CN104762576B - Tc18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，包括以下步骤：一、将TC18钛合金铸锭进行开坯锻造，得到初级锻坯；二、分切下料后进行镦拔锻造，得到中间锻坯；三、精锻，得到精锻棒材；四、进行β区高温固溶处理；五、进行低温时效预处理；六、进行α+β区形变热处理并进行时效热处理，得到截面直径为50mm～90mm，长度为2500mm～3800mm的TC18钛合金中等规格超长棒材。本发明制备的TC18钛合金棒材为全网篮组织，其组织均匀，晶粒细小，强度可在1080MPa～1230MPa之间进行调整，棒材的强韧性匹配良好，满足航空、航天工业对高质量TC18钛合金超长棒材的发展要求。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法。
背景技术
TC18钛合金是前苏联航空材料研究院于1974年研制成功的一种高强钛合金，牌号为BT22，名义成分为Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe。该合金属于过渡型α+β合金，兼有α+β钛合金和β钛合金的性能特征，具有淬透性极佳、锻透性好和可焊接等综合优势，其截面淬透深度高达250mm，退火状态下抗拉强度大于1080MPa，强化热处理状态下其强度可高达1230MPa，主要用于各种类型飞型器起落架部件、高承力装置及构件、发动机固定支撑结构，还可以制成棒材、厚板和型材。
国内虽然已经对TC18钛合金进行了仿制性研究，制备了不同类型及规格的棒材和锻件，已能满足我国某些型号飞行器主承力结构件的需要。随着我国航空、航天工业的不断发展，对大尺寸TC18钛合金材的需求日益迫切。具有全网篮组织的TC18钛合金中等规格超长棒材是我国大型飞机项目重要的结构材料，由于TC18钛合金变形抗力较大，中等规格的TC18合金棒材无法通过β轧制制备，而β精锻无法保证超长棒材的轴向组织均匀性，虽然可以通过常规精锻+β热处解决组织均匀性问题，但β热处理易于引起晶粒粗化，产生连续晶界，组织不易控制。为了解决具有全网篮组织的高质量TC18钛合金中等规格超长棒材的制备难题，满足航天、航空工业特别是大型飞机项目的发展要求，亟需研制出一种新的TC18钛合金中等规格超长棒材的制备方法。
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TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法。利用该方法制备的棒材为截面直径为50mm～90mm(属中等规格)，长度为2700mm～3800mm(属超长型)的圆柱形棒材。该棒材为全网篮组织，其组织均匀、晶粒细小、强韧性匹配良好，强度可在1080MPa～1230MPa之间进行调整；此外，该方法可执行性好，产品合格率高，适于大规模工业化生产，满足航天、航空工业的发展要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将TC18钛合金铸锭在始锻温度为900℃～1150℃的条件下进行2～3火次的开坯锻造，每火次开坯锻造的锻造比均为5.6～8.4，得到初级锻坯；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯分切下料，然后将分切下料后的初级锻坯在始锻温度为(Tβ-50)℃～(Tβ-15)℃的条件下进行2～3火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6～7.5，得到中间锻坯；所述Tβ为TC18钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为(Tβ-50)℃～(Tβ-20)℃的条件下进行一火次精锻，得到精锻棒材；
步骤四、对步骤三中所述精锻棒材进行β区高温固溶处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为(Tβ+5)℃～(Tβ+50)℃的条件下保温0.5h～2h后空冷；
步骤五、对步骤四中β区高温固溶处理后的精锻棒材进行低温时效预处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为300℃～450℃的条件下保温6h～24h后空冷；
步骤六、将步骤五中低温时效预处理后的精锻棒材进行α+β区形变热处理，然后在温度为520℃～650℃的条件下保温2h～6h进行时效热处理，得到TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材，所述中等规格超长棒材为截面直径为50mm～90mm，长度为2700mm～3800mm的圆柱形棒材；所述α+β区形变热处理的具体过程为：将精锻棒材置于加热炉中，先在温度为(Tβ-40)℃～(Tβ-10)℃的条件下保温1h～3h，然后随炉冷却至720℃～760℃保温1h～3h，出炉后以1％～5％的小变形量进行拔长变形。
上述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC18钛合金铸锭为截面直径为360mm～720mm的圆柱形铸锭。
上述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造的始锻温度以及步骤二中每火次镦拔锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
上述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造后均对TC18钛合金铸锭进行表面修磨处理，步骤二中每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理。
上述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述精锻的锻造比为2.4～4.7。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、采用本发明制备的TC18钛合金棒材为直径为50mm～90mm，长度为2700mm～3800mm的中等规格超长棒材，其强塑性匹配好，断裂韧性高；其抗拉强度可在1080～1230MPa之间调整；棒材延伸率最高可以达到21％；断裂韧性达到80MPa·m1/2以上，最高可以达到93.4MPa·m1/2。
2、采用本发明制备的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材，其组织均匀性好。本发明解决了β精锻工艺制备中等规格超长棒材轴向组织不均匀，常规精锻+β热处理工艺制备棒材易于出现连续三叉晶界及晶粒长大的技术缺陷，通过低温预时效结合形变热处理等工艺技术，制备出组织均匀、无三叉连续晶界的全网篮组织超长棒材，棒材直径为50mm～90mm，长度为2700mm～3800mm。
3、本发明可执行性好，合格率高，产品质量优良，适于大规模工业化生产。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的TC18钛合金中等规格超长棒材的低倍组织图。
图2a为本发明实施例1制备的TC18钛合金中等规格超长棒材头部的高倍组织图。
图2b为本发明实施例1制备的TC18钛合金中等规格超长棒材尾部的高倍组织图。
图3为本发明实施例2制备的TC18钛合金中等规格超长棒材的低倍组织图。
图4a为本发明实施例2制备的TC18钛合金中等规格超长棒材头部的高倍组织图。
图4b为本发明实施例2制备的TC18钛合金中等规格超长棒材尾部的高倍组织图。
图5为本发明实施例3制备的TC18钛合金中等规格超长棒材的低倍组织图。
图6a为本发明实施例3制备的TC18钛合金中等规格超长棒材头部的高倍组织图。
图6b为本发明实施例3制备的TC18钛合金中等规格超长棒材尾部的高倍组织图。
具体实施方式
本发明先将TC18钛合金铸锭在β相变点之上开坯锻造，再在β相变点之下15℃～50℃镦拔变形，然后在β相变点之下20℃～50℃精锻，之后在β相变点之上进行高温固溶处理，再进行低温时效预处理，之后进行α+β区形变热处理，最后进行时效热处理，最终得到具有全网篮组织的TC18钛合金中等规格超长棒材；本发明所涉及的开坯锻造、镦拔锻造和精锻均为本技术领域的常规锻造方式。
实施例1
本实施例TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Ф420mm×600mm的圆柱形TC18钛合金铸锭进行两火次开坯锻造，其中第一火次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为8.4，锻后水冷，第二火次开坯锻造的始锻温度为980℃，锻造比为8.4，锻后空冷，并且每火次开坯锻造后均进行表面修磨处理，得到初级锻坯；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯分切下料，然后将分切下料后的初级锻坯进行三火次的镦拔锻造，其中第一火次镦拔锻造的始锻温度为(Tβ-15)℃，锻造比为6，锻后水冷，第二火次镦拔锻造的始锻温度为(Tβ-30)℃，锻造比为5.6，锻后水冷，第三火次镦拔锻造的始锻温度为(Tβ-50)℃，锻造比为5.8，锻后水冷，并且每火次镦拔锻造后均进行表面修磨处理，得到规格为Ф150mm×1650mm的中间锻坯；所述Tβ为TC18钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为(Tβ-20)℃的条件下进行一火次精锻，锻造比为2.4，锻后空冷，得到规格为Ф96mm的精锻棒材；
步骤四、对步骤三中所述精锻棒材进行β区高温固溶处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为(Tβ+5)℃的条件下保温2h后空冷；
步骤五、对步骤四中β高温固溶处理后的精锻棒材进行低温时效预处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为300℃的条件下保温24h后空冷；
步骤六、将步骤五中低温时效预处理后的精锻棒材置于加热炉中，在温度为(Tβ-20)℃的条件下保温1h，然后随炉冷却至740℃保温1h，出炉后进行3％的小变形量拔长变形，然后空冷，对变形后的精锻棒材在温度为600℃的条件下保温6h后空冷，机械加工去氧化皮后，最终得到具有全网篮组织的TC18钛合金中等规格超长棒材；该棒材为截面直径为90mm，长度为3800mm的圆柱形棒材。
本实施例制备的TC18钛合金中等规格超长棒材的低倍组织图见图1，高倍组织图见图2a和2b，力学性能数据见表1。由图1、图2a和2b以及表1可知，本实施例制备的TC18钛合金中等规格超长棒材具有全网篮组织，且组织均匀，综合力学性能满足技术指针要求，所制棒材的塑性、冲击韧性、断裂韧性等远高于技术指标要求。
实施例2
本实施例TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Ф420mm×580mm的圆柱形TC18钛合金铸锭进行三火次开坯锻造，其中第一火次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，锻后水冷，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为8.4，锻后水冷，第三火次开坯锻造的始锻温度为960℃，锻造比为7.2，锻后空冷，并且每火次开坯锻造后均进行表面修磨处理，得到初级锻坯；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯分切下料，然后将分切下料后的初级锻坯进行两火次的镦拔锻造，其中第一火次镦拔锻造的始锻温度为(Tβ-30)℃，锻造比为7.2，锻后水冷，第二火次镦拔锻造的始锻温度为(Tβ-40)℃，锻造比为5.6，锻后水冷，并且每火次镦拔锻造后均进行表面修磨处理，得到规格为Ф120mm×1200mm的中间锻坯；所述Tβ为TC18钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为(Tβ-50)℃的条件下进行一火次精锻，锻造比为3.1，锻后空冷，得到规格为Ф68mm的精锻棒材；
步骤四、对步骤三中所述精锻棒材进行β区高温固溶处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为(Tβ+20)℃的条件下保温1h后空冷；
步骤五、对步骤四中β高温固溶处理后的精锻棒材进行低温时效预处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为350℃的条件下保温10h后空冷；
步骤六、将步骤五中低温时效预处理后的精锻棒材置于加热炉中，在温度为(Tβ-10)℃的条件下保温3h，然后随炉降温至720℃保温3h，出炉后进行1％的小变形量拔长变形，然后空冷，对变形后的精锻棒材在温度为620℃的条件下保温2h后空冷，机械加工去氧化皮后，最终得到具有全网篮组织的TC18钛合金中等规格超长棒材，该棒材为截面直径为65mm，长度为3400mm的圆柱形棒材。
本实施例制备的TC18钛合金中等规格超长棒材的低倍组织图见图3，高倍组织图见图4a和4b，力学性能数据见表1。由图3、图4a和4b以及表1可知，本实施例制备的TC18钛合金中等规格超长棒材具有全网篮组织，且组织均匀，综合力学性能满足技术指针要求，所制棒材的塑性、冲击韧性、断裂韧性等远高于技术指标要求。
实施例3
本实施例TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Ф720mm×900mm的圆柱形TC18钛合金铸锭进行三火次开坯锻造，其中第一火次开坯锻造的始锻温度为1150℃，锻造比为8.4，锻后水冷，第二火次开坯锻造的始锻温度为1050℃，锻造比为7.5，锻后水冷，第三火次开坯锻造的始锻温度为940℃，锻造比为7.0，锻后空冷，并且每火次开坯锻造后均进行表面修磨处理，得到初级锻坯；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯分切下料，然后将分切下料后的初级锻坯进行两火次的镦拔锻造，其中第一火次镦拔锻造的始锻温度为(Tβ-30)℃，锻造比为7.2，锻后水冷，第二火次镦拔锻造的始锻温度为(Tβ-50)℃，锻造比为7.5，锻后水冷，并且每火次镦拔锻造后均进行表面修磨处理，得到规格为Ф120mm×700mm的中间锻坯；所述Tβ为TC18钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为(Tβ-20)℃的条件下进行一火次精锻，锻造比为4.7，锻后空冷，得到规格为Ф55mm的精锻棒材；
步骤四、对步骤三中所述精锻棒材进行β区高温固溶处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为(Tβ+50)℃的条件下保温0.5h后空冷；
步骤五、对步骤四中β高温固溶处理后的中间锻坯进行低温时效预处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为450℃的条件下保温6h后空冷；
步骤六、将步骤五中低温时效预处理后的精锻棒材置于加热炉中，在温度为(Tβ-40)℃的条件下保温1h，然后降温至760℃保温1h，出炉后进行5％的小变形量拔长变形，然后空冷，对变形后的精锻棒材在温度为560℃的条件下保温4h后空冷，机械加工去氧化皮后，最终得到具有全网篮组织的TC18钛合金中等规格超长棒材，该棒材为截面直径为50mm，长度为2700mm的圆柱形棒材。
本实施例制备的TC18钛合金中等规格超长棒材的低倍组织图见图5，高倍组织图见图6a和6b，力学性能数据见表1。由图5、图6a和6b以及表1可知，本实施例制备的TC18钛合金中等规格超长棒材具有有全网篮组织，且组织均匀，综合力学性能满足技术指针要求，所制棒材的塑性、冲击韧性、断裂韧性等远高于技术指标要求。
表1 本发明实施例1至3制备的TC18钛合金棒材的力学性能数据
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 (5)
1.一种TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将TC18钛合金铸锭在始锻温度为900℃～1150℃的条件下进行2～3火次的开坯锻造，每火次开坯锻造的锻造比均为5.6～8.4，得到初级锻坯；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯分切下料，然后将分切下料后的初级锻坯在始锻温度为(Tβ-50)℃～(Tβ-15)℃的条件下进行2～3火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6～7.5，得到中间锻坯；所述Tβ为TC18钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为(Tβ-50)℃～(Tβ-20)℃的条件下进行一火次精锻，得到精锻棒材；
步骤四、对步骤三中所述精锻棒材进行β区高温固溶处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为(Tβ+5)℃～(Tβ+50)℃的条件下保温0.5h～2h后空冷；
步骤五、对步骤四中β区高温固溶处理后的精锻棒材进行低温时效预处理，具体过程为：将精锻棒材在温度为300℃～450℃的条件下保温6h～24h后空冷；
步骤六、将步骤五中低温时效预处理后的精锻棒材进行α+β区形变热处理，然后在温度为520℃～650℃的条件下保温2h～6h进行时效热处理，得到TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材，所述中等规格超长棒材为截面直径为50mm～90mm，长度为2700mm～3800mm的圆柱形棒材；所述α+β区形变热处理的具体过程为：将精锻棒材置于加热炉中，先在温度为(Tβ-40)℃～(Tβ-10)℃的条件下保温1h～3h，然后随炉冷却至720℃～760℃保温1h～3h，出炉后以1％～5％的小变形量进行拔长变形。
2.根据权利要求1所述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC18钛合金铸锭为截面直径为360mm～720mm的圆柱形铸锭。
3.根据权利要求1所述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造的始锻温度以及步骤二中每火次镦拔锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
4.根据权利要求1所述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造后均对TC18钛合金铸锭进行表面修磨处理，步骤二中每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理。
5.根据权利要求1所述的TC18钛合金全网篮组织中等规格超长棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述精锻的锻造比为2.4～4.7。
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