一种改善钛合金锻坯组织均匀性的铸锭开坯锻造工艺

摘要

本发明公开了一种改善钛合金大厚度规格锻坯组织均匀性的大型铸锭开坯锻造工艺。将钛合金首先分别在加热温度为1150℃和1100℃的条件下开坯锻造2火次，其次在加热温度为β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行1火次锻造，然后在加热温度为β相变点温度以上30℃～80℃的条件下进行1火次锻造，最后在温度为β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行2～5火次锻造，得到组织均匀的大型钛合金锻坯。该工艺适用于α型、α-β型或近β型钛合金大型铸锭开坯和锻坯锻造，以满足飞机制造所需的组织性能均匀性要求较高的钛合金大型锻件或零件的制造。

权利要求

1.一种改善钛合金锻坯组织均匀性的铸锭开坯锻造工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）将φ760mm～φ1020mm规格钛合金铸锭分别在加热温度为1150℃和1100℃的条件下开坯锻造各1火次，控制每火次锻比不小于1.2，每火次不超过两镦两拔，单次镦粗变形量为25%～35%，每锤压下变形量为3%～10%，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，终锻温度不低于850℃，得到开坯后的坯料；

（2）将步骤（1）中所述坯料在加热温度为钛合金β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行锻造1火次，控制锻比不小于1.5，镦拔次数不超过两次，单次镦粗变形量为30%～

65%，每锤压下变形量为5%～20%，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为

0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于820℃，得到锻坯；

（3）将步骤（2）中所述坯料在加热温度为钛合金β相变点温度以上30℃～80℃的条件下进行1火次锻造，控制每火次锻比不小于1.5，镦拔次数不超过两次，单次镦粗变形量为30%～50%，每锤压下变形量为5%～15%，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于830℃，得到锻坯；

（4）将步骤（3）中所述锻坯在加热温度为钛合金β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行2～5火次锻造，控制每火次锻比不小于1.5，每火次不超过两镦两拔，单次镦粗变形量为30%～65%，每锤压下变形量为5%～15%，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于820℃，得到组织均匀的锻坯。

说明书

一种改善钛合金锻坯组织均匀性的铸锭开坯锻造工艺

技术领域

[0001] 本发明属于锻造技术，涉及一种改善钛合金锻坯组织均匀性的铸锭开坯锻造工艺。

背景技术

[0002] 国内外大型飞机为了实现高减重、长寿命和高环境适应性等设计目标，要求飞机采用先进的耐久性/损伤容限设计方法来进一步降低飞机的重量、提高飞机的设计寿命。目前，国内外大型飞机大量采用损伤容限型钛合金及其大型整体构件，以满足高减重和长寿命的设计需要。美F-22飞机采用Ti-6Al-4V ELI(国内相似牌号TC4-DT)损伤容限钛合
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金制造大型整体主承力构件，其中大型整体承力隔框投影面积达5.53m，这些大型锻件需要组织均匀的大型坯料作为准备。

[0003] 目前，常规锻坯锻造工艺主要应用在4500吨、3150吨或更小吨位的快锻机设备上，锻造温度随着锻造火次的增加呈递减趋势。但随着飞机构件的不断大型化，需采用5000吨～10000吨快锻机，而在该类型的大型压力机设备下，传统的锻造工艺难以使整个大型锻坯的组织均匀化，低倍组织易出现组织不均匀等问题。图1是TC4-DT钛合金采用常规工艺锻造的锻件经准β热处理后的低倍不均匀组织。从图中可以看出，锻件中心区域为明显的亮带组织，没有明显晶粒，周边为粗大晶粒，外层为正常低倍组织，分布极不均匀。不同区域拉伸性能如表1所示，细晶区拉伸强度与正常区相比降低50～100MPa左右。因此，为了更好的保证大型锻坯的组织均匀性和批次稳定的要求，急需提出一种适合在4500吨级以上乃至10000吨级的快锻机上应用的能改善大型钛合金锻坯组织均匀性的锻造工艺。

[0004] 表1 TC4-DT钛合金锻件各区域拉伸性能

[0005]

发明内容

[0006] 本发明的目的是提出一种解决大型钛合金锻坯采用4500吨至10000吨级快锻机进行大型和特大型钛合金铸锭(铸锭规格φ760mm～φ1020mm)锻造获得组织均匀钛合金的锻造工艺。

[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0008] (1)将φ760mm～φ1020mm规格钛合金铸锭分别在加热温度为1150℃和1100℃的条件下开坯锻造各1火次，控制每火次锻比不小于1.2，每火次不超过两镦两拔，单次镦粗变形量为25％～35％，每锤压下变形量为3％～10％，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，终锻温度不低于850℃，得到开坯后的坯料；

[0009] (2)将步骤(1)中所述坯料在加热温度为钛合金β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行锻造1火次，控制锻比不小于1.5，镦拔次数不超过两次，单次镦粗变形量为30％～65％，每锤压下变形量为5％～20％，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于820℃，得到锻坯；

[0010] (3)将步骤(2)中所述坯料在加热温度为钛合金β相变点温度以上30℃～80℃的条件下进行1火次锻造，控制每火次锻比不小于1.5，镦拔次数不超过两次，单次镦粗变形量为30％～50％，每锤压下变形量为5％～15％，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于830℃，得到锻坯；

[0011] (4)将步骤(3)中所述锻坯在加热温度为钛合金β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行2～5火次锻造，控制每火次锻比不小于1.5，每火次不超过两镦两拔，单次镦粗变形量为30％～65％，每锤压下变形量为5％～15％，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于820℃，得到组织均匀的锻坯。

[0012] 本发明具有的优点和有益效果：

[0013] (1)与一般的钛合金“高低交替”锻造工艺不同，该工艺的优点在于针对特大型规格(φ760mm～φ1020mm)铸锭采用最少火次的锻造变形就可获得均匀变形和晶粒细化的锻坯。第一阶段在钛合金β区温度加热的大型铸锭开坯锻造，通过镦拔变形、控制压下速率和变形方式等综合变形，在提高铸锭塑性和减小变形抗力的同时使铸造组织得到较充分的破碎，只需采用2火次即可(相比一般的2～3火次减少了1个火次)。

[0014] (2)第二阶段(α+β)两相区温度加热的锻造变形在避免β晶粒粗化的条件下进一步细化和球化α相，更重要的是获得下一步高温加热均匀化所需的再结晶能量，控制变形火次为1火次(相比一般的2～5火次减少了1～4个火次，提高了生产效率)。

[0015] (3)第三阶段又回到了β区温度加热锻造，通过第二阶段变形提供的再结晶能量使组织获得均匀化的长大，并在β区加热变形条件下进一步破碎和细化β晶粒组织，为第四阶段的均匀化细晶组织的获得提供了组织准备。这一阶段只需采用1火次即可(相比一般的2～3火次减少了1～2个火次)。

[0016] 第四阶段以后的变形都在(α+β)两相区温度加热进行，获得所需的锻坯或棒材等半成品。

[0017] (4)严格控制每锤压下变形量和变形速率以及其他变形方式，可以避免由于产生过热导致的组织粗大和来不及发生再结晶，造成变形抗力上升和组织不均匀现象。

[0018] 该工艺是基于改善钛合金锻坯组织均匀性的锻造工艺，特别适合用于大型钛合金锻坯的加工与生产。附图说明：

[0019] 图1是为TC4-DT钛合金采用常规工艺锻造的锻件低倍组织1×；

[0020] 图2是本发明实施例1的长梁锻件高低倍组织，其中，(a)中间部位纵向低倍组织1×；(b)小头部位横向低倍组织1×；(c)中间部位高倍组织200×；(d)大头部位高倍组织
200×；(e)小头部位高倍组织200×。

[0021] 图3是本发明实施例2的框锻件高低倍组织，其中，(a)中部部位横向低倍组织1×；(b)大边部位横向低倍组织1×；(c)端部部位横向低倍组织1×；(d)中部部位高倍组织200×；(e)大边部位高倍组织200×(f)端部部位高倍组织200×。

具体实施方式

[0022] 工艺包括以下步骤：

[0023] (1)将φ760mm～φ1020mm规格钛合金铸锭分别在加热温度为1150℃和1100℃的条件下开坯锻造各1火次，控制每火次锻比不小于1.2，每火次不超过两镦两拔，单次镦粗变形量为25％～35％，每锤压下变形量为3％～10％，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，终锻温度不低于850℃，得到开坯后的坯料；

[0024] (2)将步骤(1)中所述坯料在加热温度为钛合金β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行锻造1火次，控制锻比不小于1.5，镦拔次数不超过两次，单次镦粗变形量为30％～65％，每锤压下变形量为5％～20％，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于820℃，得到锻坯；

[0025] (3)将步骤(2)中所述坯料在加热温度为钛合金β相变点温度以上30℃～80℃的条件下进行1火次锻造，控制每火次锻比不小于1.5，镦拔次数不超过两次，单次镦粗变形量为30％～50％，每锤压下变形量为5％～15％，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于830℃，得到锻坯；

[0026] (4)将步骤(3)中所述锻坯在加热温度为钛合金β相变点温度以下20℃～45℃的条件下进行2～5火次锻造，控制每火次锻比不小于1.5，每火次不超过两镦两拔，单次镦粗变形量为30％～65％，每锤压下变形量为5％～15％，每锤送进量为坯料当前厚度的1/5～1/3，压下速率为0.5mm/s～2mm/s，每火次终锻温度不低于820℃，得到组织均匀的锻坯。

[0027] 实施例1：

[0028] TC4-DT钛合金采用上述改善钛合金锻坯组织均匀性的锻造工艺锻造的梁锻件，下料铸锭规格为φ920mm，进行准β热处理后，理化解剖分析结果表明，锻件不同区域高低倍组织均匀性较好(见图2)。力学性能均匀性较好，满足使用要求(见表2)。

[0029] 表2 TC4-DT钛合金梁锻件室温力学性能

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[0032] 实施例2：

[0033] TC4-DT钛合金采用上述改善钛合金锻坯组织均匀性的锻造工艺锻造的锻件，下料铸锭规格为φ1020mm。进行准β热处理后，理化解剖分析结果表明，锻件不同区域高低倍组织均匀性较好(见图3)。力学性能均匀性良好，满足使用要求(见表3)。

[0034] 表3 TC4-DT钛合金框锻件室温力学性能

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[0037] 实施例3：

[0038] TC21钛合金采用上述改善钛合金锻坯组织均匀性的锻造工艺锻造的锻坯，下料铸锭规格为φ820mm。锻坯双重热处理后进行力学性能测试。结果表明，力学性能均匀性良好，满足使用要求(见表4)。

[0039] 表4 TC21钛合金锻坯的室温力学性能

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[0041] 实施例4：

[0042] TC6钛合金采用上述改善钛合金锻坯组织均匀性的锻造工艺锻造的锻坯，下料铸锭规格为φ760mm。锻坯普通退火后进行力学性能测试。结果表明，力学性能均匀性良好，满足使用要求(见表5)。

[0043] 表5 TC6钛合金锻坯的室温力学性能

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