一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺

摘要

本发明提供一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，具体骤如下：下料；车毛坯；锻前加热；工模具预热；一次镦粗；拔长；二次镦粗；冷却；热处理；质量检测。本发明通过“镦粗‑拔长‑镦粗”的变形过程，增大锻造过程中的变形量，锻造工艺路线合理。发明提出在拔长时，将毛坯棒材的截面设置为六至八边形，这样不会在边角产生过于突出的棱边，降低了毛坯棒材表面不同位置温度梯度，施加载荷时变形更均匀，锻件表面质量更佳。本发明提出在二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于一次镦粗，二次镦粗前，毛坯棒材温度较低，此时对坯料施以轴向30‑50％的大变形量，能够促使长条状α相破碎，有效的改变了魏氏组织形貌特征。

权利要求

1.一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，其特征在于，具体步 骤如下：步骤一，下料：

对下料棒材进行尺寸设计，原材料采用TC4钛合金挤压棒材，下料得原始棒材；

步骤二，车毛坯：

对步骤一制得的原始棒材的外圆面进行车加工，对原始棒材端面加工出R10的倒角，且端面不允许有顶尖孔，制得毛坯棒材；

步骤三，锻前加热：

采用电炉加热步骤二制得的毛坯棒材，将毛坯棒材室温装炉并使其随炉升温至950-

970℃；

步骤四，工模具预热：

对上、下锤砧进行预热，使砧面表面温度达250-300℃；

步骤五，一次镦粗：

对毛坯棒材沿轴向进行镦粗，毛坯棒材的变形量为15-30％；

步骤六，拔长：

对一次镦粗后的毛坯棒材沿轴向拔长，毛坯棒材横截面为N边形，其中N为整数6-8，毛坯棒材的变形量为15-25％；

步骤七，二次镦粗：

将拔长后的毛坯棒材沿轴向进行二次镦粗至锻件目标尺寸，毛坯棒材的变形量为30-

50％；

步骤八，冷却：

采用空冷器使一火次锻造成型的毛坯棒材冷却至室温；

步骤九，热处理：

对冷却后的毛坯棒材进行热处理，热处理温度700-800℃，保温1-2h后，采用空冷器冷却至室温，制得高强度TC4钛合金柱件；

步骤十，质量检测：

对高强度TC4钛合金柱件进行超声波探伤，从任意位置切取高倍试样进行组织检查，切取力学性能试样进行室温拉伸试验。

2.根据权利要求1所述的高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，其特征在于，步骤一中尺寸设计时，综合考虑零件尺寸、锻前车毛坯、锻造过程工艺消耗、超声波探伤盲区、机加工余量因素，要求原始棒材高径比L/D＝2-3。

3.根据权利要求1所述的高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，其特征在于，步骤二中车加工时单边车2.5-3mm厚。

4.根据权利要求1所述的高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，其特征在于，步骤三中锻前加热时的加热系数为1-1.2min/mm。

5.根据权利要求1所述的高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，其特征在于，步骤四中采用热钢锭对上、下锤砧进行预热。

6.根据权利要求1所述的高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，其特征在于，步骤六的拔长过程中通过旋转毛坯棒材实现毛坯棒材横截面为N边形，每次旋转角度为45-60°。

7.根据权利要求1所述的高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，其特征在于，步骤七中二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于步骤六中一次镦粗过程中落锤速度和力度。

说明书

一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及钛合金锻造工艺技术领域，尤其涉及一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺。

背景技术

[0002] 新一代运载火箭研制过程中，轻质化、一体化以及可靠性等要求对材料选择、制造技术提出了更高要求。钛合金具有比强度高、耐蚀性好的特点，其应用能够有效提高承载能力，并达到减重目的，是结构轻质、服役条件恶劣的结构件首选材料。钛合金具有变形温度区间窄、变形抗力大、边角区域冷却速度极快等特点，故钛合金锻造成形具有一定难度。

[0003] 钛合金的显微组织对变形温度十分敏感，β锻能够有效减小合金的变形抗力，但锻后易获得魏氏组织，塑性指标尤其是断面收缩率严重偏低，导致产品综合性能偏低。若锻造过程变形量不足，将导致原材料组织遗传，进而影响锻件产品服役性能。钛合金圆柱形锻件由于极易与原始棒材形状尺寸相近，故容易出现锻造变形量不足的情况，会在一定程度上遗传原始棒材组织。若原材料为魏氏组织，由于锻造变形量不足，加之锻前加热温度控制不当，极易导致钛合金圆柱形锻件产生魏氏组织，从而不满足产品服役条件，导致工件报废，造成一定的损失。

[0004] 针对以上问题，本发明针对航空航天领域最常用的TC4钛合金，提出一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺。

发明内容

[0005] 本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺。

[0006] 本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

[0007] 一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，具体骤如下：

[0008] 步骤一，下料：

[0009] 对下料棒材进行尺寸设计，原材料采用TC4钛合金挤压棒材，下料得原始棒材；

[0010] 步骤二，车毛坯：

[0011] 对步骤一制得的原始棒材的外圆面进行车加工，对原始棒材端面加工出R10 的倒角，且端面不允许有顶尖孔，制得毛坯棒材；

[0012] 步骤三，锻前加热：

[0013] 采用电炉加热步骤二制得的毛坯棒材，将毛坯棒材室温装炉并使其随炉升温至950-970℃；

[0014] 步骤四，工模具预热：

[0015] 对上、下锤砧进行预热，使砧面表面温度达250-300℃；

[0016] 步骤五，一次镦粗：

[0017] 对毛坯棒材沿轴向进行镦粗，毛坯棒材的变形量为15-30％；

[0018] 步骤六，拔长：

[0019] 对一次镦粗后的毛坯棒材沿轴向拔长，毛坯棒材横截面为N边形，其中N 为6-8，毛坯棒材的变形量为15-25％；

[0020] 步骤七，二次镦粗：

[0021] 将拔长后的毛坯棒材沿轴向进行二次镦粗至锻件目标尺寸，毛坯棒材的变形量为30-50％；

[0022] 步骤八，冷却：

[0023] 采用空冷器使一火次锻造成型的毛坯棒材冷却至室温；

[0024] 步骤九，热处理：

[0025] 对冷却后的毛坯棒材进行热处理，热处理温度700-800℃，保温1-2h后，采用空冷器冷却至室温，制得高强度TC4钛合金柱件；

[0026] 步骤十，质量检测：

[0027] 对高强度TC4钛合金柱件进行超声波探伤，从任意位置切取高倍试样进行组织检查，切取力学性能试样进行室温拉伸试验。

[0028] 优选的，步骤一中尺寸设计时，综合考虑零件尺寸、锻前车毛坯、锻造过程工艺消耗、超声波探伤盲区、机加工余量因素，要求原始棒材高径比L/D＝2-3。

[0029] 优选的，步骤二中车加工时单边车2.5-3mm厚。

[0030] 优选的，步骤三中锻前加热时的加热系数为1-1.2min/mm。

[0031] 优选的，步骤四中采用热钢锭对上、下锤砧进行预热。

[0032] 优选的，步骤六的拔长过程中通过旋转毛坯棒材实现毛坯棒材横截面为N 边形，每次旋转角度为45-60°。

[0033] 优选的，步骤七中二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于步骤六中一次镦粗过程中落锤速度和力度。

[0034] 本发明的有益效果是：

[0035] 第一，本发明通过“镦粗-拔长-镦粗”的变形过程，增大锻造过程中的变形量，并充分考虑到钛合金变形抗力大的特点，前两个工序变形程度较小，二次镦粗变形量较大，锻造工艺路线合理。

[0036] 第二，本发明提出在拔长时，将毛坯棒材的截面设置为六至八边形，代替传统的“拔方”即截面为四边形的形式，这样不会在边角产生过于突出的棱边，降低了毛坯棒材表面不同位置温度梯度，施加载荷时变形更均匀，锻件表面质量更佳。

[0037] 第三，本发明提出在二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于一次镦粗，二次镦粗前，毛坯棒材温度较低，此时对坯料施以轴向30-50％的大变形量，能够促使长条状α相破碎，有效的改变了魏氏组织形貌特征。

具体实施方式

[0038] 下面结合实施例对本发明作进一步说明：

[0039] 一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，具体骤如下：

[0040] 步骤一，下料：

[0041] 对下料棒材进行尺寸设计，原材料采用TC4钛合金挤压棒材，下料得原始棒材；

[0042] 步骤二，车毛坯：

[0043] 对步骤一制得的原始棒材的外圆面进行车加工，对原始棒材端面加工出R10 的倒角，且端面不允许有顶尖孔，制得毛坯棒材；

[0044] 步骤三，锻前加热：

[0045] 采用电炉加热步骤二制得的毛坯棒材，将毛坯棒材室温装炉并使其随炉升温至950-970℃；

[0046] 步骤四，工模具预热：

[0047] 对上、下锤砧进行预热，使砧面表面温度达250-300℃；

[0048] 步骤五，一次镦粗：

[0049] 对毛坯棒材沿轴向进行镦粗，毛坯棒材的变形量为15-30％；

[0050] 步骤六，拔长：

[0051] 对一次镦粗后的毛坯棒材沿轴向拔长，毛坯棒材横截面为N边形，其中N 为6-8，毛坯棒材的变形量为15-25％；

[0052] 步骤七，二次镦粗：

[0053] 将拔长后的毛坯棒材沿轴向进行二次镦粗至锻件目标尺寸，毛坯棒材的变形量为30-50％；

[0054] 步骤八，冷却：

[0055] 采用空冷器使一火次锻造成型的毛坯棒材冷却至室温；

[0056] 步骤九，热处理：

[0057] 对冷却后的毛坯棒材进行热处理，热处理温度700-800℃，保温1-2h后，采用空冷器冷却至室温，制得高强度TC4钛合金柱件；

[0058] 步骤十，质量检测：

[0059] 对高强度TC4钛合金柱件进行超声波探伤，从任意位置切取高倍试样进行组织检查，切取力学性能试样进行室温拉伸试验。

[0060] 优选的，步骤一中尺寸设计时，综合考虑零件尺寸、锻前车毛坯、锻造过程工艺消耗、超声波探伤盲区、机加工余量因素，要求原始棒材高径比L/D＝2-3。

[0061] 优选的，步骤二中车加工时单边车2.5-3mm厚。

[0062] 优选的，步骤三中锻前加热时的加热系数为1-1.2min/mm。

[0063] 优选的，步骤四中采用热钢锭对上、下锤砧进行预热。

[0064] 优选的，步骤六的拔长过程中通过旋转毛坯棒材实现毛坯棒材横截面为N 边形，每次旋转角度为45-60°。

[0065] 优选的，步骤七中二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于步骤六中一次镦粗过程中落锤速度和力度。

[0066] 本发明通过“镦粗-拔长-镦粗”的变形过程，增大锻造过程中的变形量，并充分考虑到钛合金变形抗力大的特点，前两个工序变形程度较小，二次镦粗变形量较大，锻造工艺路线合理。

[0067] 本发明提出在拔长时，将毛坯棒材的截面设置为六至八边形，代替传统的“拔方”即截面为四边形的形式，这样不会在边角产生过于突出的棱边，降低了毛坯棒材表面不同位置温度梯度，施加载荷时变形更均匀，锻件表面质量更佳。

[0068] 本发明提出在二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于一次镦粗，二次镦粗前，毛坯棒材温度较低，此时对坯料施以轴向30-50％的大变形量，能够促使长条状α相破碎，有效的改变了魏氏组织形貌特征。

[0069] 采用本发明工艺生产的TC4钛合金柱件显微组织为双态组织，经退火后纵向性能指标平均值：Rm＝965MPa，Rp0.2＝928MPa，A＝19％，Z＝48％。而采用常规的锻造方法“镦粗-滚圆”，纵向性能指标平均值：Rm＝967MPa，Rp0.2＝907MPa，A＝11％，Z＝20％。可见，本发明工艺使TC4钛合金柱件的力学性能得到了显著提升。

[0070] 实施例一

[0071] 一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，具体骤如下：

[0072] 步骤一，下料：

[0073] 对下料棒材进行尺寸设计，零件尺寸为Φ125×Φ70×240mm，原材料采用 TC4钛合金挤压棒材，下料得原始棒材；

[0074] 步骤二，车毛坯：

[0075] 对步骤一制得的原始棒材的外圆面进行车加工，对原始棒材端面加工出R10 的倒角，且端面不允许有顶尖孔，制得毛坯棒材；

[0076] 步骤三，锻前加热：

[0077] 采用电炉加热步骤二制得的毛坯棒材，将毛坯棒材室温装炉并使其随炉升温至950℃；

[0078] 步骤四，工模具预热：

[0079] 对上、下锤砧进行预热，使砧面表面温度达250℃；

[0080] 步骤五，一次镦粗：

[0081] 对毛坯棒材沿轴向进行镦粗，毛坯棒材的变形量为15％；

[0082] 步骤六，拔长：

[0083] 对一次镦粗后的毛坯棒材沿轴向拔长，毛坯棒材横截面为6边形，毛坯棒材的变形量为15％；

[0084] 步骤七，二次镦粗：

[0085] 将拔长后的毛坯棒材沿轴向进行二次镦粗至锻件目标尺寸，毛坯棒材的变形量为30％；

[0086] 步骤八，冷却：

[0087] 采用空冷器使一火次锻造成型的毛坯棒材冷却至室温；

[0088] 步骤九，热处理：

[0089] 对冷却后的毛坯棒材进行热处理，热处理温度700℃，保温1h后，采用空冷器冷却至室温，制得高强度TC4钛合金柱件；

[0090] 步骤十，质量检测：

[0091] 对高强度TC4钛合金柱件进行超声波探伤，从任意位置切取高倍试样进行组织检查，切取力学性能试样进行室温拉伸试验。

[0092] 优选的，步骤一中尺寸设计时，综合考虑零件尺寸、锻前车毛坯、锻造过程工艺消耗、超声波探伤盲区、机加工余量因素，要求原始棒材高径比L/D＝2，设计原始棒材尺寸Φ150×300mm。

[0093] 优选的，步骤二中车加工时单边车2.5mm厚。

[0094] 优选的，步骤三中锻前加热时的加热系数为1min/mm。

[0095] 优选的，步骤四中采用热钢锭对上、下锤砧进行预热。

[0096] 优选的，步骤六的拔长过程中通过旋转毛坯棒材实现毛坯棒材横截面为6 边形，每次旋转角度为60°。

[0097] 优选的，步骤七中二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于步骤六中一次镦粗过程中落锤速度和力度。

[0098] 实施例二

[0099] 一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，具体骤如下：

[0100] 步骤一，下料：

[0101] 对下料棒材进行尺寸设计，零件尺寸为Φ125×Φ70×240mm，原材料采用 TC4钛合金挤压棒材，下料得原始棒材；

[0102] 步骤二，车毛坯：

[0103] 对步骤一制得的原始棒材的外圆面进行车加工，对原始棒材端面加工出R10 的倒角，且端面不允许有顶尖孔，制得毛坯棒材；

[0104] 步骤三，锻前加热：

[0105] 采用电炉加热步骤二制得的毛坯棒材，将毛坯棒材室温装炉并使其随炉升温至970℃；

[0106] 步骤四，工模具预热：

[0107] 对上、下锤砧进行预热，使砧面表面温度达300℃；

[0108] 步骤五，一次镦粗：

[0109] 对毛坯棒材沿轴向进行镦粗，毛坯棒材的变形量为30％；

[0110] 步骤六，拔长：

[0111] 对一次镦粗后的毛坯棒材沿轴向拔长，毛坯棒材横截面为8边形，毛坯棒材的变形量为25％；

[0112] 步骤七，二次镦粗：

[0113] 将拔长后的毛坯棒材沿轴向进行二次镦粗至锻件目标尺寸，毛坯棒材的变形量为50％；

[0114] 步骤八，冷却：

[0115] 采用空冷器使一火次锻造成型的毛坯棒材冷却至室温；

[0116] 步骤九，热处理：

[0117] 对冷却后的毛坯棒材进行热处理，热处理温度800℃，保温2h后，采用空冷器冷却至室温，制得高强度TC4钛合金柱件；

[0118] 步骤十，质量检测：

[0119] 对高强度TC4钛合金柱件进行超声波探伤，从任意位置切取高倍试样进行组织检查，切取力学性能试样进行室温拉伸试验。

[0120] 优选的，步骤一中尺寸设计时，综合考虑零件尺寸、锻前车毛坯、锻造过程工艺消耗、超声波探伤盲区、机加工余量因素，要求原始棒材高径比L/D＝3，设计原始棒材尺寸Φ130×390mm。

[0121] 优选的，步骤二中车加工时单边车3mm厚。

[0122] 优选的，步骤三中锻前加热时的加热系数为1.2min/mm。

[0123] 优选的，步骤四中采用热钢锭对上、下锤砧进行预热。

[0124] 优选的，步骤六的拔长过程中通过旋转毛坯棒材实现毛坯棒材横截面为8 边形，每次旋转角度为45°。

[0125] 优选的，步骤七中二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于步骤六中一次镦粗过程中落锤速度和力度。

[0126] 实施例三

[0127] 一种高强度TC4钛合金柱件的锻造工艺，具体骤如下：

[0128] 步骤一，下料：

[0129] 对下料棒材进行尺寸设计，零件尺寸为Φ125×Φ70×240mm，原材料采用 TC4钛合金挤压棒材，下料得原始棒材；

[0130] 步骤二，车毛坯：

[0131] 对步骤一制得的原始棒材的外圆面进行车加工，对原始棒材端面加工出R10 的倒角，且端面不允许有顶尖孔，制得毛坯棒材；

[0132] 步骤三，锻前加热：

[0133] 采用电炉加热步骤二制得的毛坯棒材，将毛坯棒材室温装炉并使其随炉升温至960℃；

[0134] 步骤四，工模具预热：

[0135] 对上、下锤砧进行预热，使砧面表面温度达260℃；

[0136] 步骤五，一次镦粗：

[0137] 对毛坯棒材沿轴向进行镦粗，毛坯棒材的变形量为20％；

[0138] 步骤六，拔长：

[0139] 对一次镦粗后的毛坯棒材沿轴向拔长，毛坯棒材横截面为7边形，毛坯棒材的变形量为19％；

[0140] 步骤七，二次镦粗：

[0141] 将拔长后的毛坯棒材沿轴向进行二次镦粗至锻件目标尺寸，毛坯棒材的变形量为40％；

[0142] 步骤八，冷却：

[0143] 采用空冷器使一火次锻造成型的毛坯棒材冷却至室温；

[0144] 步骤九，热处理：

[0145] 对冷却后的毛坯棒材进行热处理，热处理温度750℃，保温1.5h后，采用空冷器冷却至室温，制得高强度TC4钛合金柱件；

[0146] 步骤十，质量检测：

[0147] 对高强度TC4钛合金柱件进行超声波探伤，从任意位置切取高倍试样进行组织检查，切取力学性能试样进行室温拉伸试验。

[0148] 优选的，步骤一中尺寸设计时，综合考虑零件尺寸、锻前车毛坯、锻造过程工艺消耗、超声波探伤盲区、机加工余量因素，要求原始棒材高径比L/D＝2.5，设计原始棒材尺寸Φ150×375mm。

[0149] 优选的，步骤二中车加工时单边车2.8mm厚。

[0150] 优选的，步骤三中锻前加热时的加热系数为1.1min/mm。

[0151] 优选的，步骤四中采用热钢锭对上、下锤砧进行预热。

[0152] 优选的，步骤六的拔长过程中通过旋转毛坯棒材实现毛坯棒材横截面为7 边形，每次旋转角度为51.43°。

[0153] 优选的，步骤七中二次镦粗过程中落锤速度和力度均大于步骤六中一次镦粗过程中落锤速度和力度。

[0154] 上面结合具体实施例对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。