钛合金环形件等轴晶锻造成形方法
【专利摘要】本发明公开了一种钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其步骤为：先在1150～1200℃温度内对钛合金铸锭进行总变形量为70％～80％的开坯锻造；再根据环件重量，将开坯后的钛合金下料成所需尺寸的坯料；将钛合金坯料加热到相变点以上50～100℃，经三镦三拔后，总变形量为80％以上的一次改锻；在相变点以下10～50℃，经三镦三拔后，总变形量为80％以上的二次改锻；在相变点以下30℃制坯、成形；采用完全退火热处理。该方法生产的钛合金环形件能够满足航空发动机环形件在高速旋转下的抗疲劳性要求、损伤容限设计的需要和高结构、高可靠性及低制造成本的要求。该方法主要用于航空发动机环形件的制造领域。
【专利说明】钛合金环形件等轴晶锻造成形方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钛合金环形件锻造成形方法，特别是涉及了钛合金环形件等轴晶锻造成形方法。
【背景技术】
[0002]航空发动机所用环形件，由于工作环境恶劣，受力复杂，往往采用综合性能优良的α+β两相钛合金，如TC4等材料锻造成形。TC4钛合金环形件的α+β两相等轴组织的疲劳强度、塑性要比魏氏组织和网篮组织好，其断裂韧性、高温性能要比双态组织好，它既能满足航空发动机环形件在高速旋转下的抗疲劳性要求，又能满足损伤容限设计的需要和高结构、高可靠性及低制造成本的要求。
[0003]2010年01月27日公开的中国发明专利说明书CN100584482C公开了一种钛合金异形环锻件的辗轧成形方法，该方法成形的步骤为:合金棒料加热到相变点以下30°C后经镦粗变形65 %?70 %制成实心圆饼再冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30 %?35 %后制成空心圆饼；空心圆饼经加热被环轧变形25%?30%后得到矩形环坯，矩形环坯经加热再次被环轧变形25%?30%后得到矩形预轧坯；预轧坯经加热装进轧环机辗轧模具并在该模具的异形孔型内被辗轧变形40%?45%后成形为异形环锻件。采用上述方法锻造成形的钛合金环形件，其内部组织为魏氏组织，好一点的也是网篮组织，与设计要求的α+β两相等轴组织具有一定差距。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种采用改锻后获得具有α+β两相等轴组织钛合金坯料，来实现钛合金环形件锻造成形。该方法能够获得具有α+β两相等轴组织的钛合金环形件。
[0005]为解决上述技术问题，本发明所述钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其技术方案包括以下步骤:
[0006](I)将钛合金铸锭加热至1150?1200°C保温一段时间，确保钛合金铸锭内外温度均匀一致。利用压力机上对钛合金铸锭进行锻造开坯制成棒材，总变形量为70%?80% ；
[0007](2)根据钛合金环形件的重量，确定所需棒材的长度，并按照该长度将开坯后的钛合金棒材切割成所需坯料；
[0008](3)将钛合金坯料加热至α+β/β相变点以上50?100°C保温，热透后，在自由锻锤上对其进行一次改锻，该过程为三镦三拔，其总变形量为80%以上；
[0009](4)将钛合金坯料加热至α + β / β相变点以下10?50°C保温，热透后，在自由锻锤上进行二次改锻，该过程为三镦三拔，其总变形量为80%以上；
[0010](5)将钛合金坯料加热至α+β/β相变点以下30°C保温，热透后，在自由锻锤上经一镦一拔后再镦粗成饼坯，采用冲头对饼坯进行冲孔，获得钛合金环坯，并将钛合金环坯内孔上的裂纹及缺陷修磨干净，该过程总变形量为40%以上；
[0011](6)将环坯加热至α+β/β相变点以下30°C保温，热透后，上环轧机轧制成形，获得钛合金环形件；
[0012](7)采用完全退火热处理，将钛合金环件加热至α+β/β相变点温度985°C以下120?200°C保温90分钟，空冷。
[0013]所述钛合金的α + β / β相变点温度为985°C。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:
[0015]本发明所述的钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其所采用的钛合金铸锭开坯温度为1150?1200°C，该温度区间为β单相区，通过β晶粒连续动态再结晶使钛合金铸锭中原始铸态组织完全破碎成具有较好的工艺塑性的锻态组织。本发明采用锻前采用了两次改锻，一次改锻是在α + β / β相变点985°C以上50?100°C温度进行，使钛合金材料中的化合物充分溶解，同时，确保了 α相向β相的转变，所生成的β晶粒分布均匀、大小尺寸适宜；二次改锻是在α + β/β相变点985°C以下10?50°C温度进行锻造，其总变形量为80%以上，能够将初生α相控制在15%?50%，从而既保证了锻件室温拉伸塑性和疲劳性能，又保证了高温持久、蠕变和断裂韧性；而且此温度下，β晶粒的动态再结晶来不及进行或者不充分，合金内部α相和β相转变为等轴状组织，呈等轴化均匀分布，为后续锻造成形过程中获得具有α+β两相等轴组织的钛合金环形件作准备。
[0016]以牌号为TC4的钛合金为例:
[0017]采用本发明获得的钛合金锻件，经检测，其室温拉伸性能为:抗拉强度为1020?1050MPa(大于设计使用要求的930MPa)、屈服强度为925?975MPa (大于设计使用要求的860MPa)、延伸率为14%?16% (大于设计使用要求的10% )、端面收缩率为38%?42%(大于设计使用要求的25%)。
[0018]采用本发明获得的钛合金锻件，经检测，其400°C的拉伸性能为:抗拉强度为785?820MPa(大于设计使用要求的615MPa)、延伸率为18%?22% (大于设计使用要求的12% )、端面收缩率为55%?63% (大于设计使用要求的40% )、持久强度为710MPa?725MPa(大于设计使用要求的570MPa)。
【具体实施方式】
[0019]实施本发明钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，需要提供锻造高温加热炉、压力机、机械手、环轧机等设备。下面以我国材料牌号为TC4的两相钛合金为例来详细说明该方法的【具体实施方式】:
[0020]该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为:含Al量5.5%?6.8%、含V量
3.5%?4.5%、含Fe量彡0.30%、含C量彡0.10%、含N量彡0.05%、含H量彡0.015%,含O量< 0.20%、其他元素单个< 0.10%且总和< 0.40%、余量为Ti。
[0021]该合金的开坯工艺步骤如下:
[0022]将钛合金铸锭加热至1180°C保温一段时间，确保钛合金铸锭内外温度均匀一致。利用压力机上对钛合金铸锭进行锻造开坯制成棒材，总变形量为75%。根据钛合金环形件的重量，确定所需棒材的长度，并按照该长度将开坯后的钛合金棒材切割成所需坯料。将钛合金坯料加热至1050°C保温，热透后，在自由锻锤上对其进行一次改锻，该过程为三镦三拔，其总变形量为80 %以上。将钛合金坯料加热至970°C保温，热透后，在自由锻锤上进行二次改锻，该过程为三镦三拔，其总变形量为80%以上。将钛合金坯料加热至α+β/β相变点温度985°C以下30°C保温，热透后，在自由锻锤上经一镦一拔后再镦粗成饼坯，采用冲头对饼坯进行冲孔，获得钛合金环坯，并将钛合金环坯内孔上的裂纹及缺陷修磨干净。该过程总变形量为40%以上。将环坯加热至α+β/β相变点温度985°C以下30°C保温，热透后，上环轧机轧制成形，获得钛合金环形件。
[0023]采用完全退火热处理，将钛合金环件加热至780°C保温90分钟，空冷。
【权利要求】
1.一种钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将钛合金铸锭加热至1150?1200°C保温一段时间，确保钛合金铸锭内外温度均匀一致。利用压力机上对钛合金铸锭进行锻造开坯制成棒材，总变形量为70%?80% ； (2)根据钛合金环形件的重量，确定所需棒材的长度，并按照该长度将开坯后的钛合金棒材切割成所需坯料； (3)将钛合金坯料加热至α+β/β相变点以上50?100°C保温，热透后，在自由锻锤上对其进行一次改锻，该过程为三镦三拔，其总变形量为80%以上； (4)将钛合金坯料加热至α+β/β相变点以下10?50°C保温，热透后，在自由锻锤上进行二次改锻，该过程为三镦三拔，其总变形量为80%以上； (5)将钛合金坯料加热至α+β/β相变点以下30°C保温，热透后，在自由锻锤上经一镦一拔后再镦粗成饼坯，采用冲头对饼坯进行冲孔，获得钛合金环坯，并将钛合金环坯内孔上的裂纹及缺陷修磨干净，该过程总变形量为40%以上； (6)将环坯加热至α+β/β相变点以下30°C保温，热透后，上环轧机轧制成形，获得钛合金环形件； (7)采用完全退火热处理，将钛合金环件加热至α+β/β相变点以下120?200°C保温90分钟，空冷。
2.根据权利要求1所述的钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其特征在于，所述钛合金的α + β / β相变点温度为985°C。
3.根据权利要求1所述的钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其特征在于，所述步骤(I)开坯的加热温度为1180°C。
4.根据权利要求1所述的钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其特征在于，所述步骤(I)开坯的总变形量为75%。
5.根据权利要求1所述的钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其特征在于，所述步骤(3)—次改锻的加热温度为1050。
6.根据权利要求1所述的钛合金环形件等轴晶锻造成形方法，其特征在于，所述步骤(4)二次改锻的加热温度为970°C。
【文档编号】B21H1/06GK104139141SQ201410304718
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】叶俊青, 李艳英, 黎汝栋, 陈再鼎, 陈明, 田丰, 夏春林, 杜常鹏 申请人:贵州安大航空锻造有限责任公司