CN111496156B - 一种钛合金饼坯的增材锻造制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于属于钛合金锻造领域，涉及一种钛合金饼坯的增材锻造制备方法，包括以下几个步骤：一、计算所需棒坯体积；二、棒坯高径比选择与下料；三、设计并制造锻造模具；四、棒坯加热；五、增材锻造制备饼坯。该方法能够实现大高径比棒坯稳定可控的成形，从而可以采用组织均匀性更好的规格更小的棒坯制备饼坯，有助于提高饼坯和最终锻件的组织均匀性、工艺的可控性及质量的一致性，对于航空发动机用盘/环类锻件品质的提高意义重大。

Description

一种钛合金饼坯的增材锻造制备方法

技术领域

本发明属于钛合金锻造领域，涉及一种钛合金饼坯的增材锻造制备方法。

背景技术

钛合金具有优良的综合服役性能，如密度低、强度高、韧性好、抗疲劳、无毒、无磁、耐腐蚀等,是航空、航天、兵器、船舶、医疗及其他民用领域重要的轻质结构与功能一体化材料。但与钢、铝两类合金材料相比，钛合金因具有六方结构α相同素异构体，而呈现较差的变形协调能力和较大的变形抗力。因此，钛合金的锻造成形更为困难，形变产品的质量控制需要更有针对性的技术手段。此外，钛合金的热导率较低，在热机械处理调控棒材的组织状态时，棒坯表面与芯部热过程的差异是影响棒材组织均匀性的一个重要因素。棒材的组织均匀性是实现最终锻件组织均匀性的有力保障。棒坯直径规格越小，组织均匀性越高。但等体积条件下，小规格棒坯需要大高径比，由此带来镦粗变形稳定性不足的难题。为此，针对盘/环类等回转对称型锻件，行业内通常采用的技术手段是寻求棒坯镦粗变形稳定性与棒材规格间的平衡，在保证棒坯能够实现稳定镦粗的前提下，选用最小规格的棒材。

选用高径比大于2.5的棒坯制备饼坯时，现有的技术方案主要是加胎模进行坯料的整体镦粗，利用胎模及定位装置的约束，限制棒坯的弯曲与双鼓等变形失稳情况的发生，如专利“一种大高度直径比的圆柱状锭坯或棒坯的镦粗方法”(专利号：CN201510706095.3)、“一种超大高径比金属坯料镦粗成形方法”(专利号：CN201710205539.4)、“超大型环锻件大高径比铸锭热镦粗工艺”(专利号：CN201010528993.1)、“一种超大高径比棒料的连续锥形镦粗模具及镦粗方法”(专利号：CN201611121819.9)等。此类技术能够一定程度上克服自由镦粗时变形失稳情况的发生，但提升效果有限，高径比大于4时，基本不可实施。此外，在工艺稳定性控制方面仍有不足。

现阶段，自由镦粗的极限高径比在2.8左右，附加约束条件后，极限高径比可提高至4左右。但随着锻件的需求规格不断增大，棒材组织均匀性与变形稳定性的矛盾更加突出,高径比4的极限不能有效保证锻件的组织均匀性，需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的是：提供一种钛合金饼坯的增材锻造制备方法，解决现有技术手段对棒坯高径比的限制，以实现采用较小规格棒坯、大高径比制备大规格饼坯的技术问题。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种钛合金饼坯的增材锻造制备方法，包含以下步骤：

步骤一、根据所要制备的饼坯的尺寸计算原材料棒坯的体积V；

步骤二、选择原材料棒坯尺寸并下料：按步骤一获得的体积V下料，其中棒坯高度h和直径d满足高径比K_O≥4；

步骤三、制造锻造模具：包括模套1和压头2，所述模套1上部为用于限制棒坯的约束区，其内部型腔与棒坯尺寸适配；下部为棒坯充形区，其内部型腔与饼坯尺寸适配；该模具的结构尺寸为：

h1＝K·d，H＝h+d，D＝K_D·d·(h/h1)^0.5，D0＝K_D0·D，R＝K_R·D，其中K＝1.8～2.5，K_D＝1.02～1.1，K_D0＝1.5～3，K_R＝0.2～0.5；

所述压头的结构尺寸为：Hp＝h；压头2与模套1约束段滑动配合；

其中，h1为棒坯充形区模套高度、H为棒坯充形区加约束区模套总高度、D为棒坯充形区模套内腔直径、D0为模套外径、R为模套充形区内腔过度圆角的半径；Hp为压头高度；d为棒坯直径、h为棒坯高度；

步骤四、将步骤二获得的棒坯进行加热；

步骤五、将步骤四获得的热态棒坯放置于模具中，在压机上将压头2压入模套1中，完成棒坯的增材锻造，制得目标饼坯，其中压头行程为h-h1。

步骤一中所述棒坯的体积V根据以下公式确定：

V＝K_V·v；其中，v为饼坯体积，V为所需棒坯的体积，K_V＝1.01～1.06。

优选地，所述步骤五之前还包括对锻造模具进行预热的步骤。

优选地，所述压头2尺寸满足如下条件：

Dp＝d；Dp为压头直径。

优选地，所述棒坯约束区的尺寸满足如下条件：

d0＝K_d0·d，K_d0＝1.02～1.1；d0为棒坯约束区模套内腔直径。

优选地，所述模套1约束区入口处进行倒角设计。所述倒角30°～60°，深度8～15mm。

优选地，所述倒角45°，深度10mm。

本发明的有益效果是：基于了一种“增材锻造”的思想，通过模具充形区与约束区的分段设计，使大高径比棒坯的上段置于模具的约束区充当自身下段变形的“压头”，下段置于模具的充形区进行稳定可控地变形，并随着变形的推进，上段“压头”以微分的形式逐步缩短，增进到下段变形区，使变形区的体积逐步增加。在约束段向充形段的逐步推进过程中，完成了变形区的增材，最终实现了整支大高径比棒坯向小高径比饼坯转变的体积变形。该工艺方法实施简便，无需大型设备投入；工艺过程可控性高，便于实现自动化；能够兼顾小规格棒坯的组织均匀性与大高径比棒坯镦粗变形的稳定性，有利于提高大规格饼坯与锻件的组织均匀性与质量的一致性，对于航空发动机用盘/环类锻件品质的提高意义重大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为增材锻造用模具及其与棒坯装配示意图；

图中，1-模套、2-压头、3-待成形棒坯；h1-棒坯充形区模套高度、H-棒坯充形区加约束区模套总高度、D-棒坯充形区模套内腔直径、d0-棒坯约束区模套内腔直径、D0-模套外径、R-模套充形区内腔过度圆角半径；Dp-压头直径、Hp-压头高度；d-棒坯直径、h-棒坯高度。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很明显的是，本发明也可以在不需要这些具体细节的情况下就可以实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例对本发明更好的理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。

在各个附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以避免对本发明造成不必要的模糊。

实施例一

目标：制备直径400mm，高度300mm的TA19钛合金饼坯。

1、目标饼坯体积v＝37699200mm³，取K_v＝1.02，按V＝1.02·v核算所需圆形截面棒坯的体积V＝38453184mm³；

2、根据步骤1获得的棒坯体积，按高径比K₀＝4.02计算所需棒坯的尺寸为Φ230mm×925mm，并按该尺寸下料；

3、按图1所示图纸设计并制造锻造模具，包括模套和压头，其中模套的结构尺寸为：h1＝300mm，H＝1155mm，D＝425mm，d0＝242mm，D0＝850mm，R＝106mm，压头的结构尺寸为：Dp＝230mm，Hp＝925mm；

4、将步骤2获得的尺寸为Φ230mm×925mm的TA19合金棒坯进行加热；

5、将步骤3获得的锻造模具进行预热；

6、将步骤4获得的热态棒坯放置于步骤5获得的热态模具中，在压机上将压头压入模套中，完成棒坯的增材锻造，制得尺寸为Φ目标饼坯，其中压头行程为625mm。

实施例二

目标：制备直径300mm，高度180mm的TC17钛合金饼坯。

1、目标饼坯体积v＝12723480mm³，取K_v＝1.02，按V＝1.02·v核算所需圆形截面棒坯的体积V＝12977949.6mm³；

2、根据步骤1获得的棒坯体积，按高径比K₀＝4.90计算所需棒坯的尺寸为Φ150mm×735mm，并按该尺寸下料；

3、按图1所示图纸设计并制造锻造模具，包括模套和压头，其中模套的结构尺寸为：h1＝180mm，H＝885mm，D＝310mm，d0＝158mm，D0＝620mm，R＝78mm，压头的结构尺寸为：Dp＝150mm，Hp＝735mm；

4、将步骤2获得的尺寸为Φ150mm×735mm的TC17合金棒坯进行加热；

5、将步骤3获得的锻造模具进行预热；

6、将步骤4获得的热态棒坯放置于步骤5获得的热态模具中，在压机上将压头压入模套中，完成棒坯的增材锻造，制得尺寸为Φ目标饼坯，其中压头行程为555mm。

实施例三

目标：制备直径350mm，高度300mm的TC4钛合金饼坯。

1、目标饼坯体积v＝28863450mm³，取K_v＝1.01，按V＝1.01·v核算所需圆形截面棒坯的体积V＝29152084.5mm³；

2、根据步骤1获得的棒坯体积，按高径比K₀＝5.86计算所需棒坯的尺寸为Φ185mm×1085mm，并按该尺寸下料；

3、按图1所示图纸设计并制造锻造模具，包括模套和压头，其中模套的结构尺寸为：h1＝300mm，H＝1270mm，D＝360mm，d0＝195mm，D0＝720mm，R＝90mm，压头的结构尺寸为：Dp＝150mm，Hp＝735mm；

4、将步骤2获得的尺寸为Φ150mm×735mm的TC17合金棒坯进行加热；

5、将步骤3获得的锻造模具进行预热；

6、将步骤4获得的热态棒坯放置于步骤5获得的热态模具中，在压机上将压头压入模套中，完成棒坯的增材锻造，制得尺寸为Φ目标饼坯，其中压头行程为785mm。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤一、根据所要制备的饼坯的尺寸计算原材料棒坯的体积V；

步骤二、选择原材料棒坯尺寸并下料：按步骤一获得的体积V下料，其中棒坯高度h和直径d满足高径比K_O≥4；

步骤三、制造锻造模具：包括模套(1)和压头(2)，所述模套(1)上部为用于限制棒坯的约束区，其内部型腔与棒坯尺寸适配；下部为棒坯充形区，其内部型腔与饼坯尺寸适配；该模具的结构尺寸为：

h1＝K·d，H＝h+d，D＝K_D·d·(h/h1)^0.5，D0＝K_D0·D，R＝K_R·D，其中K＝1.8～2.5，K_D＝1.02～1.1，K_D0＝1.5～3，K_R＝0.2～0.5；

所述压头的结构尺寸为：Hp＝h；压头(2)与模套(1)约束段滑动配合；

其中，h1为棒坯充形区模套高度、H为棒坯充形区加约束区模套总高度、D为棒坯充形区模套内腔直径、D0为模套外径、R为模套充形区内腔过渡圆角的半径；Hp为压头高度；d为棒坯直径、h为棒坯高度；

步骤四、将步骤二获得的棒坯进行加热；

步骤五、将步骤四获得的热态棒坯放置于模具中，在压机上将压头(2)压入模套(1)中，完成棒坯的增材锻造，制得目标饼坯，其中压头行程为h-h1；

所述增材锻造是指：通过模具充形区与约束区的分段设计，使大高径比棒坯的上段置于模具的约束区充当自身下段变形的压头，下段置于模具的充形区进行稳定可控地变形，并随着变形的推进，上段压头以微分的形式逐步缩短，增进到下段变形区，使变形区的体积逐步增加；在约束段向充形段的逐步推进过程中，完成了变形区的增材，最终实现了整支大高径比棒坯向小高径比饼坯转变的体积变形。

2.根据权利要求1所述的钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：步骤一中所述棒坯的体积V根据以下公式确定：

V＝K_V·v；其中，v为饼坯体积，V为所需棒坯的体积，K_V＝1.01～1.06。

3.根据权利要求1所述的钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：所述步骤五之前还包括对锻造模具进行预热的步骤。

4.根据权利要求1所述的钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：所述压头(2)尺寸满足如下条件：

Dp＝d；Dp为压头直径。

5.根据权利要求1所述的钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：所述棒坯约束区的尺寸满足如下条件：

d0＝K_d0·d，K_d0＝1.02～1.1；d0为棒坯约束区模套内腔直径。

6.根据权利要求1所述的钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：所述模套(1)约束区入口处进行倒角设计。

7.根据权利要求6所述的钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：所述倒角30°～60°，深度8～15mm。

8.根据权利要求7所述的钛合金饼坯的增材锻造制备方法，其特征在于：所述倒角45°，深度10mm。

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