CN107971710A - 一种ta1材料环锻件的制造方法 - Google Patents

一种ta1材料环锻件的制造方法 Download PDF

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刘鹏
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杨家典
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Abstract

本发明公开了一种TA1材料环锻件的制造方法，涉及环形锻件的轧制成形技术领域。其包括下料、改锻、制矩形截面环坯、预轧、终轧、热胀形和退火步骤，通过对坯料进行多火次、不同温度的改锻工艺，严格控制每次锻件的变形量，并对环件进行热胀形，优化了材料性能，细化了锻件内部晶粒度，解决了TA1材料环件在锻造、轧制过程中环件表面容易产生裂纹的问题，最终使TA1环件晶粒度达到6.5级以上，保证了产品的质量精度，降低了产品报废率。

Description

一种TA1材料环锻件的制造方法
技术领域
本发明涉及环形锻件的轧制成形技术领域，尤其是一种TA1材料环锻件的制造方法。
背景技术
钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。钛有许多明显优越的特性：密度小(4.5kg/m3)、熔点高(1660℃)、耐腐蚀性强、比强度高、塑性好，还可以过合金化及热处理的办法制造出力学性能高的各种合金,是较为理想的航天工程结构材料，因航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约8％的增长速度发展。
目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。但，钛合金的抗磨性差，工艺性能差，生产工艺复杂，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。
2008年10月8日公开的中国发明专利说明书CN 101279345A公开了一种钛合金异形环锻件的辗轧成形方法，该方法把按规格下料的合金棒料经镦粗、冲孔、两次轧环制坯(不使用辗轧模具)，再把坯料装进轧环机辗轧模具内辗轧成形，通过在连续两次轧环制坯过程中采取小变形量成形的方式和在各工艺步骤中控制准确的变形量，轧制出了组织和性能良好的异形环锻件。采用该方法轧制壁厚较薄的钛合金高筒环锻件时，由于主辊的转动方向与预轧坯的转动方向不一致，轧制时辗轧模具的孔型与预轧坯之间产生激烈的摩擦不仅使轧制过程非常不稳定对生产造成影响，而且还容易导致预轧坯温度升高对合金的组织和性能产生影响，如出现组织变异、晶粒粗大等缺陷。
TA1是一种工业纯钛，材料强度不高，但塑性好，易于加工成行，TA1材料环锻件产品常用于航空、航天、核电等领域，常规制造工艺生产的TA1材料晶粒度一般在4级以下，很难达到6.5级以上，因此常常无法满足工业需要。在常规自由锻制坯过程中，由于TA1表面氧化层的的存在，易导致锻件表面容易产生大量裂纹，最终导致产品报废。另外，由于TA1材料强度不高，对于TA1高筒薄壁环件，终轧结束后由于环件内部残余应力的存在，易导致机床加工过程中产品发生变形，造成产品尺寸超差。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种TA1材料环锻件的制造方法，该方法降低了环件表面裂纹产生率，晶粒度达到6.5级以上，保证了产品的质量精度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种TA1材料环锻件的制造方法，包括下料、改锻、制矩形截面环坯、预轧、终轧、热胀形、退火步骤，其具体步骤如下：
(1)下料:根据产品尺寸将棒状原材料进行下料，下料后坯料两
端面倒圆角R15～R25；
(2)改锻:将坯料进行改锻、拔长、镦粗，镦粗时上下端面须
垫15～20mm石棉；
(3)矩形截面制坯：将坯料进行加热、保温后，经过冲孔、马
架扩孔后得到矩形截面环件环坯；
(4)预轧：将步骤(3)所得矩形截面环件环坯加热、保温后，
按照锻件设计尺寸进行预轧；
(5)终轧：将预轧所得环件，加热、保温后，按照锻件设计尺
寸进行轧制；
(6)热胀形：将终轧锻件进行加热，保温后胀形；
(7)退火：使用炉子退火，将炉火加热到600～640℃℃，将热胀形的锻件装炉，温度稳定后保温100～120min，出炉空气冷却。
所述的改锻分三火次进行；
所述的第一次改锻加热温度：1000～1020℃，保温时间t1为8min/10mm×有效厚度；
所述的第二次改锻加热温度为850～920℃，保温时间t2为6min/10mm×有效厚度；
所述的第三次改锻加热温度为780～820℃，保温时间t3为6min/10mm×有效厚度。
所述的镦粗，每次下压量小于60mm。
所述的拔长，每次下压量小于50mm。
所述的矩形截面制坯，加热温度为680～730℃；保温时间t4为6min/10mm×有效厚度。
所述的矩形截面制坯，在马架扩孔时，每次下压量小于15mm。
所述的预轧加热温度为650～720℃，保温时间t5为6min/10mm×有效厚度。
所述的预轧轧制时环件长大速度控制在2～4mm/s,锥辊下压量控制在5～10mm。
所述的终轧加热温度：620～660℃，保温时间t6为6min/10mm×有效厚度。
所述的终轧环件长大速度控制在3～5mm/s，锥辊下压量控制在8～12mm。
所述的热胀形加热温度：550～650℃，保温时间t7为6min/10mm×有效厚度。
所述的热胀形，胀形变形量控制在0.5％～1.5％之间，每次胀形量控制在0.5％～0.8％。
所述的预轧结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
所述的马架结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
所述的每火次改锻结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
本发明有益效果：
(1)本发明通过严格控制每次锻件的变形量和每火次间隙锻件表面质量检查、排伤，解决了TA1材料环件在锻造、轧制过程中环件表面容易产生裂纹，导致产品报废的技术难点。
(2)本发明在自由锻制坯前，通过对坯料进行多火次、不同温度的改锻工艺，优化了材料性能，细化内部晶粒度，最终得到了晶粒度达到6.5级以上的TA1环件，满足了客户的需求。
(3)本发明在退火热处理前，对环件进行热胀形，提高产品精度的同时，减少锻件内部残余应力，保证了产品的质量精度。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1
一种TA1材料环锻件的制造方法，包括下料、改锻、制矩形截面环坯、预轧、终轧、热胀形、退火步骤，其具体步骤如下：
(1)下料:根据产品尺寸将棒状原材料进行下料，下料后坯料两端面倒圆角R15-R25。
(2)改锻:分三火次进行改锻，反复拔长、镦粗，镦粗时上下端面须垫15mm石棉，镦粗时每次下压量为10mm，拔长时每次下压量为5mm，每火次改锻结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺；第一次改锻加热温度：1000℃，保温时间：t1＝8min/10mm×有效厚度；第二次改锻加热温度：850℃，保温时间：t2＝6min/10mm×有效厚度，(趁热回炉保温时间减半)；第三次改锻加热温度：780℃，保温时间：t3＝6min/10mm×有效厚度，(趁热回炉保温时间减半)。
(3)矩形截面制坯：加热温度：680℃，保温时间：t4＝6min/10mm×有效厚度，(趁热回炉保温时间减半)，坯料经过冲孔、马架扩孔后得到矩形截面环件环坯，马架扩孔时，每次下压量为1mm，马架结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
(4)预轧：预轧加热温度：650℃，保温时间：t5＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)，按照锻件设计尺寸进行预轧，轧制时环件长大速度为2mm/s,锥辊下压量为5mm。预轧结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
(5)终轧：终轧加热温度：620℃，保温时间：t6＝6min/10mm×有效厚度(趁热回炉保温时间减半)，按照锻件设计尺寸进行轧制，环件长大速度为3mm/s，锥辊下压量为8mm。
(6)热胀形：胀形前对锻件进行加热，加热温度：550℃，保温时间：t7＝6min/10mm×有效厚度(趁热回炉保温时间减半)；胀形变形量为0.5％，每次胀形量为0.5％。
(7)退火：炉子加热到600℃，到温装炉，温度稳定后保温100min后，出炉空冷。
实施例2
一种TA1材料环锻件的制造方法，包括下料、改锻、制矩形截面环坯、预轧、终轧、热胀形、退火步骤，其具体步骤如下：
(1)下料:根据产品尺寸将棒状原材料进行下料，下料后坯料两端面倒圆角R15-R25。
(2)改锻:分三火次进行改锻，反复拔长、镦粗，镦粗时上下端面须垫18mm石棉，镦粗时每次下压量40mm，拔长时每次下压量30mm，每火次改锻结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺；第一次改锻加热温度：1020℃，保温时间：t1＝8min/10mm×有效厚度；第二次改锻加热温度：920℃，保温时间：t2＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)；第三次改锻加热温度：820℃，保温时间：t3＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)。
(3)矩形截面制坯：加热温度：730℃，保温时间：t4＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)，坯料经过冲孔、马架扩孔后得到矩形截面环件环坯，马架扩孔时，每次下压量10mm，马架结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
(4)预轧：预轧加热温度：720℃，保温时间：t5＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)，按照锻件设计尺寸进行预轧，轧制时环件长大速度控制在3mm/s,锥辊下压量控制在7mm。预轧结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
(5)终轧：终轧加热温度：660℃，保温时间：t6＝6min/10mm×有效厚度(趁热回炉保温时间减半)，按照锻件设计尺寸进行轧制，环件长大速度控制在4mm/s，锥辊下压量控制在10mm。
(6)热胀形：胀形前对锻件进行加热，加热温度：650℃，保温时间：t7＝6min/10mm×有效厚度(趁热回炉保温时间减半)；胀形变形量控制在1％，每次胀形量控制在0.6％。
(7)退火：炉子加热到640℃，到温装炉，温度稳定后保温110min后，出炉空冷。
实施例3
一种TA1材料环锻件的制造方法，包括下料、改锻、制矩形截面环坯、预轧、终轧、热胀形、退火步骤，其具体步骤如下：
(1)下料:根据产品尺寸将棒状原材料进行下料，下料后坯料两端面倒圆角R15-R25。
(2)改锻:分三火次进行改锻，反复拔长、镦粗，镦粗时上下端面须垫20mm石棉，镦粗时每次下压量60mm，拔长时每次下压量50mm，每火次改锻结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺；第一次改锻加热温度：1010℃，保温时间：t1＝8min/10mm×有效厚度；第二次改锻加热温度：910℃，保温时间：t2＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)；第三次改锻加热温度：800℃，保温时间：t3＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)。
(3)矩形截面制坯：加热温度：710℃，保温时间：t4＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)，坯料经过冲孔、马架扩孔后得到矩形截面环件环坯，马架扩孔时，每次下压量15mm，马架结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
(4)预轧：预轧加热温度：690℃，保温时间：t5＝6min/10mm×有效厚度；(趁热回炉保温时间减半)，按照锻件设计尺寸进行预轧，轧制时环件长大速度控制在4mm/s,锥辊下压量控制在10mm。预轧结束后，对锻件进行表面检查，不允许存在裂纹及其他缺陷，如坯料表面有裂纹，沿裂纹方向打磨消除裂纹后继续工艺。
(5)终轧：终轧加热温度：650℃，保温时间：t6＝6min/10mm×有效厚度(趁热回炉保温时间减半)，按照锻件设计尺寸进行轧制，环件长大速度控制在5mm/s，锥辊下压量控制在12mm。
(6)热胀形：胀形前对锻件进行加热，加热温度：610℃，保温时间：t7＝6min/10mm×有效厚度(趁热回炉保温时间减半)；胀形变形量控制在1.5％，每次胀形量控制在0.8％。
(7)退火：炉子加热到630℃，到温装炉，温度稳定后保温120min后，出炉空冷。
本发明TA1合金的主要化学元素含量(重量百分比)为：含Fe量≤0.07％、含C量≤0.06％、含N量≤0.03％、含H量≤0.007％、含O量≤0.08％、其他元素单个≤0.05％,，总和≤0.2％(其他元素包括：Al、V、Sn、Mo、Cr、Mn、Zr、Ni、Cu、Si、Y，其中Y含量质量分数不大于0.005％)其余为Ti。
按照GB/T 231.1-2009《金属材料布氏硬度试验》第1部分：试验方法检测，本发明TA1材料环锻件的布氏硬度值为120～135HB W。
按照GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》检测，本发明TA1材料环锻件的晶粒度为6.5～7.5级。
上述理化检测结果表明，采用上述方法辗轧成形的TA1材料环锻件具有优良的内部组织和性能，完全满足了该合金锻件的使用要求。
采用本发明提供的方法辗轧成形的TA1材料环锻件并不限于上述实施方式，对于不同形状和尺寸的环锻件，只需改变锻件设计形状和尺寸，按照上述方法便可辗轧出不同截面形状的环锻件。本发明所述的辗轧成形是把环锻件的预轧坯通过辗轧模具轧制成环锻件的成形方式。

Claims (10)

1.一种TA1材料环锻件的制造方法，包括下料、改锻、制矩形截面环坯、预轧、终轧、热胀形、退火步骤，其特征在于，具体步骤如下：
(1)下料:根据产品尺寸将棒状原材料进行下料，下料后坯料两端面倒圆角R15～R25；
(2)改锻:将坯料进行改锻、拔长、镦粗，镦粗时上下端面须垫15～20mm石棉；
(3)矩形截面制坯：将坯料进行加热、保温后，经过冲孔、马架扩孔后得到矩形截面环件环坯；
(4)预轧：将步骤(3)所得矩形截面环件环坯加热、保温后，按照锻件设计尺寸进行预轧；
(5)终轧：将预轧所得环件，加热、保温后，按照锻件设计尺寸进行终轧；
(6)热胀形：将终轧锻件进行加热，保温后胀形；
(7)退火：使用炉子退火，将炉火加热到600～640℃，将热胀形的锻件装炉，温度稳定后保温100～120min，出炉空气冷却。
2.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的改锻分三火次进行；
所述的第一次改锻加热温度为1000～1020℃；保温时间为8min/10mm×有效厚度；
所述的第二次改锻加热温度为850～920℃；保温时间为6min/10mm×有效厚度；
所述的第三次改锻加热温度为780～820℃；保温时间为6min/10mm×有效厚度。
3.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的镦粗，每次下压量小于60mm；
所述的拔长，每次下压量小于50mm。
4.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的矩形截面制坯，加热温度为680～730℃；保温时间为6min/10mm×有效厚度；
所述的矩形截面制坯中所述的马架扩孔每次下压量小于15mm。
5.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的预轧加热温度为650～720℃；保温时间为6min/10mm×有效厚度。
6.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的预轧轧制时环件长大速度为2～4mm/s；锥辊下压量为5～10mm。
7.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的终轧加热温度为620～660℃；保温时间为6min/10mm×有效厚度。
8.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的终轧环件长大速度为3～5mm/s，锥辊下压量为8～12mm。
9.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的热胀形加热温度为550～650℃；保温时间为6min/10mm×有效厚度。
10.如权利要求1所述的TA1材料环锻件的制造方法，其特征在于，所述的热胀形胀形变形量为0.5％～1.5％，每次胀形量为0.5％～0.8％。
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