用滿砧送進，終鍛溫度≤800°C,鍛後採用水冷； 步驟5，成品鍛造: 將上一步驟得到的坯料在β轉變溫度以下50~60°C加熱保溫2~3h，在快鍛機上同時採用平砧和V型砧進行摔圓鍛造從而減少平砧鍛造時產生的難變形區以進一步改善組織均勻性，控制變形量25~35%，終鍛溫度> 800°C，鍛後採用水冷，最終獲得Φ200~Φ 300mm、長度2000~3000mm的TC4鈦合金大規格棒材。
2.如權利要求1所述的一種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法,其特徵在於:其中步驟3中採用快鍛機在相變點以下兩相區進行2火次鍛造，步驟4中採用快鍛機在相變點以下兩相區進行2~3火次鍛造。
3.如權利要求1或2所述的一種TC4鈦合金大規格棒材的鍛造加工方法,其特徵在於:其中快鍛機採用1600~2000噸的快鍛機。
【文檔編號】B21J5/00GK104070125SQ201410087498
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】薛長榮, 朱寶輝, 胡曉晨, 劉彥昌, 馬超, 沈立華, 王益, 王莉, 趙玉林 申請人:寧夏東方鉭業股份有限公司