两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法

摘要

本发明公开了一种两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法，其工艺为：加热合金一次棒锭到相变点以下30℃～75℃，镦粗成一次圆饼；加热一次圆饼到相变点以上20℃～60℃，拔长回到一次棒锭的长度得到二次棒锭；加热二次棒锭到相变点以下30℃～75℃，镦粗成二次圆饼后冲孔成环坯料；加热环坯料到相变点以上20℃～60℃，加热上、下锻模到相变点以下10℃～20℃，上、下锻模以30MN～60MN的压力锻压环坯料使其以0.001s-1～0.01s-1的应变速率在锻模内变形量达30％～50％后一火成形为盘形锻件，锻后热处理。若该钛合金是TC17，锻后采用固溶+时效处理；若该钛合金是BT25，锻后采用两次退火处理。采用该方法可以使锻造的盘形锻件在热处理后具有较理想的网蓝组织和高性能，适用于制造航空发动机的压气机盘和涡轮盘等锻件。

权利要求

1.一种两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法，其特征在于，包括以下步骤：

把钛合金棒材按规格下料成一次棒锭，加热该棒锭到合金相变点以下30℃～75℃，按该棒锭厚度0.8～1min/mm保温后，再把该棒锭镦粗使其长度为原来的50％～60％后得到一次圆饼，锻后水冷处理；

加热所述一次圆饼到相变点以上20℃～60℃，按饼厚0.8～1min/mm保温后，再拔长回到所述一次棒锭的长度得到二次棒锭；

加热所述二次棒锭到相变点以下30℃～75℃，按该棒锭厚度0.8～1min/mm保温后，再把该棒锭镦粗使其长度为原来的50％～60％后得到二次圆饼，该圆饼趁热冲出中心孔得到环坯料，锻后水冷处理；

加热所述环坯料到相变点以上20℃～60℃，按该坯料壁厚0.5～0.8min/mm保温；加热上、下锻模到相变点以下10℃～20℃后把所述环坯料装进锻模，上、下锻模以30MN～-1 -1

60MN的压力锻压环坯料使其以0.001s ～0.01s 的应变速率在锻模内变形量达30％～

50％后一火成形为盘形锻件，锻后热处理。

2.按照权利要求1所述的两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法，其特征在于：所述钛合金是牌号为TC17的钛合金，其锻后热处理是把盘形锻件加热到800℃±10℃，保温4h后放进水中迅速冷却后再加热到630±10℃，保温8h后进行空冷。

3.按照权利要求1所述的两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法，其特征在于：所述钛合金是牌号为BT25的钛合金，其锻后热处理是把盘形锻件加热到988℃±10℃，保温3h进行分散空冷后再加热到555℃±5℃，保温7h后进行分散空冷。

4.按照权利要求1所述的两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法，其特征在于：所述环坯料在加热装模前先预热到200℃～300℃后在其表面喷涂有润滑剂；所述上、下锻模在所述环坯料装模前在锻模表面喷涂有润滑剂。

说明书

两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种钛合金锻件的锻造方法，特别是两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法。

背景技术

[0002] 航空发动机的压气机盘、涡轮盘等盘件由于工作环境恶劣，受力复杂，往往采用综合性能优异的α+β型两相钛合金例如TC17、BT25等材料锻造成形。采用α+β型两项钛合金锻造的盘件具有高强度，断裂韧度好、淬透性高和锻造温度范围宽等一系列优点，能够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，而这些优异的综合性能须靠理想的锻件微观组织来保证。

[0003] 在两相钛合金的锻造方法方面，2003年3月19日公开的中国发明专利说明书CN1403622A公开了一种钛合金准β锻造工艺，采用该工艺对α+β型两相钛合金进行准β锻时，是把钛合金坯料加热到β相变点温度附近的区域，即相变点温度以下10℃至相变点温度以上10℃的范围进行锻造的，在这一区域加热时，由于坯料在出炉后的降温，锻件的变形实际上是在α+β区进行的，虽然采用该方法可以获得高塑性的α相网蓝组织，但该网蓝组织的初生α相仍然在15％以内，而且该专利说书只是笼统地提到可以获得网蓝编织的集束状α相，没有给出具体的网蓝组织金相图，采用该方法生产的α+β型两相钛合金所获得的网蓝组织并不是较理想的组织。对于α+β型两相钛合金的锻造而言，要想获得较理想的网蓝组织和各项性能较好的锻件，除了坯料的加热温度之外，其他工艺参数的制定，如坯料在锻造过程中的模具温度、变形量、应变速率等都会对锻件的最终组织和性能产生影响。

[0004] 在近等温锻造方法方面，2007年9月19日公开的中国发明专利说明书CN101036931A公开了一种GH4169合金盘形锻件在空气中的近等温锻造方法，该方法采用镦粗+拔长+再加热镦粗+冲孔+再加热辗轧先制取该合金细晶环坯料，然后再把细晶环坯料装进锻模内并把锻模与环坯料的温差控制在30℃～55℃之 间来实现了该合金的近等温锻成形，获得了晶粒细小和强度较高的该合金盘形锻件。该方法披露了一种高温合金的近等温锻造方法，其一些工艺步骤可适用于本发明所述的两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法，但由于高温合金与钛合金属于两种不同的金属材料领域，因此，在采用高温合金与钛合金对盘形锻件进行近等温锻造成形时，两种合金的锻造方法有着本质的区别。 发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种使用均匀细小的双态组织的环坯料来实现两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法，采用该方法可以使锻造的盘形锻件在热处理后具有较理想的网蓝组织和高性能。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法是采用以下技术方案来实现的：

[0007] 把钛合金棒材按规格下料成一次棒锭，加热该棒锭到合金相变点以下30℃～75℃，按该棒锭厚度0.8～1min/mm保温后，再把该棒锭镦粗使其长度为原来的50％～
60％后得到一次圆饼，锻后水冷处理；

[0008] 加热所述一次圆饼到相变点以上20℃～60℃，按饼厚0.8～1min/mm保温后，再拔长回到所述一次棒锭的长度得到二次棒锭；

[0009] 加热所述二次棒锭到相变点以下30℃～75℃，按该棒锭厚度0.8～1min/mm保温后，再把该棒锭镦粗使其长度为原来的50％～60％后得到二次圆饼，该圆饼乘热冲出中心孔得到环坯料，锻后水冷处理；

[0010] 加热所述环坯料到相交点以上20℃～60℃，按该坯料壁厚0.5～0.8min/mm保温；加热上、下锻模到相变点以下10℃～20℃后把所述环坯料装进锻模，上、下锻模以-1 -130MN～60MN的压力锻压环坯料使其以0.001s ～0.01s 的应变速率在锻模内变形量达
30％～50％后一火成形为盘形锻件，锻后热处理。

[0011] 上述钛合金可以是牌号为TC17的钛合金，其锻后热处理是把盘形锻件加热到800℃±10℃，保温4h后放进水中迅速冷却后再加热到630±10℃，保温8h后进行空冷。 [0012] 上述钛合金也可以是牌号为BT25的钛合金，其锻后热处理是把盘形锻件加 热到
988℃±10℃，保温3h进行分散空冷后再加热到555℃±5℃，保温7h后进行分散空冷。 [0013] 为方便取模，所述环坯料在加热装模前可以先预热到200℃～300℃后在其表面喷涂润滑剂，所述上、下锻模在所述环坯料装模前可以在锻模表面喷涂润滑剂。 [0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0015] 本发明采用“低-高-低”工艺制坯，即把合金棒锭加热到相变点以下30℃～75℃，镦粗；再加热到相变点以上20℃～60℃，拔长；再加热到相变点以下30℃～75℃，镦粗冲孔后得到环坯料。“低-高-低”工艺制成的环坯料组织较均匀细小，α呈等轴化分布，为后续近等温锻盘形锻件获得网蓝组织打下了基础，这是因为在高温区锻后环坯料内部水冷α针的长大被抑制，在随后的热处理中，由于畸变能的作用，使α针被球化。制坯时坯料加热温度在相变点以上20℃～60℃，该温度充分弥补了坯料的相变点误差和加热炉的检测误差，确保各部分坯料的加热温度均在相变点以上，并且该温度又确保了相变点以上加热所生成的β晶粒再结晶充分，β晶粒的尺寸适宜，各β晶粒的大小均匀一致，为下一步近等温锻做好了准备。

[0016] 把环坯料加热到相变点以上20℃～60℃，把锻模加热到相变点以下10℃～20℃-1后，使环坯料在锻模内与锻模之间的温差在30℃～80℃的范围内、应变速率在0.001s ～-1
0.01s 范围内、变形量控制在30％～50％范围内并实现一火锻造成盘形锻件，是为了确保近等温锻过程中环坯料有一部分变形在两相区内进行，破碎晶界α防止完整的β晶界存在，得到网篮状组织；同时较低的模具温度相对拓宽了模具选材范围、降低了模具成本，并有利于提高模具寿命；采用较快的应变速率是为了将大部分变形集中在β区进行，只留小部分(20％～30％)变形在α+β区进行，从而获得最佳的断裂韧性和塑性的匹配，提高盘件的裂纹扩展速率，充分满足损伤容限设计的需要。锻件经热处理后获得了较理想的网蓝组织。

[0017] 经检测采用TC17钛合金材料制造的盘形锻件的室温拉伸性能，其抗拉强度为1250MPa～1260MPa(大于设计使用要求的1120MPa)，其伸长率为0.2％时 的屈服强度为
1200MPa～1210MPa(大于设计使用要求的1030MPa)，断后伸长率为12％～14％(大于设计使用要求的5％)，断面收缩率为26％(大于设计使用要求的10％)，断裂韧性为72Mpa.
1 1
m/2(大于设计使用要求的54.9Mpa.m/2)。

[0018] 经检测采用BT25钛合金材料制造的盘形锻件的室温拉伸性能，其抗拉强度为1050MPa～1060MPa(大于设计使用要求的980MPa)，断后伸长率为8％～9％(大于设计使用要求的7％)，断面收缩率为16％～23％(大于设计使用要求的15％)，冲击功为48.9～
2 2
52.7J/cm(大于设计使用要求的29.4J/cm)。

附图说明

[0019] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0020] 图1是两相钛合金环坯料的制坯方法工艺流程图。

[0021] 图2是采用图1所示的环坯料近等温锻造成盘形锻件的工艺流程图。 [0022] 图3是采用TC17钛合金材料制成的环坯料沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图。

[0023] 图4是采用TC17钛合金材料近等温锻造的盘形锻件沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图。

[0024] 图5是采用BT25钛合金材料制成的环坯料沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图。

[0025] 图6是采用BT25钛合金材料近等温锻造的盘形锻件沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图。

具体实施方式

[0026] α+β型两相钛合金，例如：

[0027] 中国材料牌号为TC17的钛合金，其主要化学元素含量(重量百分比)为：含Al量4.50％～5.50％、含Sn量1.60％～2.40％、含Zr量1.60％～2.40％、含Mo量3.50％～
4.50％、含Cr量3.50％～4.50％、含Fe量≤0.30％、含C量≤0.05％、含N量≤0.05％、含H量≤0.0125％、含O量≤0.13％、余量为Ti。

[0028] 俄罗斯材料牌号为BT25的钛合金，其主要化学元素含量(重量百分比)为；含Al量6.20％～7.20％、含Mo量1.50％～2.50％、含Zr量0.80％～2.50％、含Sn量0.80％～2.50％、含W量0.50％～1.50％、含Si量0.10％～0.25％、含Fe量≤0.15％、含C量≤0.10％、含O量≤0.15％、含N量≤0.04％、含H量≤0.012％、含Cu量≤0.10％、含Cr量≤0.10％、余量为Ti。

[0029] 下面给出了两相钛合金的近等温锻造方法工艺步骤：

[0030] 步骤1：如图1所示，把钛合金圆形棒材按锻件规格下料成一次棒锭1，再把一次棒锭1放到锻造加热炉内加热到钛合金相变点以下30℃～75℃，然后保温，保温时间按一次棒锭厚度0.8～1min/mm计算。

[0031] 步骤2：把一次棒锭1从锻造加热炉内取出，放到锻压机上镦粗成一次圆饼2，所述一次圆饼2的厚度是一次棒锭1长度的50％～60％，锻后立即在水中冷却。 [0032] 步骤3：把上述一次圆饼2放到锻造加热炉内加热到钛合金相变点以上20℃～60℃，保温，保温时间按一次圆饼厚度0.8～1min/mm计算。

[0033] 步骤4：从锻造加热炉内取出上述一次圆饼2，放到锻压机上再拔长回到一次棒锭1的长度得到二次棒锭3。

[0034] 步骤5：把二次棒锭3放到锻造加热炉内加热到钛合金相变点以下30℃～75℃，然后保温，保温时间按二次棒锭厚度0.8～1min/mm计算。

[0035] 步骤6：把二次棒锭3从锻造加热炉内取出，放到锻压机上镦粗成二次圆饼4，所述二次圆饼4的厚度是二次棒锭3长度的50％～60％，乘热用冲头冲出二次圆饼4的中心孔得到环坯料5，制坯过程结束，锻后立即在循环水中冷却。

[0036] 步骤7：如图2所示，为方便后续锻件取模，可以先把环坯料5预热到200℃～300℃后在其表面喷涂润滑剂，再把该坯料加热到钛合金相变点以上20℃～60℃，保温，保温时间按该坯料壁厚0.5～0.8min/mm计算。

[0037] 步骤8：把上锻模6和下锻模7加热到钛合金相变点以下10℃～20℃，并在其表面喷涂润滑剂以方便取模，加热时可以通过安装在锻压机上的环形加热炉9进行加热，再把经步骤7加热后的环坯料5装进锻模，通过锻压机施加30MN～60MN的压力使上锻模6和下锻模7合模并一火次把环坯料5锻压成盘形锻件8，近等温锻过程结束。环坯料5在锻模6和7内锻压成盘形锻件8的变形 量为30％～50％，环坯料5在锻压过程中的锻造应-1 -1变速率为0.001s ～0.01s 。

[0038] 所述变形量的计算方法为：变形量＝[(环坯料5沿中心线的纵截面面积-盘形锻件8沿中心线的纵截面面积)/环坯料5沿中心线的纵截面面积]×100％。

[0039] 步骤9：锻后盘形锻件8进行热处理。①对于TC17钛合金，经固溶+时效处理，其中固溶处理是把盘形锻件8加热到800℃±10℃，保温4h后放进水中迅速冷却(水淬)；时效处理是把固溶处理后的盘形锻件8加热到630±10℃，保温8h后进行空冷。②对于BT25钛合金，经两次退火处理，其中第一次退火是把盘形锻件8加热到988℃±10℃，保温3h后进行分散空冷；第二次退火是把盘形锻件8加热到555℃±5℃，保温7h后进行分散空冷。 [0040] 上述锻造过程中，始锻温度为各步骤的加热温度，终锻温度≥750℃。 [0041] 在采用TC17钛合金材料进行锻造时，经检测，其相变点为895℃。 [0042] 图3为采用TC17钛合金材料按上述步骤1～步骤6获得的环坯料5沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图(显微镜下放大500倍)，其组织为均匀细小的双态组织，α呈等轴化分布。

[0043] 图4为采用TC17钛合金材料按上述步骤1～步骤9获得的盘形锻件8沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图(显微镜下放大500倍)，其组织为在β晶界破碎的编织良好的内部针状α相网兰组织，从图中可以看出，单个针状α相的长宽比＞10，而且几乎无初生α相。

[0044] 经检测采用TC17钛合金材料制造的上述盘形锻件8的室温拉伸性能，其抗拉强度为1250MPa～1260MPa，其伸长率为0.2％时的屈服强度为1200MPa～1210MPa，断后伸长率1
为12％～14％，断面收缩率为26％，断裂韧性为72Mpa.m /2，布氏硬度HB(d)＝3.21mm。 [0045] 在采用BT25钛合金材料进行锻造时，经检测其相变点为1010℃。 [0046] 图5为采用BT25钛合金材料按上述步骤1～步骤6获得的环坯料5沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图(显微镜下放大500倍)，从图中可以看出，环坯料5的组织为均匀细小的双态组织，α呈等轴化分布。

[0047] 图6为采用BT25钛合金材料按上述步骤1～步骤9获得的盘形锻件8沿中心线剖开的纵截面中间位置处的金相组织图(显微镜下放大500倍)，其组织为 在β晶界破碎的编织良好的内部针状α相网兰组织，从图中可以看出，单个针状α相的长宽比＞10，而且几乎无初生α相。

[0048] 经检测采用BT25钛合金材料制造的上述盘形锻件8的室温拉伸性能，其抗拉强度为1050MPa～1060MPa，断后伸长率为8％～9％，断面收缩率为16％～23％，冲击功为2
48.9～52.7J/cm，布氏硬度HB(d)＝3.4mm。