TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺

摘要

本发明属于锻造工艺技术领域，公开了一种TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺。其包括如下步骤：a、对坯料进行1～2火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上15～30℃，变形量控制在20～40％之间；b、对坯料进行2火以上的相变点以下的锻造，锻造温度选用相变点以下20～40℃，变形量控制在15～30％之间；c、对坯料进行1火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上10～20℃，变形量控制在15～25％之间。该工艺可以有效避免出现细晶亮带组织缺陷，能满足TC18钛合金自由锻件的批量化生产。

权利要求

1.TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺，其特征在于，依次包括如下步骤：

a、选择出现分层组织的坯料，先对坯料进行1～2火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上15～30℃，变形量控制在20～40％之间；

b、1～2火β锻后需对坯料进行2火以上的相变点以下的锻造，锻造温度选用相变点以下

20～40℃，变形量控制在15～30％之间；

c、最后1～2火需对坯料进行1火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上10～20℃，变形量控制在15～25％之间。

2.如权利要求1所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺，其特征在于，c步骤中，锻造温度选用相变点以上15℃，变形量为20％。

3.如权利要求1或2所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺，其特征在于，a步骤中，加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7min/mm，再将炉内温度升至相变点以上15～30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm。

4.如权利要求1或2所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺，其特征在于，b步骤中，加热制度采用在炉内温度为相变点以下30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7～1min/mm。

5.如权利要求1或2所述的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺，其特征在于，c步骤中，加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃的进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm，再将炉内温度调整到相变点以上15～30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.2～0.5min/mm。

说明书

TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺

技术领域

[0001] 本发明属于锻造工艺技术领域，具体涉及一种TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺。

背景技术

[0002] TC18钛合金锻件作为难变形合金之一，是20世纪60年代末前苏联开发的一种高强钛合金，名义成分为Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe.该合金属过渡型α+β合金，该合金兼有α+β型钛合金和β型钛合金的性能特性，具有变形塑性好、淬透性较高等优点，在退火状态下的强度与TC4、TC6等合金固溶时效状态下的强度相当，是退火状态下强度最高的钛合金。TC18钛合金最突出的优点是最大淬透面厚度可达250mm，而强度水平与其相当的Ti-1023淬透截面仅为100mm，Ti-17为150mm，因此该合金在制造飞机大型承力结构件方面得到了广泛的应用。

[0003] 该材质锻造温度区间窄、对锻造工艺要求高、锻造工艺复杂，理化检验中主要存在的问题为组织中存在粗大的α带，同时性能指标(塑性)不稳定等。如果原材料低倍组织中出现分层组织，更加增加了锻造工艺的不确定性，有很大几率出现低倍不合格组织。

[0004] 以下为原材料具有异常组织的常规锻造举例：

[0005] 原材料情况：炉号558-10175，规格Φ350棒料，

[0006] 组织说明：均有清晰晶，低倍晶粒评级为3级，棒料内部有疑似模糊晶粒，该空烧低倍有严重的异常细晶区分层组织，细晶区晶粒细小，属于低倍不合格组织。

[0007] 经常规锻造工艺后锻件出现细晶体亮带组织，细晶亮带常见于钛合金低倍组织中的一种缺陷，是肉眼可见的一条条具有异常光亮带的区域。由于光照角度的不同，亮条可能比基体金属亮，也可能比基体金属暗。在横断面上，它呈点状或片状，无规则形状；在纵断面上，则为平滑长条。

[0008] 经过分析，形成这类亮带的可能原因有两个：一个是亮条处化学成分偏析，使其β转变温度下降，因而当基体处于(α+β)两相区时，该处已进入β区，加工后析出条状α相，形成这类亮带；另一个可能是局部区域变形程度大，在拔长过程中，锻件对角线区域变形量大，再经历多火次累积变形，锻件对角线中间区域会因为大变形导致晶粒更细，从而形成图示所示细晶亮带组织，变形细晶带在低倍片上为一明亮的窄条，属于不合格组织。

[0009] 对上述细晶区我们做了化学成分分析，这类亮条中，铝、钒含量比基体低，杂质元素碳、氮、氧含量偏高，硅、铁偏低，但均未超过技术标准规定要求，所以不属于成分偏析引起的。再结合原材料的低倍情况及锻造工艺情况，我们得出结论，这类细晶组织的形成是因为原材料空烧低倍上所出现的分层组织，无法通过常规的锻造工艺进行改善，只有通过增加相变点以上变形才能改善，才能彻底释放原材料锻造过程中的积累的相转变能。

[0010] 为了保证钛合金锻件在室温和高温下均具有良好的综合性能，两相钛合金通常都是在低于β转变温度以下30～50℃以中等应变率进行锻造的，这种方法是一种传统的锻造方式。为了获得较高的断裂韧性及抗蠕变性能，在锻造最后1～2火需要执行一火β锻造(即相变点以上10～30℃)，锻件显微组织将由等轴组织转变成网篮组织。网篮组织的优点是具有高的断裂韧性及抗蠕变性能，而塑性稍有降低的一种组织形态，能满足型号飞机对高裂纹扩展速率的设计要求。

[0011] 然而当原材料出现分层组织及细晶组织后，如果继续采用常规锻造工艺方法，即先执行相变点以下锻造，最后1～2火执行一火β锻造，显微组织会从等轴组织转变成网篮组织，组织虽转变了，但同时会在锻件变形量最大的区域形成细晶亮带组织，该组织属于不合格组织。

发明内容

[0012] 本发明所要解决的技术问题是提供一种用TC18钛合金异常组织的原材料进行锻造生产，避免锻件因材料问题出现细晶亮带缺陷的的锻造工艺方法。

[0013] 本发明公开的TC18钛合金原材料异常组织的锻造工艺，包括如下步骤：

[0014] a、对坯料先进行1～2火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上15～30℃，变形量控制在20～40％之间；

[0015] b、1～2火相变点以上的β锻造后需进行2火以上的相变点以下的两相区锻造，锻造温度选用相变点以下20～40℃，变形量控制在15～30％之间；

[0016] c、最后1`2火需对坯料进行1火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上10～20℃，变形量控制在15～25％之间。

[0017] 优选地，c步骤中，锻造温度选用相变点以上15℃，变形量为20％。

[0018] 优选地，a步骤中，加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7min/mm，再将炉内温度升至相变点以上15～30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm；

[0019] 优选地，b步骤中，加热制度采用在炉内温度为相变点以下30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7～1min/mm；

[0020] 优选地，c步骤中，加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃的进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm，再将炉内温度调整到相变点以上15～30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.2～0.5min/mm。

[0021] 本发明的有益效果是：本发明通过工艺第1～2火相变点以上的β锻造，改变了原材料分层组织的分布状态，锻件经历了组织转变，再结晶等过程，组织上先变成网篮组织，经过后续2火以上、变形量15～30％变形后，组织会重新转变成等轴或双态组织，改善了原材料的组织状态，最后1～2火再执行一火β锻造，显微组织又从等轴组织转变成锻件需要的网篮组织的锻造工艺方法，通过多批次的锻件产品的生产，该工艺得到了验证，可以有效避免锻件出现细晶亮带组织缺陷，能满足TC18钛合金自由锻件的批量化生产。

具体实施方式

[0022] 下面对本发明进一步说明。

[0023] 本发明锻造的原材料可以选用材质为TC18，直径300mm，长度2500～3000mm左右的棒料，棒料经过原材料入厂复验，复验后进行锯料、平头、倒角工序进行锻件的生产。

[0024] 本发明针对原材料出现分层组织，对这种组织不符合YMS1507材料标准要求的原材料采用以下锻造工艺方法，可以生产出符合锻件标准规定要求的钛合金锻件，本锻造工艺锻造时依次进行如下步骤：

[0025] a、先对坯料进行1～2火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上15～30℃，变形量控制在20～40％之间，使锻件组织由等轴或双态组织转变成网篮组织，同时通过β区高温加热后原材料中的细晶区分层组织也会变粗；

[0026] b、1～2火β锻后需对坯料进行2火以上的相变点以下的锻造，锻造温度选用相变点以下20～40℃，变形量控制在15～30％之间，多次β相变点以下的两向区锻造后，a步骤中形成的网篮组织和变粗的细晶区分层组织破碎，重新析出初生α相，随温度的降低初生α相的体积分数会增加。相同变形温度下，随着变形量的增加，初生α相的体积分数变化不明显，略有增加，但有明显的方向性，沿与受力方向垂直的方向被拉长，因此，每火变形量也不宜过大，保持15～30％之间即可。

[0027] c、最后1～2火需对坯料进行1火相变点以上的β锻造，锻造温度选用相变点以上10～20℃，变形量控制在15～25％之间，此时执行一火β锻造将锻件显微组织由等轴组织转变成网篮组织，从而提高锻件的断裂韧性及抗蠕变性能。c步骤的一火β锻造，对锻件的性能有着极大影响，锻造温度不宜过高，以免形成的组织过于粗大，形变量也不宜过大，以免造成组织破碎。对于此次β锻造，优选地，锻造温度选用相变点以上15℃，变形量为20％。

[0028] 在c步骤之后即可根据锻件的实际形状要求，进行煨弯等变形工艺，这些变形工艺均需在β相变点以下30℃左右的两相区进行加热，变形量控制在约5％以下，以免破坏c步骤中形成的网篮组织，锻造完成后的优选采用空冷的冷却方式。

[0029] 锻件锻造时的加热时长也会对锻件质量造成影响，锻件加热采用到温装炉的装料方式，优选地，

[0030] a步骤中，加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7min/mm，再将炉内温度升至相变点以上15～30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm。

[0031] b步骤中，加热制度采用在炉内温度为相变点以下30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.7～1min/mm。

[0032] c步骤中，加热制度采用先在炉内温度为相变点以下30℃的进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.5～0.7min/mm，再将炉内温度调整到相变点以上15～30℃进行加热，加热时长为坯料有效厚度乘以系数0.2～0.5min/mm。

[0033] 上述坯料有效厚度是指坯料最薄厚度方向上的最厚尺寸长度，例如，规格为100×200×400mm的坯料，则其有效厚度是100mm，a步骤中加热制度为相变点以下30℃加热
70min，再在相变点以上15～30℃加热50～70min；b步骤中加热制度为相变点以下30℃加热
70～100min；c步骤中加热制度为相变点以下30℃加热50～70min，再在相变点以上15～30℃加热20～100min。若坯料的最薄厚度方向上的截面厚度不等，例如该方向上的厚度为50～100mm，则选择最厚处100mm作为坯料有效厚度。而对于长棒形坯料，则以其截面直径作为加热有效厚度。

[0034] 在a、c步骤中，需要将锻件温度加热至相变点上，而若直接将锻件放置于该温度下加热，容易使的锻件表面温度处于β相变区过长，形成过于粗大组织，而锻件中心区域处又不能及时上升至相变点，无法完成组织转变，因此，需要先将锻件放置于相变点以下进行加热，使锻件表面没有进行β相变的时间内，锻件中心区域获得充足的加热时间，然后再将锻件置于相变点以上进行加热，从而有效缩小锻件内外处于β相变内的时长差距，使锻件内外组织转变均匀一致。

[0035] 以下为本发明的一个实施例

[0036] 锻造工艺参数：锻件轮廓：1778×571×90mm；

[0037] 主要生产设备：5镦自由锻锤、50MN油压机；

[0038] 锻件重量：178Kg；锻件下料规格：Ф300mm×600mm；

[0039] 锻件下料重量：196Kg；

[0040] 原材料需满足YMS1507技术要求，首先棒料加热后在50MN油压机上进行改锻工序，控制变形量在20％～40％之间、第1～2火锻造温度选用相变点以上15～30℃；第3～9火选用相变点以下30℃加热，进行拔长工序，控制拔长变形量15～30％之间；第10火选用相变点以上15℃加热，进行拔长工序，控制拔长变形量20％左右；冷件加热时间按照坯料的有效厚度(单位mm)乘以0.7后的数值(单位分钟)确定加热时间、热件加热时间按照坯料的有效厚度(单位mm)乘以0.5～0.6系数后的数值(单位分钟)确定加热时间，无需预热，采用到温装炉的装料方式，锻后选择空冷的冷却方式；

[0041] 对锻件进行取样检查，其显微检查、低倍检查均合格，能满足YMS1508技术条件要求，其理化性能数据具体如下：

[0042]取样位置 RM(Mpa) Rp0.2(Mpa) A(％) Z(％) 取样位置 ak(KJ/m2) HBS(d/mm)纵1-1 1092 1010 13.1 27.4 纵4-1 260 3.30
纵1-2 1089 1010 12.7 22.5 纵4-2 380 3.32
横2-1 1086 1021 11.0 22.2      
横2-2 1087 1015 8.6 20.4      
高3-1 1108 1043 9.8 23.6      
高3-2 1110 1048 9.7 23.2