CN111438317B - 一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法 - Google Patents

一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，包括：一、β相区开坯锻造；二、准β锻镦拔热变形；三、静态退火热处理；四、近β锻反复镦拔热变形；五、终锻成形水冷淬火；六、固溶时效处理。本发发明锻造出的近β钛合金锻件，力学性能好，强塑性匹配高，质量稳定可控，能够满足航空钛合金承力构件制造中对高性能近β型钛合金锻件的迫切需求。

Description

一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法
技术领域
本发明属于有色金属加工领域，具体涉及一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法。
背景技术
近β型高强高韧钛合金，该合金兼有α+β型钛合金和β型钛合金的特点，其强度高、韧性好、耐疲劳，具有较好的强韧性匹配，在加工中不产生明显的成分偏析，具有良好的淬透性和较宽的热加工工艺范围，特别适合应用于承受巨大应力的机身框、起落架、机翼与挂架的连接装置等航空零部件。
钛合金锻件微观组织特征与锻件的综合力学性能密切相关。近β型钛合金，其主要强化方式为细小弥散的初生α相与次生质点所产生的弥散强化作用。目前常规的近β型钛合金锻件成形的制备方法为在相变温度以上开坯，两相区坯料多火次反复镦拔，在相变温度以下终锻成形，但是该工艺通常无法有效抑制初始组织遗传性对次生α相形貌的影响作用，同时其工艺稳定性差，难以获得均质细小三元组织，导致近β型钛合金锻件的强塑性不易匹配，并且断裂韧性与抗疲劳性能较低。
发明内容
本发明所要解决的问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种工艺简单、操作性强、产品质量稳定的高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，采用本发明提供的制备方法所制备出的成品锻件组织为均匀细小三元组织，具有良好的高强度-塑性-韧性综合匹配性。
本发明的技术问题可以通过以下技术方案解决：
一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)β相区开坯锻造：
将近β型钛合金铸锭加热到β相变温度以上200℃–300℃，经过8–12小时保温后，采用快锻机反复镦粗-拔长3次，总锻造比控制在2.5–4.5,锻后在空气中冷却至室温并进行表面修磨处理；
(2)准β锻镦拔热变形：
将经步骤(1)处理的坯料加热到β相变温度以上5–10℃，在精锻机上进行径向锻造，锻造比控制在5–8，终锻温度不低于相变温度以下50℃；
(3)静态退火热处理：
将经步骤(2)处理的坯料直接回炉进行退火热处理，热处理温度在β相变温度以下30℃–50℃，保温时间为45-60分钟；
(4)近β锻反复镦拔热变形：
将经步骤(3)退火处理得到的坯料在快锻机上进行2–4火次镦拔锻造，每火次锻造比为1.4–2，锻造过程中进行回炉加热保温；
(5)终锻成形水冷淬火：
将经步骤(4)得到的坯料在相变温度以下进行闭模终锻，将得到的成形锻件加热至相变温度以下10℃，出炉预冷至相变温度以下30℃在水中冷却至室温；
(6)固溶时效处理：
将经步骤(5)所述的成形锻件冷却4–6小时后进行固溶时效处理，最终得到钛合金锻件成品。
进一步，步骤(1)中所述近β型钛合金铸锭材料为Ti-55531、Ti-7333及Ti-1023中的其中一种。
进一步，步骤(2)中所述精锻机的径向锻造过程锻造速度≤20mm/s，锻造总时间小于20分钟。
进一步，步骤(4)中所述锻造过程中回炉加热保温的加热温度为相变温度以下30–50℃，保温时间为60–90分钟。
进一步，步骤(5)中所述终锻的终锻温度为相变温度以下10–30℃。
进一步，步骤(5)中所述终锻前将模具预热至400℃，模锻变形量控制在25％～35％之间，模锻速度为5mm/s。
进一步，步骤(6)中所述锻件的固溶时效处理方法为：固溶处理方法为在相变温度以下30–50℃条件下保温2–4小时后在空气中冷却至室温；时效处理方法为在相变温度以下200–300℃条件下保温4–7.5小时后在空气中冷却至室温。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
本发明提供一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，充分利用近β型钛合金高温变形下微观组织演化机制，在开坯锻造后进行一火次径向准β锻造，能够快速破碎β基体相粗大晶粒，并通过非连续动态再结晶组织行为细化晶粒尺寸，有效抑制后续加工过程中初始组织遗传性对次生α相形貌的干扰作用；径向准β锻造变形后搭配静态退火热处理，能够利用亚动态再结晶行为充分细化晶粒尺寸，促进组织均匀性，消除变形织构对后续锻造过程的影响；在相变温度以下反复镦拔近β锻造中，通过连续动态再结晶及α相球化行为充分细化晶粒尺寸；终锻后，在(α+β)区上部加热淬火，均匀析出马氏体相α′及α″；通过合适的固溶时效处理得到由等轴初生α相、细片层次生α相及β转变相构成的三元细晶组织，材料内外部组织均匀细小，可实现近β钛合金综合力学性能匹配提升。
本发明提供一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，锻造出的近β钛合金锻件，力学性能好，强塑性匹配高，质量稳定可控，能够满足航空钛合金承力构件制造中对高性能近β型钛合金锻件的迫切需求。
附图说明
图1为本发明实施例一制备锻件的显微组织图；
图2为本发明实施例二制备锻件的显微组织图；
图3为本发明实施例三制备锻件的显微组织图。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式并参照附图对本发明进行进一步说明。
实施例一：
1)采用Φ220规格的Ti-55531近β型钛合金铸锭，铸锭相变温度为845℃。采用电阻炉将铸锭加热到β相变温度以上1100℃，保温8小时，然后采用3500吨位的快锻机在β相区反复镦粗–拔长3次，终锻温度不低于850℃，总锻造比控制在2.5，锻后在空气中冷却至室温，并进行表面修磨处理，得到锻坯，锻坯的截面直径为200–220mm。
2)采用电阻炉，将步骤1)所得锻坯加热至855℃，保温2小时，在600吨位的精锻机上进行径向锻造，精锻机锤头捶打次数为1200秒/分钟，锻造速度为20mm/s，锻造总时间15分钟，总锻比为6，终锻温度不小于815℃。
3)经步骤2)处理的锻坯直接放入电阻炉，在805℃下进行退火热处理，保温时间为45分钟。
4)将步骤3)处理得到的坯料在快锻机上进行2火次镦拔锻造，每火次锻造比为1.6。两火次锻造过程中间进行回炉加热保温，回炉加热温度为815℃，保温时间90分钟。
5)将步骤4)中自由锻得到的坯料预热至835℃，保温2小时，出炉进行模锻，模锻前将模具预热至400℃。模锻变形量控制在25％～35％之间，模锻速度为5mm/s，终锻温度不低于790℃，将得到的成形锻件加热至835℃，出炉预冷至相变温度以下815℃在水中冷却至室温。
6)将步骤5)得到的锻件在电阻炉中加热到815℃进行固溶处理，保温3小时后在空气中冷却至室温，随后在580℃下进行时效处理，保温5.5小时后在空气中冷却至室温，获得成品钛合金锻件。
实施例一制备的钛合金锻件的性能如下表1所示。
表1：
Figure BDA0002394842690000041
实施例二：
1)采用Φ220规格的Ti-7333近β型钛合金铸锭，铸锭相变温度为855℃。采用电阻炉将铸锭加热到β相变温度以上1150℃，保温8小时，然后采用3500吨位的快锻机在β相区反复镦粗–拔长3次，终锻温度不低于860℃，总锻造比控制在2.5，锻后在空气中冷却至室温，并进行表面修磨处理，得到锻坯，锻坯的截面直径为220–250mm。
2)采用电阻炉，将步骤1)所得锻坯加热至865℃，保温2小时，在600吨位的精锻机上进行径向锻造，精锻机锤头捶打次数为1200秒/分钟，锻造速度为20mm/s，锻造总时间15分钟，总锻比为6，终锻温度不小于825℃。
3)经步骤2)处理的锻坯直接放入电阻炉，在820℃下进行退火热处理，保温时间为45分钟。
4)将步骤3)处理得到的坯料在快锻机上进行2火次镦拔锻造，每火次锻造比为1.6。两火次锻造过程中间进行回炉加热保温，回炉加热温度820℃，保温时间90分钟。
5)将步骤4)中自由锻得到的坯料预热至845℃，保温2小时，出炉进行模锻，模锻前将模具预热至400℃。模锻变形量控制在25％～35％之间，模锻速度为5mm/s，终锻温度不低于805℃，将得到的成形锻件加热至845℃，出炉预冷至相变温度以下825℃在水中冷却至室温。
6)将步骤5)得到的锻件在电阻炉中加热到820℃进行固溶处理，保温3小时后在空气中冷却至室温，随后在560℃下进行时效处理，保温5.5小时后在空气中冷却至室温，获得成品钛合金锻件。
实施例二制备的钛合金锻件的性能如下表2所示。
表2：
Figure BDA0002394842690000051
实施例三：
1)采用Φ260规格的Ti-1023近β型钛合金铸锭，铸锭相变温度为805℃。采用电阻炉将铸锭加热到β相变温度以上1050℃，保温10小时，然后采用3500吨位的快锻机在β相区反复镦粗–拔长3次，终锻温度不低于805℃，总锻造比控制在4.5，锻后在空气中冷却至室温，并进行表面修磨处理，得到锻坯，锻坯的截面直径为240–270mm。
2)采用电阻炉，将步骤1)所得锻坯加热至815℃，保温2小时，在600吨位的精锻机上进行径向锻造，精锻机锤头捶打次数为1200秒/分钟，锻造速度为25mm/s，锻造总时间12分钟，总锻比为8，终锻温度不小于785℃。
3)经步骤2)处理的锻坯直接放入电阻炉，在775℃下进行退火热处理，保温时间为60分钟。
4)将步骤(3)处理得到的坯料在快锻机上进行2火次镦拔锻造，每火次锻造比为2。两火次锻造过程中间进行回炉加热保温，回炉加热温度775℃，保温时间75分钟。
5)将步骤4)中自由锻得到的坯料预热至795℃，保温2小时，出炉进行模锻，模锻前将模具预热至400℃。模锻变形量控制在25％～35％之间，模锻速度为5mm/s，终锻温度不低于775℃，将得到的成形锻件加热至795℃，出炉预冷至相变温度以下775℃在水中冷却至室温。
6)将步骤5)所述的锻件在电阻炉中加热到755℃进行固溶处理，保温2.5小时后在空气中冷却至室温，随后在600℃下进行时效处理，保温6小时后在空气中冷却至室温，获得成品钛合金锻件。
实施例三制备的钛合金锻件的性能如下表3所示。
表3：
Figure BDA0002394842690000061
以上对本发明的具体实施方式进行了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰和改进，这些修饰和改进也都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)β相区开坯锻造：
将近β型钛合金铸锭加热到β相变温度以上200℃–300℃，经过8–12小时保温后，采用快锻机反复镦粗-拔长3次，总锻造比控制在2.5–4.5,锻后在空气中冷却至室温并进行表面修磨处理；
(2)准β锻镦拔热变形：
将经步骤(1)处理的坯料加热到β相变温度以上5–10℃，在精锻机上进行径向锻造，锻造比控制在5–8，终锻温度不低于相变温度以下50℃；
(3)静态退火热处理：
将经步骤(2)处理的坯料直接回炉进行退火热处理，热处理温度在β相变温度以下30℃–50℃，保温时间为45-60分钟；
(4)近β锻反复镦拔热变形：
将经步骤(3)退火处理得到的坯料在快锻机上进行2–4火次镦拔锻造，每火次锻造比为1.4–2，锻造过程中进行回炉加热保温；所述锻造过程中回炉加热保温的加热温度为相变温度以下30–50℃，保温时间为60–90分钟；
(5)终锻成形水冷淬火：
将经步骤(4)得到的坯料在相变温度以下进行闭模终锻，将得到的成形锻件加热至相变温度以下10℃，出炉预冷至相变温度以下30℃在水中冷却至室温；所述终锻的终锻温度为相变温度以下10–30℃；
(6)固溶时效处理：
将经步骤(5)所述的成形锻件冷却4–6小时后进行固溶时效处理，最终得到钛合金锻件成品。
2.根据权利要求1所述的一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述近β型钛合金铸锭材料为Ti-55531、Ti-7333及Ti-1023中的其中一种。
3.根据权利要求1所述的一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述精锻机的径向锻造过程锻造速度≤20mm/s，锻造总时间小于20分钟。
4.根据权利要求1所述的一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述终锻前将模具预热至400℃，模锻变形量控制在25％～35％之间，模锻速度为5mm/s。
5.根据权利要求1所述的一种具有高强高韧近β型钛合金锻件锻造成形的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述锻件的固溶时效处理方法为：固溶处理方法为在相变温度以下30–50℃条件下保温2–4小时后在空气中冷却至室温；时效处理方法为在相变温度以下200–300℃条件下保温4–7.5小时后在空气中冷却至室温。
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