一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鈦合金棒材的鍛造加工方法，尤其是一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法。其特點是，包括如下步驟：步驟1：將鈦合金大規(guī)格棒材在β轉變溫度以下40～60℃加熱保溫2～4h，待保溫時間到后出爐進行鍛造；步驟2：采用寬平砧鍛造，每次壓下量60～80mm，滿砧送進，鍛造一個行程后，旋轉180°進行扁方鍛造，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，等到該行程鍛造結束時旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，等到該行程鍛造結束時再旋轉180°，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，從而從扁方鍛造過渡到四方四方鍛造。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：工藝流程短、火次少。只需要1～2火次，工藝流程明顯縮短，有利于降低成本。
【專利說明】一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及鈦合金棒材的鍛造加工方法，尤其是一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法。

【背景技術】
[0002]鈦合金是一種綜合性能優(yōu)異的高效益性結構材料，具有輕質、比強度高、高溫性能優(yōu)良、抗腐蝕能力強等優(yōu)點，是航空、航天、兵器、艦船等領域應用的重要材料。航空工業(yè)是鈦合金高端應用的主要領域，而其中鈦合金用量最大的合金牌號是TC4(T1-6Al-4V)中強兩相鈦合金，占鈦合金產量的70%左右，主要用于飛機結構件等部件。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，為了提高飛機的安全可靠性、延長壽命、提高結構效益，飛機的設計發(fā)展趨勢是減少焊接，承力件逐漸采用大型鍛件和大型整體鍛件所代替。為了滿足大型鍛件和大型整體鍛件的研制、生產，需要使用高質量大規(guī)格鈦合金棒材(Φ 10mm以上，《GJB1538A — 2008航空結構件用鈦合金棒材規(guī)范》中規(guī)定的TC4合金棒材的最大規(guī)格直徑為Φ220mm)。
[0003]但鈦合金大規(guī)格棒材普遍存在的問題是如何方便、高效、穩(wěn)定的控制棒材的組織均勻性和一致性，尤其是應用于航空結構件的TC4大規(guī)格棒材對組織均勻性要求非常高，這是鍛造加工的技術核心和技術難點。如果工藝不合理或過程控制不當，極容易出現(xiàn)或存在組織和性能不均勻的問題，往往存在低倍晶粒粗大且不均勻，高倍組織中分布有大塊α、條狀α或魏氏組織等缺陷，會影響交付使用。為了解決這個問題，通常采用改鍛的方法對成品棒材或半成品棒材進行再次加工處理。對于長徑比不超過3的棒材，可以采用反復鐓拔直接改鍛的方法來改善組織均勻性，但這種規(guī)格較少，大部分的規(guī)格都是長徑比超過3的棒材。對于這種規(guī)格的棒材，采用反復鐓拔直接改鍛的方法無法實現(xiàn)。
[0004] 因此，目前對于長徑比超過3的大規(guī)格棒材出現(xiàn)的高低倍組織不合格或組織不均勻現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)的鐓拔改鍛方法已經無法實現(xiàn)，可以采用β處理和寬砧鍛造四方一六邊形一矩形斷面拔長的方法，輪番轉移金屬強烈流動區(qū)，達到了改善棒材組織均勻性的目的。但該工藝火次較多，流程較長，一般β處理需要加熱一火次，鍛造四方一六邊形一矩形斷面需要I~2火次，對中間坯料進行酸洗、機加工、打磨、修傷，再加熱滾圓整形到成品尺寸需要鍛造I火次，即完成整個工藝過程需要3~4火次。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，該方法工藝流程短、便于操作、組織均勻性改善效果更明顯。
[0006]一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，其特別之處在于，包括如下步驟:
[0007]步驟1:將鈦合金大規(guī)格棒材在β轉變溫度以下40~60°C加熱保溫2~4h，待保溫時間到后出爐進行鍛造；
[0008]步驟2:采用寬平砧鍛造，每次壓下量60~80mm，滿砧送進，鍛造一個行程后，旋轉180°進行扁方鍛造，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，等到該行程鍛造結束時旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，等到該行程鍛造結束時再旋轉180°，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，從而從扁方鍛造過渡到四方四方鍛造；
[0009]步驟3:將鍛造后的四方坯料進行沿對角線方向換向鍛造，先用寬平砧，滿砧送進，鍛造成六方截面，鍛造一個行程后旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，從而從六方截面又鍛造到四方截面；
[0010]步驟4:將得到的棒坯按照步驟2重復鍛造一遍；
[0011]步驟5:將得到的四方坯料在上平下V的寬型砧上進行倒棱、滾圓鍛造，滿砧送進，從而逐漸滾圓為近似圓形的多邊形即獲得大規(guī)格鈦合金棒材。
[0012]步驟I中的鈦合金大規(guī)格棒材是指直徑在150_300mm。
[0013]步驟2中的鍛造一個行程是指從一端鍛造到另一端。
[0014]步驟5中第一行程壓下量較大，具體是控制壓下量15~30mm，后續(xù)壓下量降低，具體是控制為5~10mm，最后2~3次行程精整時，控制送進量為1/2砧寬。
[0015]步驟I中的鈦合金是指TC4牌號或TC4等兩相的鈦合金。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點:1)工藝流程短、火次少?，F(xiàn)有技術一般β處理需要加熱一火次，鍛造四方一六邊形一矩形斷面需要I~2火次，對中間坯料進行酸洗、機加工、打磨、修傷，再加熱滾圓整形到成品尺寸需要鍛造I火次，即完成整個工藝過程需要3~4火次。而本發(fā)明只需要I~2火次，工藝流程明顯縮短，有利于降低成本。2)便于操作，效率高。本發(fā)明采用“上平下V”寬型砧鍛造滾圓，比平砧滾圓便于操作，而且滾圓效率高。3)組織均勻性改善效果更明顯。本發(fā)明在鍛造四方后進行扁方鍛造，在換向鍛造時壓下量較大，又增加了“上平下V”寬型砧鍛造滾圓，使得斷面由內向外各處都得到了足夠的變形，從而大幅度改善了斷面各部位組織的均勻性。4)采用本發(fā)明改鍛的棒材高低倍組織均勻，橫向低倍組織均為模糊晶，無粗晶等異常組織，棒材不同部位的橫向顯微組織均為等軸α+β組織，組織均勻性好，可以滿足航空件對大規(guī)格TC4棒材的質量要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]附圖1為實施例1中鈦合金棒材--4ΒΦ210，中心(500Χ)的橫向顯微組織圖；
[0018]附圖2為實施例1中鈦合金棒材--4ΒΦ210，D/4(500X)的橫向顯微組織圖；
[0019]附圖3為實施例1中鈦合金棒材--4ΒΦ210，邊部(500Χ )的橫向顯微組織圖；
[0020]附圖4為實施例2中鈦合金棒材--4ΒΦ240，中心(500X)的橫向顯微組織圖；
[0021]附圖5為實施例2中鈦合金棒材--4ΒΦ240，D/4(500X)的橫向顯微組織圖；
[0022]附圖6為實施例2中鈦合金棒材--4ΒΦ240，邊部(500X )的橫向顯微組織圖。

【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明中提及鈦合金大規(guī)格棒材的β轉變溫度，具體即TC4合金的相變點溫度為980~1000°C，但不同批次因化學成分波動而波動，一般常采用連續(xù)升溫金相法測定。
[0024]本發(fā)明針對長徑比超過3的大規(guī)格棒材提供了一種采用寬平砧鍛造四方一扁方—四方一沿對角線換向鍛打六方一四方一扁方一四方一“上平下V”寬型站'鍛造的方法，一方面通過寬砧扁方鍛造增加了大棒的鍛透性，改善了中心部組織的均勻性，另一方面通過變換方向和上平下V型砧鍛造，減少了邊部的變形死區(qū)(難變形區(qū))，改善了邊部組織的均勻性，從而可以達到有效改善大規(guī)格棒材整體組織均勻性的目的，操作方便，實施效果良好，而且生產效率高。
[0025]本發(fā)明是針對上述問題提供一種更加簡潔高效的加工方法，即采用平砧鍛造四方—扁方一四方一沿對角線換向鍛打六方一四方一扁方一四方一“上平下V”寬型站'鍛造滾圓，只需要I~2火次，鍛造工藝流程短、火次少，便于操作，效率高。
[0026]本發(fā)明方法的基本原理是:
[0027]1、根據(jù)最小阻力定律，采用寬平砧和上平下V寬型砧鍛造，滿砧送進，保證變形接觸面縱向寬度大于橫向寬度，加大橫向變形，減少和阻止金屬縱向流動，以確保大規(guī)格棒材在改鍛后斷面面積減少不多的情況下直徑尺寸仍能回到原有尺寸的偏差范圍內；
[0028]2、采用平砧鍛造四方一扁方一四方的方法，一方面可以實現(xiàn)大變形，另一方面可以增加鍛透性，可以有效改善中心部和1/2半徑處的組織均勻性；
[0029]3、采用沿對角線換向鍛打六方一四方的方法，可以進一步減少邊部的變形死區(qū)，改善邊部的組織均勻性；
[0030]4、采用上平下V”寬型砧鍛造，當壓下量較大時，可以增加鍛透性，充分改善內部組織；當壓下量較小時，既可以進一步減少邊部變形死區(qū)，改善邊部組織，又可以對鍛坯進行滾圓和精整，起到雙重的效果，而且滾圓效率和質量比平站'好。
[0031]5、通過上述鍛造方式的結合，可以很好的達到改善大規(guī)格棒材組織均勻性的目的。
[0032]鈦合金大規(guī)格棒材如果工藝不合理或過程控制不當，極容易出現(xiàn)或存在組織和性能不均勻的問題，往往存在低倍晶粒粗大且不均勻，高倍組織中分布有大塊α、或條狀α或魏氏組織等缺陷，會影響交付使用，尤其是應用于航空結構件的TC4大規(guī)格棒材對組織均勻性要求非常高。為了解決這個問題，通常采用改鍛的方法。對于長徑比不超過3的棒材，可以采用反復鐓拔直接改鍛的方法來改善組織均勻性，但這種規(guī)格較少，大部分的規(guī)格都是長徑比超過3的棒材。對于這種規(guī)格的棒材，采用反復鐓拔直接改鍛的方法無法實現(xiàn)，只能使得棒材報廢或改作他用，造成很大的經濟損失。
[0033] 本發(fā)明提供一種采用寬平砧鍛造四方一沿對角線換向鍛打六方一四方一“上平下V”寬型砧鍛造的方法，可以有效的改善大規(guī)格棒材的組織均勻性，效果好，操作方便，火次較少，生產效率高。其中，整個鍛造過程可以在I~2火次內完成，一般長度超過1200~1500mm的棒材需要兩火次。如果是兩火完成，第二火次為回火，即在一火鍛后直接進行加熱，一般在步驟4完成以后進行回火加熱，加熱溫度在β轉變溫度以下50~60°C，保溫時間是一火保溫時間的1/2。
[0034]實施例1:
[0035]本實施例為Φ 210 X 3000mm的TC4鈦合金棒材改鍛，加工方法具體如下:
[0036]步驟1:將TC4鈦合金大規(guī)格棒材在950°C加熱保溫，待保溫時間4h到后出爐進行鍛造;
[0037]步驟2:采用寬平砧鍛造，每次壓下量60mm，滿砧送進，鍛造一個行程(從一端鍛造到另一端)后，旋轉180°進行扁方鍛造，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，等到該行程鍛造結束時旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，等到該行程鍛造結束時再旋轉180°，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，從扁方過渡到了四方；
[0038]步驟3:經步驟2鍛造后的四方坯料進行沿對角線方向換向鍛造，先用寬平砧，滿砧送進，鍛造成六方截面，鍛造一個行程后旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，從六方截面又鍛造到四方截面；
[0039]步驟4:將步驟3鍛造得到的棒坯按照步驟2重復一遍；
[0040]步驟5:將經過步驟4鍛造的四方坯料進行第二火次加熱(即回火)，控制加熱溫度940°C，保溫時間是一火保溫時間的1/2。然后在上平下V的寬型砧上進行倒棱、滾圓鍛造，滿砧送進，第一行程壓下量20mm，后續(xù)壓下量降低到10mm，最后3次行程精整，具體是控制送進量1/2砧寬，從而逐漸滾圓為近似圓形的多邊形，即可獲得改鍛后的Φ210Χ3000_大規(guī)格TC4鈦合金棒材。
[0041]實施例2:
[0042]本實施例為Φ 240 X 2000mm的TC4鈦合金棒材改鍛，加工方法具體如下:
[0043]步驟1:將C4鈦合金大規(guī)格棒材在950°C加熱保溫，待保溫時間4.5h后出爐進行鍛造;
[0044]步驟2:采用寬平砧鍛造，每次壓下量70mm，，滿砧送進，鍛造一個行程(從一端鍛造到另一端)后，旋轉180°進行扁方鍛造，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，等到該行程鍛造結束時旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，等到該行程鍛造結束時再旋轉180°，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，從扁方過渡到了四方；
[0045]步驟3:經步驟2鍛造后的四方坯料進行沿對角線方向換向鍛造，先用寬平砧，滿砧送進，鍛造成六方截面，鍛造一個行程后旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，從六方截面又鍛造到四方截面；
[0046]步驟4:將步驟3鍛造的棒坯按照步驟2重復一遍；
[0047]步驟5:將經過步驟4鍛造的四方坯料進行第二火次加熱(即回火)，加熱溫度940°C，保溫時間是一火保溫時間的1/2。然后在上平下V的寬型砧上進行倒棱、滾圓鍛造，滿砧送進，第一行程壓下量25mm，后續(xù)壓下量降低到10mm，最后2次行程精整，送進量1/2砧寬，逐漸滾圓為近似圓形的多邊形，獲得改鍛后的Φ240X 2000mm大規(guī)格TC4鈦合金棒材。
[0048]再對實施例1、實施例2改鍛加工的TC4鈦合金棒材進行普通退火熱處理780V X 120min)和機加工即普通車床扒皮，對最終得到的棒材的高低倍組織進行檢測，結果如下:
[0049]I)棒材低倍組織:棒材的橫向低倍組織均勻，無粗晶等異常組織，如圖1所示，按國家標準GJB1538A-2008中的圖2評級，符合技術要求。
[0050]2)棒材高倍組織:棒材不同部位的橫向顯微組織如附圖1、2、3、4、5、6所示，按國家標準GJB1538A-2008的圖5評級，滿足技術要求。
[0051]本發(fā)明提供了一種更加簡潔高效的加工方法，即采用平砧鍛造四方一扁方一四方—沿對角線換向鍛打六方一四方一扁方一四方一“上平下V”寬型砧鍛造滾圓的加工方法。
[0052]大規(guī)格棒材改鍛加工之步驟:采用寬平砧和上平下V寬型砧鍛造，滿砧送進，保證變形接觸面縱向寬度大于橫向寬度，加大橫向變形，減少和阻止金屬縱向流動，以確保大規(guī)格棒材在改鍛后斷面面積減少不多的情況下直徑尺寸仍能回到原有尺寸的偏差范圍內；本發(fā)明實現(xiàn)過程只需要I~2火次，變形操作過程的細節(jié)很重要，一般長度超過1200~1500mm的棒材需要兩火次。如果是兩火完成，第二火次為回火，即在一火鍛后直接進行加熱，一般在步驟4完成以后進行回火加熱，加熱溫度在β轉變溫度以下50~60°C，保溫時間是一火保溫時間的1/2。
【權利要求】
1.一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:將鈦合金大規(guī)格棒材在β轉變溫度以下40~60°C加熱保溫2~4h，待保溫時間到后出爐進行鍛造； 步驟2:采用寬平砧鍛造，每次壓下量60~80mm，滿砧送進，鍛造一個行程后，旋轉180°進行扁方鍛造，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，等到該行程鍛造結束時旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，等到該行程鍛造結束時再旋轉180°，繼續(xù)滿砧送進鍛造一個行程，從而從扁方鍛造過渡到四方四方鍛造； 步驟3:將鍛造后的四方坯料進行沿對角線方向換向鍛造，先用寬平砧，滿砧送進，鍛造成六方截面，鍛造一個行程后旋轉90°，繼續(xù)滿砧送進鍛造另一個行程，從而從六方截面又鍛造到四方截面； 步驟4:將得到的棒坯按照步驟2重復鍛造一遍； 步驟5:將得到的四方坯料在上平下V的寬型砧上進行倒棱、滾圓鍛造，滿砧送進，從而逐漸滾圓為近似圓形的多邊形即獲得大規(guī)格鈦合金棒材。
2.如權利要求1所述的一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，其特征在于:步驟I中的鈦合金大規(guī)格棒材是指直徑在150-300mm。
3.如權利要求1所述的一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，其特征在于:步驟2中的鍛造一個行程是指從一端鍛造到另一端。
4.如權利要求1所述的一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，其特征在于:步驟5中第一行程壓下量較大，具體是控制壓下量15~30mm，后續(xù)壓下量降低，具體是控制為5~10_，最后2~3次行程精整時，控制送進量為1/2砧寬。
5.如權利要求1所述的一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，其特征在于:步驟I中的鈦合金是指TC4牌號或TC4等兩相的鈦合金。
6.如權利要求1所述的一種改善鈦合金大規(guī)格棒材組織均勻性的方法，其特征在于:步驟5中首先要將經過步驟4鍛造的四方坯料進行第二火次加熱即回火，控制加熱溫度940°C，保溫時間是一火保溫時間的1/2。
【文檔編號】C22F1/18GK104073751SQ201410087028
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權日:2014年3月11日
【發(fā)明者】朱寶輝, 胡曉晨, 薛長榮, 沈立華, 王培軍, 趙洪章, 鄭愛國, 任志東, 陳睿博 申請人:寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司