CN103060733A - 一种tc2钛合金大规格棒材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，包括以下步骤：一、切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；二、进行开坯锻造，得到初级锻坯；三、将初级锻坯进行中间锻造，得到半成品锻坯；四、将半成品锻坯进行成形锻造，得到截面直径为200mm～300mm，长度为2000mm～3000mm的TC2钛合金大规格棒材。本发明采用中小型锻造液压机制备TC2钛合金大规格棒材，并通过对锻造温度、锻造比等工艺参数的选取和优化，制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良，批次稳定性好，产品质量能与大型锻压机锻造的棒材产品的质量相媲美，可广泛应用于各领域。

Description

一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金材料制备技术领域，具体涉及一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法。

背景技术

TC2钛合金是低合金化的Ti-Al-Mn系近α型钛合金，该合金的名义成分为Ti-4Al-1.5Mn，具有比强度高、热稳定性好等主要优点，在航空、航天领域日益得到广泛应用。

为获得品质优良的TC2钛合金大规格棒材，目前多数生产厂采用价格昂贵的额定压力在3000吨以上的大型锻压设备生产，不仅设备投入大，而且生产成本高；如果采用常规制备工艺，在额定压力2100吨以下的中小型锻造液压设备上锻制TC2钛合金等大规格棒材,因锻压力不足，锻透性差，制备的TC2钛合金大规格棒材常出现显微组织不均匀、探伤杂波不达标、机械性能差等严重的质量问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种显著降低锻造设备成本的TC2钛合金大规格棒材的制备方法。该方法采用额定压力为1700吨~2100吨的中小型锻造液压机制备TC2钛合金大规格棒材，通过设定适宜的锻造温度以及匹配的工艺参数，制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良，批次稳定性好，产品质量可与采用大型锻造液压机锻制的TC2钛合金大规格棒材相媲美，能够显著降低锻造设备成本，广泛应用于航空、航天等领域。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭的截面为直径为Φ600mm~Φ700mm的圆形；

步骤二、采用额定压力为1700吨~2100吨的锻造液压机对步骤一中去除表面缺陷后的TC2钛合金铸锭进行开坯锻造，冷却后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3~5火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均在β相变点以上50℃~100℃；所述开坯锻造的总锻造比为15.6~97.7；

步骤三、采用额定压力为1700吨~2100吨的锻造液压机对步骤二中所述初级锻坯进行中间锻造，冷却后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3~5火次完成，每火次中间锻造的始锻温度均在β相变点以下10℃~30℃；所述中间锻造的总锻造比为15.6~97.7；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1700吨~2100吨的锻造液压机对锯切下料后的半成品锻坯进行成形锻造，冷却后得到截面直径为Φ200mm~Φ300mm，长度为2000mm~3000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造共分2~4火次完成，每火次成形锻造的始锻温度均在β相变点以下30℃~80℃，其中最后一火次成形锻造采用倒棱滚圆的锻造方式，其余火次成形锻造均采用轴向拔长的锻造方式；所述成形锻造的总锻造比为2.20~4.87。

上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4.0%~5.0%，锰的质量百分含量为1.0%~2.0%，氧的质量百分含量为0.08%~0.12%，余量为钛和不可避免的杂质。

上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC2钛合金铸锭由TC2钛合金自耗电极经两次自耗电弧熔炼得到，其中第一次自耗电弧熔炼在真空条件下进行，第二次自耗电弧熔炼在惰性气体保护下进行。

上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中每火次开坯锻造的锻造比均为2.5，每火次开坯锻造的终锻温度均不低于850℃，且开坯锻造后冷却的方式为空冷。

上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中每火次中间锻造的锻造比均为2.5，每火次中间锻造的终锻温度均不低于850℃，且中间锻造后冷却的方式为水冷。

上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中每火次成形锻造的锻造比均为1.48~1.50，每火次成形锻造的终锻温度均不低于800℃，且成形锻造后冷却的方式为空冷。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将开坯锻造阶段和中间锻造阶段的锻造温度总体控制在TC2钛合金的β相变点以下30℃至相变点以上100℃的温度区间内，通过控制开坯锻造的总锻造比与成形锻造总锻造比的比值大于3，以及中间锻造的总锻造比与成形锻造总锻造比的比值大于3，并充分利用TC2钛合金在β相变点附近温度区间内金属流变应力低、锻透性好的特性，从而有效地降低了锻制TC2钛合金大规格棒材对锻造设备额定压力的要求，锻压力可减少三分之一以上；本发明能显著减少设备投入，大幅度地降低工业化生产TC2钛合金大规格棒材的生产成本。

2、本发明采用经两次自耗电弧熔炼的TC2钛合金铸锭进行大规格棒材的制备，其中第一次熔炼为真空自耗熔炼，第二次采取惰性气体保护下自耗熔炼进行重熔，既能有效地避免饱和蒸气压较高的Mn元素在熔炼过程中的挥发,又能防止一些杂质元素在铸锭中形成气孔等缺陷，能够确保充氩熔炼过程电弧稳定。

3、本发明经研究发现，TC2钛合金大规格棒材的锻造工艺与TC2钛合金铸锭化学成分的设定具有紧密相关性；对于如直径为Φ200mm，长度为2000mm的较小规格TC2钛合金棒材，当TC2钛合金铸锭的化学成分中铝的质量百分含量选取中下限成分范围4.0%~4.5%，锰的质量百分含量选取中下限成分范围1.0%~1.5%，氧的质量百分含量选取中下限成分范围0.08%~0.10%时，则开坯锻造和中间锻造的总锻造比均优选为15.6~39.1，成形锻造的锻造比优选为2.21~3.28，能够得到高质量的TC2钛合金大规格棒；而对于如直径为Φ300mm，长度为3000mm的较大规格的TC2钛合金棒材，当TC2钛合金铸锭的化学成分中铝的质量百分含量选取中上限成分范围4.5%~5.0%，锰的质量百分含量选取中上限成分范围1.5%~2.0%，氧的质量百分含量选取中上限成分范围0.10%~0.12%时，则开坯锻造和中间锻造的总锻造比均优选为39.1~97.7，成形锻造的总锻造比优选为3.28~4.90，能够得到高质量的TC2钛合金大规格棒材。

4、本发明方法工艺简单，采用本发明制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良，批次稳定性好，产品质量可与采用大型锻压机锻造的TC2等钛合金大规格棒材的产品质量相媲美，可广泛应用于航空、航天等领域，产品的成材率也较普通制备方法可提高10％以上。

5、采用本发明制备的TC2钛合金大规格棒材在室温（20℃）条件下的拉伸强度高达830MPa~840MPa，屈服强度高达760MPa~800MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥38%；U型缺口的冲击韧性（a_KU）≥40J/cm²；在高温（350℃）条件下的拉伸强度高达550MPa~560MPa；超声波探伤符合国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求。

6、本发明方法还适用于其它牌号的近α型钛合金、a+β两相钛合金大规格棒材的工业化生产,具有广泛的应用价值。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例TC2钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TC2钛合金自耗电极先在真空条件下自耗熔炼一次，再在惰性气体保护下自耗熔炼一次，得到截面直径为Φ600mm的TC2钛合金铸锭，然后切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4.0%，锰的质量百分含量为1.0%，氧的质量百分含量为0.08%，余量为钛和不可避免的杂质；

步骤二、采用额定压力为1700吨的锻造液压机将步骤一中去除表面缺陷的TC2钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为15.6；其中第一火次和第二火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上60℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为880℃；第三火次开坯锻造在始锻温度为β相变点以上50℃的条件下进行，锻造比为2.5，终锻温度为870℃；

步骤三、采用额定压力为1700吨的锻造液压机将步骤二中所述初级锻坯进行3火次的中间锻造，水冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为15.6；其中第一火次和第二火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下20℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为860℃，第三火次的中间锻造在始锻温度为β相变点以下30℃的条件下锻造，锻造比为2.5，终锻温度为850℃；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1700吨的锻造液压机将锯切下料后的半成品锻坯进行2火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为Φ200mm，长度为2000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造的总锻造比为2.205，第一火次成形锻造在始锻温度β相变点以下30℃的条件下进行轴向拔长，锻造比为1.48，终锻温度为850℃；第二火次成形锻造在始锻温度β相变点以下50℃的条件下进行倒棱滚圆，锻造比为1.49，终锻温度为830℃。

采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材在室温（20℃）条件下的拉伸强度高达830MPa~840MPa，屈服强度高达760MPa~800MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥38%，U型缺口的冲击韧性（a_KU）≥40J/cm²；在高温（350℃）条件下的拉伸强度高达550MPa~560MPa；超声波探伤符合国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求；由此说明采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良。

实施例2

本实施例TC2钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TC2钛合金自耗电极先在真空条件下熔炼一次，再在惰性气体保护下自耗熔炼一次，得到截面直径为Φ650mm的TC2钛合金铸锭，然后切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4.5%，锰的质量百分含量为1.5%，氧的质量百分含量为0.10%，余量为钛和不可避免的杂质；

步骤二、采用额定压力为1900吨的锻造液压机将步骤一中去除表面缺陷的TC2钛合金铸锭进行4火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为39.1；其中第一火次和第二火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上80℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为890℃；第三火次和第四火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为880℃；

步骤三、采用额定压力为1900吨的锻造液压机将步骤二中所述初级锻坯进行4火次的中间锻造，水冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为39.1；其中第一火次和第二火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下15℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为870℃，第三火次和第四火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下20℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为850℃；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1900吨的锻造液压机将锯切下料后的半成品锻坯进行3火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为Φ250mm，长度为2700mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造的总锻造比为3.28，其中第一火次和第二火次的成形锻造均在始锻温度为β相变点以下40℃的条件下进行轴向拔长，锻造比均为1.48，终锻温度均为840℃，第三火次的成形锻造在始锻温度为β相变点以下60℃的条件下进行倒棱滚圆，锻造比为1.50，终锻温度为820℃。

采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材在室温（20℃）条件下的拉伸强度高达830MPa~840MPa，屈服强度高达760MPa~800MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥38%，U型缺口的冲击韧性（a_KU）≥40J/cm²；在高温（350℃）条件下的拉伸强度高达550MPa~560MPa；超声波探伤符合国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求；由此说明采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良。

实施例3

本实施例TC2钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将TC2钛合金自耗电极先在真空条件下熔炼一次，再在惰性气体保护下自耗熔炼一次，得到截面直径为Φ700mm的TC2钛合金铸锭，然后切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为5.0%，锰的质量百分含量为2.0%，氧的质量百分含量为0.12%，余量为钛和不可避免的杂质；

步骤二、采用额定压力为2100吨的锻造液压机将步骤一中去除表面缺陷的TC2钛合金铸锭进行5火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为97.7；其中第一火次和第二火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上100℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为900℃，第三火次和第四火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上90℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为880℃，第五火次开坯锻造在始锻温度为β相变点以上70℃的条件下进行，锻造比为2.5，终锻温度为850℃；

步骤三、采用额定压力为2100吨的锻造液压机将步骤二中所述初级锻坯进行5火次的中间锻造，水冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为97.7；其中第一火次和第二火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下10℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为870℃，第三火次和第四火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下20℃的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为860℃；第五火次中间锻造在始锻温度为β相变点以下30℃的条件下进行，锻造比为2.5，终锻温度为850℃；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为2100吨的锻造液压机将锯切下料后的半成品锻坯进行4火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为Φ300mm，长度为3000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造的总锻造比为4.87；其中第一火次、第二火次和第三火次的成形锻造均在始锻温度为β相变点以下50℃的条件下进行轴向拔长，锻造比均为1.48，终锻温度均为830℃，第四火次的成形锻造在始锻温度为β相变点以下80℃的条件下进行倒棱滚圆，锻造比为1.50，终锻温度为800℃。

采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材在室温（20℃）条件下的拉伸强度高达830MPa~840MPa，屈服强度高达760MPa~800MPa，延伸率≥16%，断面收缩率≥38%，U型缺口的冲击韧性（a_KU）≥40J/cm²；在高温（350℃）条件下的拉伸强度高达550MPa~560MPa；超声波探伤符合国家标准GB5193-85“钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求；由此说明采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭的截面为直径为Φ600mm~Φ700mm的圆形；

步骤二、采用额定压力为1700吨~2100吨的锻造液压机对步骤一中去除表面缺陷后的TC2钛合金铸锭进行开坯锻造，冷却后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3~5火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均在β相变点以上50℃~100℃；所述开坯锻造的总锻造比为15.6~97.7；

步骤三、采用额定压力为1700吨~2100吨的锻造液压机对步骤二中所述初级锻坯进行中间锻造，冷却后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3~5火次完成，每火次中间锻造的始锻温度均在β相变点以下10℃~30℃；所述中间锻造的总锻造比为15.6~97.7；

步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1700吨~2100吨的锻造液压机对锯切下料后的半成品锻坯进行成形锻造，冷却后得到截面直径为Φ200mm~Φ300mm，长度为2000mm~3000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造共分2~4火次完成，每火次成形锻造的始锻温度均在β相变点以下30℃~80℃，其中最后一火次成形锻造采用倒棱滚圆的锻造方式，其余火次成形锻造均采用轴向拔长的锻造方式；所述成形锻造的总锻造比为2.20~4.87。

2.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4.0%~5.0%，锰的质量百分含量为1.0%~2.0%，氧的质量百分含量为0.08%~0.12%，余量为钛和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC2钛合金铸锭由TC2钛合金自耗电极经两次自耗电弧熔炼得到，其中第一次自耗电弧熔炼在真空条件下进行，第二次自耗电弧熔炼在惰性气体保护下进行。

4.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中每火次开坯锻造的锻造比均为2.5，每火次开坯锻造的终锻温度均不低于850℃，且开坯锻造后冷却的方式为空冷。

5.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中每火次中间锻造的锻造比均为2.5，每火次中间锻造的终锻温度均不低于850℃，且中间锻造后冷却的方式为水冷。

6.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中每火次成形锻造的锻造比均为1.48~1.50，每火次成形锻造的终锻温度均不低于800℃，且成形锻造后冷却的方式为空冷。