专利名称：：钛合金β锻造工艺参数优化方法
技术领域：
：本发明是钛合金P锻造工艺参数优化方法，属材料科学
技术领域：
。技术背景近a型和a—P型钛合金因热变形工艺不同可以获得四种类型显微组织，其中实际应用最多的锻件是双态组织。网篮组织与双态组织比较，具有更优良的综合性能，其断裂韧度、疲劳裂纹扩展抗力、疲劳强度和蠕变抗力高，大大提高构件的使用寿命，对设计人员有巨大的吸引力。但网篮组织长期以来未被锻件的使用者所接受，主要是因为一旦工艺优化不好，会显著降低锻件的塑性。解决网篮组织的塑性问题一直是钛合金P锻造的一大难题。为了能更好地优化钛合金g锻造工艺参数，曾有过许多关于工艺参数一组织一性能之间关系的报道，例如加热温度、加热时间与P晶粒直径的关系；组织参数D、d、b值与力学性能的定量关系研究，并给出了它们之间的经验公式。但是尚未看到3锻造工艺参数一组织参数一力学性能三者之间的定量关系研究。主要原因可能是组织参数的测试误差较大。
发明内容本发明是根据现有技术工艺状况的需要而设计提供了一种钛合金0锻造工艺参数优化方法，其目的是直接建立3锻造工艺参数与力学性能之间的定量关系，这种定量关系不仅能够优化工艺参数，获得高塑性的网篮组织，而且可以根据设计需要的不同性能指标要求，优化不同的、最佳的e锻造工艺参数，从而更简便、准确、有效地控制P锻造工艺，正确地指导高质量钛合金模锻件的实际生产。本发明技术方案是通过以下措施来实现的该种钛合金P锻造工艺参数优化方法，其特征在于该方法提出了一个经验公式4=1/29十8ri式中；是P锻综合参数，6的物理意义代表^晶粒平均直径D，D与^之间呈线性关系；3锻温度e二T—Te，T是e区加热温度，Te是P相变点温度；加热系数n二t/S，t是e区加热时间，S为坯料厚度；在一定的变形量下(e=10%60%),P锻综合参数C与锻件的断面收縮率V和锻件的冲击韧性aKu均呈线性定量关系；4与锻件的断裂韧度Ku:具有峰值定量关系，根据设计要求的锻件不同力学性能指标，通过上述定量关系的优化组合，获得最佳的模锻工艺窗口，确定p锻造工艺参数e和i]。该优化方法及其经验公式；=1/29+8ri适用的钛合金类型为近a型钛合金、a—P型钛合金和近P型钛合金。上述定量关系的获得是采用分段加热的P锻造工艺实现的，其工艺过程是钛合金坯料在电阻炉中预热，预热温度为P相变点(T》以下2040°C，预热时间随坯料厚度而增加。将预热保温后的坯料随炉升温至P相变点以上温度加热后锻造。采用分段加热的P锻造工艺来获得定量关系是因为以往的P锻造多采用将坯料直接在P区加热的方法。这种加热方法有两个缺点。一是在P区的加热时间长，使晶粒过分长大；二是加热坯料的外部在P区的加热时间比内部要长很多，造成内外部P晶粒尺寸的差异以及组织和力学性能的差别。坯料的截面越大，差别也越大，尤其是对大型锻件的均匀性影响更大。采用在a+P区与e区相结合的分段加热方法，而且主要是在a+P区预热，然后快速升温至e区加热，则可大大縮短在P区的加热时间，获得细小的、均匀的P晶粒尺寸和均匀的力学性能。图1是本发明方法实施例1中钛合金试验模锻件的力学性能和晶粒平均直径D与P锻综合参数S的关系图，图中百分数表示变形量。图2是本发明方法实施例2中钛合金生产模锻件的断面收縮率ur与e锻综合参数；的关系图，图中虚线表示95%置信度区间。具体实施方式以下将结合应用实例对本发明作进一步地详述实施例1给定Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-lFe钛合金模锻件设计指标为ob》1080MPa，ur》20%，aKU>25J/cm2，KI(;>60MPaV^，确定其分段加热0锻造工艺参数。Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-lFe是高钼当量a—P型钛合金，其e相变点为87(TC左右。引入P锻工艺参数e和ri。P锻温度e表示P区加热温度T(。C)与P相变点Te(°C)的温度差，即e二T一Tp;加热系数q表示P区加热时间t(min)与坯料厚度S(100mm)的比值，gpil=t/S。变形量用e(%)表示。首先通过工艺试验建立P锻造工艺参数与V、aKU、KK的定量关系。工艺试验用坯料厚度lOOmm，模锻变形量取值10%、35%、60%。在III类炉，即有效工作区最大温度偏差不大于士10。C的电阻炉中对坯料加热，并采用可控硅控温，控温精度士2。C。坯料在炉温到达预热温度后装炉，摆放在有效工作区内。首先在Te—3(TC预热60min，然后升至P区不同温度加热并模锻，第二火模锻在a+P区进行。锻件经过820°C/2h,炉冷至750'C/2h，风冷+62(TC/4h，空冷的双重退火。选用不同的P锻工艺参数(e、ii)得到4个试验模锻件。P锻工艺参数与相应的力学性能列于表l。表1Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-lFe钛合金试验模锻件室温力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>注数据为3个试样平均值。通过对各种数学模型的计算，找到了经验公式c=1/2e+8n来表示e和ri的综合作用，称之为P锻综合参数。C与V、aKu均呈简单的线性关系，见回归方程式(1)(6)和图l;4与KK:呈峰值关系。=10%V(%)=51.1476-1.8597CR2=0.9961(1)=35%V(%)=49.0204-1.28414R2=0.9976(2)=60%V(%)=50.6775-1.01994R2=0.9945(3)=10%aKU(J/cm2)=42.9381-0.36224R2=0.8982(4)=35%aKU(J/cm2)=52.0953-0.42414R2=0.8481(5)=60%aKU(J/cm2)=50.7198-0.39564R2=0.9502(6)由图1可见，随C的增加，V和^值均呈线性下降。变形量e越小，V值越小，而且V—;直线的斜率(绝对值)越大，说明随变形量的减小，4对V值的影响越大。3ku与e的关系要复杂一些，小变形10%的aKU值最小，中变形35%的aKu值最大，大变形60%的aKu值介于二者之中，但aKu—6直线的斜率相近，三条直线几乎是平行的。从图1上还看到，KIC与C之间并没有简单的线性关系，而是具有峰值关系。在C增加到12左右时，Kn;达到最大值。原因是网篮组织的e晶粒和a集群尺寸增加到一定程度，使裂纹扩展的曲折程度和路径达到最大值，P晶粒和a集群尺寸再增大，裂纹扩展路径反而下降。KK值随变形量e的增加而下降，e为10%35%范围的Kk;僮比35%60%范围的下降速度慢。这些规律表明，所建立的经验公式4二1/29+8n很好地揭示了e、H与V、aKU、KK之间的相互关系，达到了用1个参数C替代2个参数9、n的目的，从而使得ur—；、aKu—S和KK一^关系非常简单。实际上4的物理意义代表P晶粒平均直径，这一点从图1中晶粒直径D与C的线性关系即可说明。因此也就容易理解变形量e越小，；值所代表的e晶粒直径对W值的影响越大。实施例1大型模锻件工艺参数的确定可以按以下步骤进行A.由表1确定，ob随C和e的变化不大，在1119114曹a范围，均满足1080MPa的要求，工艺参数不限定。B.由图1判断，v和8ku均随；值增加而下降，而KK则与6具有峰值关系，为了获得三者较高的综合力学性能，6值为6~11的范围较为合适。C.根据锻件的实际变形量e确定S值。大型模锻件的变形量e大约为10%15%，宜选取稍小的4值。D.确定分段加热P锻造工艺参数P锻温度e二5'C;e区加热时间55min，加热系数il为0.55，由经验公式4=1/29+81^计算的6值为6.9。E.验证结果以变形量e=10%和4二6.9推算的力学性能为:nr=38.3%，aKU=40.4J/cm2，Kn;约88MPa^。大型模锻件的实测性能为ob=1128MPa，S5=14.5%，W=35.6%，aKU=40.7J/cm2,KIC=79.8MPa^(C—L方向)。这一结果表明，实测值与计算值比较吻合，V和aKu的误差很小，KK的误差稍大一些，可能与取样方向不完全一致有关。应用实例2:给定Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si钛合金模锻件设计指标为Ob^980MPa，ur>25%，确定其分段加热P锻造工艺参数。Ti-6A1-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si是高铝当量a—p型钛合金，其e相变点为97crc左右。首先采用分段加热e锻造进行了不同工艺参数试验。锻件经800°C/2h，空冷的普通退火。对该合金的研究结果表明，经验公式；=1/2e+8q同样适用。9个模锻件试验结果同样得到了￥_;线性回归方程式(7)，其相关系数R2为0.9873，见图2。这一结果进一步说明经验公式4=1/29+8iT具有普遍意义。由方程(7)及其标准差S二1.2955计算出具有95。/。置信度的上、下限方程式(8)、(9)。V(%)=54.9141—3.56064(7)上限方程式V(%)=57.4534—3.56064(8)下限方程式￥(%)=52.3748—3.5606;(9)实施例2的工艺参数的确定可以按以下步骤进行A.ob随6的变化不大，而且均满足980MPa的要求，工艺参数不限定。8.将指标￥>25%代入95%置信度下限方程式(9)计算出〖《7.69。C.根据P区加热时，最后一件的加热时间为40min，则加热系数il计算为0.40。D.将；《7.69和n=o.40代入经验公式c=1/2e+8ii，计算出e《9.o。c。E.确定分段加热e锻造工艺参数6锻温度9=5°<:;加热系数il二0.40，加热最长时间40min。权利要求1.钛合金β锻造工艺参数优化方法，其特征在于该方法提出了一个经验公式ζ＝1/2θ+8η式中ζ是β锻综合参数，ζ的物理意义代表β晶粒平均直径D，D与ζ之间呈线性关系；β锻温度θ＝T-Tβ，T是β区加热温度，Tβ是β相变点温度；加热系数η＝t/δ，t是β区加热时间，δ为坯料厚度；在一定的变形量下，β锻综合参数ζ与锻件的断面收缩率ψ和锻件的冲击韧性aKU均呈线性定量关系；ζ与锻件的断裂韧度KIC具有峰值定量关系，根据设计要求的锻件不同力学性能指标，通过上述定量关系的优化组合，获得最佳的模锻工艺窗口，确定β锻造工艺参数θ和η。2.根据权利要求l所述的钛合金e锻造工艺参数优化方法，其特征在于该优化方法及其经验公式C=1/2e+8il适用的钛合金类型为近a型钛合金、a—0型钛合金和近3型钛合金。3.根据权利要求l所述的钛合金e锻造工艺参数优化方法，其特征在于上述变形量在试验模锻件上同时取值10%、35%、60%,坯料厚度取值是100mm。4..根据权利要求l所述的钛合金e锻造工艺参数优化方法，其特征在于上述定量关系的获得是采用分段加热的e锻造工艺实现的，其工艺过程是钛合金坯料在电阻炉中预热，预热温度为e相变点(Te)以下2040'C，预热时间随坯料厚度而增加。将预热保温后的坯料随炉升温至P相变点以上温度加热后锻造。全文摘要本发明是钛合金β锻造工艺参数优化方法，该方法提出了一个经验公式ζ＝1/2θ+8η，式中ζ是β锻综合参数，ζ的物理意义代表β晶粒平均直径D，D与ζ之间呈线性关系；β锻温度θ＝T-T<sub>β</sub>，T是β区加热温度，T<sub>β</sub>是β相变点温度；加热系数η＝t/δ，t是β区加热时间，δ为坯料厚度；在一定的变形量下，β锻综合参数ζ与锻件的断面收缩率ψ和锻件的冲击韧性a<sub>KU</sub>均呈线性定量关系；ζ与锻件的断裂韧度K<sub>IC</sub>具有峰值定量关系。根据设计要求的锻件不同力学性能指标，通过上述定量关系的优化组合，获得最佳的模锻工艺窗口，确定分段加热的β锻造工艺参数θ和η，正确指导锻件的实际生产。该方法及其经验公式ζ＝1/2θ+8η适用于近α型、α-β型和近β型各种钛合金。文档编号C22F1/18GK101270461SQ20081009752公开日2008年9月24日申请日期2008年5月12日优先权日2008年5月12日发明者储俊鹏,菁曾,李兴无,李建华,沙爱学,熊运森,王庆如,静谢申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院;中国第二重型机械集团(德阳)万航模锻厂