CN105215240B - 一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法 - Google Patents

一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锻造技术领域，涉及一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法。本发明包含以下步骤：步骤一，根据锻件形状和尺寸要求，采用局部镦粗或机械加工的方法制备初始坯料；步骤二，将制备完成的初始坯料在自由锻压机上进行纵向拔长，使坯料的总长度达到最终锻件长度的85％～95％；步骤三，通过自由锻压机下压反复移动的开料板，实现坯料的横向拔长，将坯料宽度尺寸展宽到最终锻件宽度尺寸的70％～80％；步骤四，将坯料置于模锻压机上进行胎模锻，使坯料继续展宽展长，坯料外廓达到锻件外廓尺寸；步骤五，切割去除坯料对应锻件内孔处连皮，得到最终符合要求的坯料。本发明通过上述方法实现了超大型整体框锻件的坯料生产，具有工艺简单、经济性佳等特点。

Description

一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法
技术领域
本发明属于锻造技术领域，具体涉及一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法。
背景技术
大型钛合金锻件一般是指锻件重量超过50Kg，外廓尺寸在500mm以上的锻件。随着航空器尺寸的增大和结构设计的整体化，出现了重量超过500Kg，外廓尺寸在2000mm以上的超大型锻件。
整体承力框锻件一般具有一个或多个内孔，在现有技术中，对于锻件形状近似为单孔状的整体承力框，可采用镦饼-冲孔-环轧-自由锻整形的方法进行制坯，但此种制坯方式流程复杂、经济性差、适应性低，同时其制坯方法也根本不适用于多孔、重量超过500Kg、外廓尺寸在2000mm以上的整体框锻件。超大型多孔钛合金承力框一般采用“分段锻造+分段机加+焊接组合”的方法来制造，采用这种焊接组合方法，面临重量、寿命和安全性等诸多技术难题。由于没有可行的制坯方法，整体化的超大型多孔钛合金承力框锻件一直无法进行制造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、经济性佳、批量一致性好的制坯方法，以解决超大型钛合金整体框锻件的坯料生产。
本发明的技术解决方案是：
步骤一，根据锻件形状和尺寸要求，采用局部镦粗或机械加工的方法制备初始坯料；
步骤二，将初始坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将制备完成的初始坯料在自由锻压机上进行纵向拔长，使坯料的总长度达到最终锻件长度的85％～95％，此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤三，将步骤二制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将长度和宽度尺寸小于锻件最终内孔孔径、高度尺寸为50～150mm的开料板置于加热后的坯料对应锻件内孔位置处，通过自由锻压机下压反复移动的开料板，实现坯料的横向拔长，将坯料宽度尺寸展宽到最终锻件宽度尺寸的70％～80％；此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤四，将步骤三制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将加热后的坯料置于型腔外廓尺寸与锻件最终外廓尺寸一致，并且各处深度尺寸为锻件最终相应处厚度1.1～1.3倍的制坯模具中，在模锻压机上进行胎模锻，使坯料继续展宽展长，坯料外廓达到锻件外廓尺寸；此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤五，按照锻件尺寸要求切割去除坯料对应锻件内孔处连皮，残留连皮距锻件内孔边缘尺寸为50～200mm，得到最终符合要求的坯料。
所述步骤二到步骤四，与坯料接触的工装或胎模中需铺保温石棉毡。
所述步骤一到步骤四，对所用工装和模具进行预热，预热温度为100～350℃。
所述步骤四，坯料用防护润滑剂进行防护，胎模型腔内用水基石墨进行润滑。
本发明具有的优点和有益效果为：
(1)将单孔状的整体承力框采用的镦饼-冲孔-环轧-自由锻整形这一流程复杂、经济性差、适应性低的制坯方法进行了彻底的工艺改进，大大提高了制坯方法的通用性；
(2)本发明所述方法解决了多孔、重量超过500Kg、外廓尺寸在2000mm以上的钛合金框锻件只能采用“分段锻造+分段机加+焊接组合”的方法来制造的问题，实现了钛合金大型框锻件的整体化锻造和生产，大幅度提高了钛合金整体框锻件的安全可靠性、经济性；
(3)本发明所述方法生产的大型钛合金整体框锻件具有流线完整、变形均匀、组织力学性能均匀性好和内应力小，加工变形小等优点。
附图说明
图1为本发明实施例制坯方法步骤示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
步骤一，根据锻件形状和尺寸要求，采用局部镦粗或机械加工的方法制备初始坯料；
制坯前的原材料为等厚的矩形坯料，根据整体框锻件的外廓特点，矩形坯料的某些局部为无用料，因此需先用局部镦粗或机械加工的方法将局部的无用料去除掉，获得初始坯料。
采用机械加工的办法将坯料某些局部无用料去除来制备初始坯料的办法简单，但原材料浪费大，经济性较差，且切断了坯料的部分流线。
采用在自由锻压机上对坯料相应位置进行局部镦粗来制备初始坯料的办法，材料利用率高、经济性好，对此办法详细描述如下：
将坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，坯料出炉后置于自由锻压机上进行局部镦粗，直至达到初始坯料尺寸要求，此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤二，将初始坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将制备完成的初始坯料在自由锻压机上进行纵向拔长，使坯料的总长度达到最终锻件长度的85％～95％，此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤三，将步骤二制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将长度和宽度尺寸小于锻件最终内孔孔径、高度尺寸为50～150mm的开料板置于加热后的坯料对应锻件内孔位置处，通过自由锻压机下压反复移动的开料板，实现坯料的横向拔长，将坯料宽度尺寸展宽到最终锻件宽度尺寸的70％～80％；此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤四，将步骤三制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将加热后的坯料置于型腔外廓尺寸与锻件最终外廓尺寸一致，并且各处深度尺寸为锻件最终相应处厚度1.1～1.3倍的制坯模具中，在模锻压机上进行胎模锻，使坯料继续展宽展长，坯料外廓达到锻件外廓尺寸；此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤五，按照锻件尺寸要求切割去除坯料对应锻件内孔处连皮，残留连皮距锻件内孔边缘尺寸为50～200mm，得到最终符合要求的坯料。
所述步骤二到步骤四，与坯料接触的工装或胎模中需铺保温石棉毡。
所述步骤一到步骤四，对所用工装和模具进行预热，预热温度为100～350℃。
所述步骤四，坯料用防护润滑剂进行防护，胎模型腔内用水基石墨进行润滑。
以下结合实施例对具体实施方式进行说明。
实施例一
锻件材料：TC4-DT；相变点：985℃；锻件外廓尺寸：3700×1830×207mm；锻件投影面积5.4m2；锻件重量：1100Kg；锻件的宽度方向一侧均缺角，对应坯料处角部为无用料。
步骤一，根据锻件形状和尺寸要求，采用局部镦粗的方法制备初始坯料。
此锻件用坯料尺寸为2400×1200×160mm，锻件的宽度方向一侧均缺角，对应坯料处角部为无用料，因此需对相应坯料角部进行局部镦粗获得初始坯料。具体方法为：将坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为950±10℃，保温时间为130min；工装、上下砧预热温度100～350℃；坯料出炉后置于自由锻压机上，对坯料宽度方向一侧两个角部进行局部镦粗；如尺寸未到位，允许热料回炉加热，热料回炉保温时间65min；坯料冷却方式为空冷。
步骤二，将初始坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为950±10℃，保温时间为130min；工装、上下砧预热温度100～350℃；将制备完成的初始坯料在自由锻压机上进行纵向拔长，上砧宽为200mm，使坯料的总长度达到3400mm；如尺寸未到位，允许热料回炉加热，热料回炉保温时间65min；坯料冷却方式为空冷。
步骤三，将步骤二制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为950±10℃，保温时间为130min；工装、上下砧预热温度100～350℃；将长度为300mm，宽度和高度为100mm的开料板置于加热后的坯料对应锻件内孔位置处，通过自由锻压机下压反复移动的开料板，实现坯料的横向拔长，将坯料宽度尺寸展宽到1400mm；如尺寸未到位，允许热料回炉加热，热料回炉保温时间65min；坯料冷却方式为空冷。
步骤四，将坯料均匀喷涂防护润滑剂，喷涂厚度0.2～0.4mm；坯料采用Ⅲ类电炉进行加热，加热温度为955±10℃，保温时间130min；模具预热至100～350℃；安装模具，对模具型腔进行水基石墨润滑；将加热后的坯料置于型腔外廓尺寸与锻件最终外廓尺寸一致，并且各处深度尺寸为锻件最终相应处厚度1.1～1.3倍的制坯模具中，在模锻压机上进行胎模锻，使坯料继续展宽展长，坯料外廓达到锻件外廓尺寸；坯料冷却方式为空冷。模锻进行了4火次。
步骤五，按照锻件尺寸要求切割去除坯料对应锻件内孔处连皮，残留连皮距锻件内孔边缘尺寸为100mm，得到最终符合要求的坯料。
将经过上述步骤制得的坯料进行后续模锻，并经准β热处理后拉伸性能见表1，断裂韧性见表2。
表1实施例一锻件拉伸性能
表2实施例一锻件断裂韧性
实施例二
锻件材料：TC4-DT；相变点：982℃；锻件外廓尺寸：3705×1784×150mm；锻件投影面积5.2m2；锻件重量：980Kg；锻件的宽度方向一侧均缺角，对应坯料处角部为无用料。
步骤一，根据锻件形状和尺寸要求，采用机械加工的方法制备初始坯料。
此锻件用坯料尺寸为2600×1350×130mm，由于板坯厚度薄，直接采机械加工的方式去除多余角料较为合适，去除掉的三角形坯料两个直角边边长均为300mm。
步骤二，将初始坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为947±10℃，保温时间为80min；工装、上下砧预热温度100～350℃；将制备完成的初始坯料在自由锻压机上进行纵向拔长，上砧宽为150mm，使坯料的总长度达到3380mm；如尺寸未到位，允许热料回炉加热，热料回炉保温时间40min；坯料冷却方式为空冷。
步骤三，将步骤二制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为947±10℃，保温时间为80min；工装、上下砧预热温度100～350℃；将长度为200mm，宽度和高度为100mm的开料板置于加热后的坯料对应锻件内孔位置处，通过自由锻压机下压反复移动的开料板，实现坯料的横向拔长，将坯料宽度尺寸展宽到1350mm；如尺寸未到位，允许热料回炉加热，热料回炉保温时间40min；坯料冷却方式为空冷。
步骤四，将坯料均匀喷涂防护润滑剂，喷涂厚度0.2～0.4mm；坯料采用Ⅲ类电炉进行加热，加热温度为952±10℃，保温时间80min；模具预热至100～350℃；安装模具，对模具型腔进行水基石墨润滑；将加热后的坯料置于型腔外廓尺寸与锻件最终外廓尺寸一致，并且各处深度尺寸为锻件最终相应处厚度1.1～1.3倍的制坯模具中，在模锻压机上进行胎模锻，使坯料继续展宽展长，坯料外廓达到锻件外廓尺寸；坯料冷却方式为空冷。模锻进行了3火次。
步骤五，按照锻件尺寸要求切割去除坯料对应锻件内孔处连皮，残留连皮距锻件内孔边缘尺寸为80mm，得到最终符合要求的坯料。
将经过上述步骤制得的坯料进行后续模锻，并经准β热处理后拉伸性能见表3，断裂韧性见表4。
表3实施例二锻件拉伸性能
表4实施例二锻件断裂韧性
本发明通过上述方法实现了超大型整体框锻件的坯料生产。本方法具有工艺简单、经济性佳、批量一致性好等特点，经后续模锻和热处理工序后得到的锻件，具有强度-塑性-韧性的良好匹配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法，超大型钛合金整体框锻件是指锻件重量超过50Kg，外廓尺寸在500mm以上的锻件，其特征是，具体包含以下步骤：
步骤一，根据锻件形状和尺寸要求，采用局部镦粗或机械加工的方法制备初始坯料；
步骤二，将初始坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将制备完成的初始坯料在自由锻压机上进行纵向拔长，使坯料的总长度达到最终锻件长度的85％～95％，此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤三，将步骤二制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将长度和宽度尺寸小于锻件最终内孔孔径、高度尺寸为50～150mm的开料板置于加热后的坯料对应锻件内孔位置处，通过自由锻压机下压反复移动的开料板，实现坯料的横向拔长，将坯料宽度尺寸展宽到最终锻件宽度尺寸的70％～80％；此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤四，将步骤三制得的坯料置于Ⅲ类电炉有效区内进行加热，加热温度为Tβ-10℃～Tβ-50℃，保温时间为0.4min/mm×坯料最大厚度mm～1.0min/mm×坯料最大厚度mm，将加热后的坯料置于型腔外廓尺寸与锻件最终外廓尺寸一致，并且各处深度尺寸为锻件最终相应处厚度1.1～1.3倍的制坯模具中，在模锻压机上进行胎模锻，使坯料继续展宽展长，坯料外廓达到锻件外廓尺寸；此过程允许多火次完成，热料回炉保温时间为0.2min/mm×坯料最大厚度mm～0.5min/mm×坯料最大厚度mm；
步骤五，按照锻件尺寸要求切割去除坯料对应锻件内孔处连皮，残留连皮距锻件内孔边缘尺寸为50～200mm，得到最终符合要求的坯料。
2.根据权利要求1所述的一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法，其特征在于，所述步骤二到步骤四，与坯料接触的工装或胎模中需铺保温石棉毡。
3.根据权利要求1所述的一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法，其特征在于，所述步骤一到步骤四，对所用工装和模具进行预热，预热温度100～350℃。
4.根据权利要求1所述的一种超大型钛合金整体框锻件的制坯方法，其特征在于，所述步骤四，坯料用防护润滑剂进行防护，胎模型腔内用水基石墨进行润滑。
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