一种钛合金变温控速锻造方法与流程

本发明属于钛合金锻造工艺技术领域，具体涉及一种钛合金变温控速锻造方法。

背景技术：

航空、航天、兵器和舰船等工业应用领域对钛合金大型铸锭、大规格棒材、大型锻坯和大厚度板坯等半成品的需求不断扩大，同时，我国4500吨大型快锻机、4万吨和8万吨模锻成形压力机、3500吨电动摩擦压力机等大型锻造成形装备也已经在专业化锻造厂开始普及使用，特别是，为了进一步提高钛合金大型承力构件的损伤容限/耐久性和疲劳使用寿命等安全可靠性，对钛合金单件重量达1吨～3吨以上、坯料厚度达200mm～500mm的大型厚截面锻坯组织细化和均匀化水平提出了更加严格的要求，从而确保最终零部件的超声波探伤杂波级别，提升对坯料冶金缺陷和组织均匀性的可探测能力(达到与中小规格锻坯相当的水平)。但如果采用普通的钛合金坯料加工制备工艺方法，大型厚截面锻坯在组织细化过程中，组织均匀化却难以保证。严重的组织不均匀会导致坯料强度降低(一般降低100MPa以上)、疲劳寿命和塑性下降(一般下降30％以上)、超声波探伤验收级别和低倍评级难以满足技术规范要求等，成为制约我国大型锻坯推向实际高端应用的一大技术难题和应用瓶颈。

过去，钛合金坯料锻造变形主要在锻锤上进行，变形速率难以实现可控，钛合金锻造工艺也是参考结构钢的“趁热打铁”方法进行，一般是通过操作工 人凭肉眼观察锻造变形坯料表面的发热程度来控制变形快慢或每锤变形量。“趁热打铁”方法一般适用于钛合金小规格坯料的自由锻造过程。现在，专业化锻造厂逐渐普及了变形速率可控的锻造压力机，“控温打钛”方法也逐渐被采用，该方法克服了锻锤变形速率不可控的问题，在压力机上通过恒定应变速率进行锻造变形，变形过程中尽量维持坯料温度在一定的范围内。但“控温打钛”方法一般是基于小试样恒温、恒应变速率等条件下获得的热模拟试验结果设计的工艺控制路线，与实际坯料在自由锻造条件下的变温、变应变速率条件存在较大的偏差，特别是，大型厚截面锻坯与小试样的尺寸效应也差别较大。由此看来，“趁热打铁”和“控温打钛”方法均难以有效确保大厚度大型坯料的组织均匀化，经常出现分层组织、粗晶亮带或细晶亮带等组织缺陷，严重制约了大型锻坯和大型锻件的推广应用。所以，急需提出一种适应大型厚截面锻坯的组织均匀化加工方法，提升钛合金锻坯的组织均匀性，以满足航空航天、船舶和兵器等大型整体化制造工业应用领域对钛合金大型厚截面整体锻坯和大吨位整体锻件的日益迫切需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种钛合金变温控速锻造方法，可以成功解决钛合金大型厚截面锻坯的组织均匀化技术难题，提高钛合金大型承力构件损伤容限/耐久性和疲劳使用寿命等安全可靠性，满足钛合金单件重量达1吨～3吨以上、坯料厚度达200mm～500mm的大型厚截面锻坯的组织细化和均匀化要求，从而确保最终零部件的超声波探伤杂波级别，提升对坯料冶金缺陷和组织均匀性的可探测能力。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

本发明提出了一种“变温控速打钛”的方法，应用“高温、高速、大变形”与“低温、低速、小变形”以及“每锤变形量和每火次总变形量”等变形参数综合匹配原理，变形速率随着坯料的加热起始温度和坯料每火次变形过程中实际温度的变化而变化，并匹配每锤变形量和每火次总变形量，控制动态再结晶与晶粒长大的综合平衡，从而实现大型厚截面坯料的组织均匀性和组织细化的目的，可以成功解决钛合金大型厚截面锻坯组织的均匀化技术难题。该方法还可以通过程序编程，实现自动控制，为稳定化批量供应的组织性能一致性提供了技术保障。

本发明的优点是：本发明提出了一种“变温控速打钛”的新方法，并提出了“高温、高速、大变形”，“低温、低速、小变形”，以及“每锤变形量和每火次总变形量”等变形参数综合匹配原理，可以成功解决钛合金大型厚截面锻坯组织均匀化技术难题。该方法还可以通过程序编程，实现自动控制，为稳定化批量供应的组织性能一致性提供了技术保障。

附图说明

图1(a)锻造前原始铸锭粗大的铸造组织

图1(b)采用实施例一“变温控速打钛”方法获得的低倍组织

图2(a)采用实施例二“变温控速打钛”方法获得的低倍组织

图2(b)采用普通恒速率变形得到的心部“细晶亮带”低倍组织

图3(a)采用实施例三“变温控速打钛”方法获得的低倍组织

图3(b)普通恒速率变形导致纤维化不均匀低倍组织

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明提出了一种新型钛合金变温控速均匀化锻造工艺，即“变温控速打钛”新方法，应用“高温、高速、大变形”与“低温、低速、小变形”以及“每锤变形量和每火次总变形量”等变形参数综合匹配，实现大型锻坯和锻件的组织均匀化和组织细化目的。

操作步骤如下：

(1)当钛合金大型厚截面铸锭或锻坯的锻造起始温度T_s在1050℃≤T_s≤1200℃之间、终锻温度T_f控制在750℃≤T_f≤800℃之间时，控制每道次的锻造变形速率从起始的0.5s^-1，根据每火次中的道次数量降低至0.05～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从起始的35％，根据每道次中的锻锤压下次数降低至15％，累计每火次总变形量控制在150％～300％，该起始温度T_s下的锻造火次为2～4火；

(2)当钛合金大型厚截面锻坯锻造起始温度T_s在950℃≤T_s<1050℃、终锻温度T_f控制在750℃≤T_f≤800℃之间时，控制每道次的锻造变形速率从起始的0.3s^-1，根据每火次中的道次数量降低至0.05～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从起始的25％，根据每道次中的锻锤压下次数降低至10％，累计每火次总变形量控制在100％～200％，该起始温度T_s下的锻造火次为3～5火；

(3)当钛合金大型厚截面锻坯锻造起始温度T_s在850℃≤T_s<950℃、终锻 温度T_f控制在750℃≤T_f≤800℃之间时，控制每道次的锻造变形速率从起始的0.2s^-1，根据每火次中的道次数量降低至0.05～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从起始的15％，根据每道次中的锻锤压下次数降低至5％，累计每火次总变形量控制在70％～150％，该起始温度T_s下的锻造火次为2～4火。

本发明的工作原理是：在大型锻坯自由锻造过程中的变温条件下，通过“高温、高速、大变形”、“低温、低速、小变形”的温度、变形速率、变形量的综合匹配控制，确保每火次变形时坯料均能产生动态再结晶，并同时通过控制“每锤变形量和每火次总变形量”，实现大厚截面的心部、边缘以及多方向的变形均匀性和变形晶粒具有足够变形能产生再结晶与晶粒长大，从而实现大型厚截面坯料的组织均匀性和组织细化的目的。该工艺在速率可控的液压机、油压机、快锻机和等温锻压力机等锻压设备上均能实现参数控制与操作，具有工艺简单可控、经济实用等特点。

本发明所述的锻造火次表示锻造过程中铸锭和锻坯加热的次数；道次表示每火次中镦粗或拔长的次数；镦粗或拔长由一次或多次锻锤压下完成。

实施例1：TC4中强度钛合金大型铸锭开坯锻造

TC4钛合金是应用广泛的强度在895MPa以上的中等强度钛合金，实例1采用直径580mm的3吨大型铸锭。

第一火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1150℃、终锻温度控制在800℃。第一道次为镦粗变形，锻造变形速率控制在0.5s^-1；第二道次为拔长变形，降低变形速率至0.2s^-1；第三道次为镦粗变形，控制变形速率至0.1s^-1；第四道次为拔长变形，进一步降低变形速率至0.08s^-1。同时，每锤变形量也从第一道次的35％随每道次降低5％-10％，完成两镦两拔变形后的累计总变形量约 200％。

第二火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1100℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.5s^-1，每道次变形速率降低0.1s^-1～0.15s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的35％随每道次降低5％-10％，累计总变形量控制在180％。

第三火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1040℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.3s^-1，每道次变形速率降低0.05s^-1～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的25％每道次降低5％，累计总变形量控制在160％。

第四火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度955℃、终锻温度控制在780℃，锻造变形速率第一道次0.3s^-1，每道次变形速率降低0.05s^-1～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的25％每道次降低5％，累计总变形量控制在160％。

第五火锻造方法同第四火。

第六火锻造采用一镦一拔变形方式，起始温度940℃、终锻温度控制在750℃，锻造变形速率第一道次0.2s^-1，每道次变形速率降低0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的15％每道次降低10％，累计总变形量控制在120％。

第七火锻造方法同第六火。

最终，经上述七火次锻造变形后的3吨级TC4钛合金大型铸锭的低倍组织获得了均匀化的改善，效果明显(见附图1)。

实施例2：Ti6246高强度钛合金大型铸锭开坯锻造

Ti6246钛合金是典型的强度在1100MPa以上的高强度高温钛合金，实例2采用直径580mm的3吨大型铸锭，相变点温度为970℃。

第一火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1150℃、终锻温度控制在800℃。第一道次为镦粗变形，锻造变形速率控制在0.5s^-1；第二道次为拔长变形，降低变形速率至0.3s^-1；第三道次为镦粗变形，控制变形速率至0.2s^-1，第四道次为拔长变形，进一步降低变形速率至0.1s^-1。同时，每锤变形量也从第一道次的35％随每道次降低5％-10％，完成两镦两拔变形后的累计总变形量约200％。

第二火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1100℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.5s^-1，每道次变形速率降低0.1s^-1～0.15s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的35％随每道次降低5％-10％，累计总变形量控制在180％。

第三火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1040℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.3s^-1，每道次变形速率降低0.05s^-1～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的25％每道次降低5％，累计总变形量控制在150％。

第四火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1000℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.3s^-1，每道次变形速率降低0.05s^-1～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的25％每道次降低5％，累计总变形量控制在150％。

第五火锻造方法同第四火。

第六火锻造采用一镦一拔变形方式，起始温度940℃、终锻温度控制在785℃，锻造变形量第一道次锻造变形速率控制在0.2s^-1，每锤变形量15％，第二道次拔长变形时降低变形速率至0.1s^-1，每锤变形量5％，完成一镦一拔变形后的累 计总变形量约90％。

第七火、第八火锻造方法同第六火。

最终，采用上述变形方式，Ti6246大型铸锭的低倍均匀性得到了明显的改善(附图2)。而采用普通的恒速率锻造方式，经过多火次的镦拔变形后，两相钛合金经常出现心部“细晶亮带”的不均匀低倍缺陷组织(附图2)。

实施例3：Ti7531超高强度钛合金大型铸锭的开坯锻造

Ti7531钛合金是自行研制的一种强度在1400MPa以上的新型超高强度钛合金，实例3采用直径580mm的3吨大型铸锭，相变点温度为855℃左右。

第一火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1150℃、终锻温度控制在800℃。第一道次为镦粗变形，锻造变形速率控制在0.5s^-1；第二道次为拔长变形，降低变形速率至0.3s^-1；第三道次为镦粗变形，控制变形速率至0.2s^-1；第四道次为拔长变形，进一步降低变形速率至0.1s^-1。同时，每锤变形量也从第一道次的35％随每道次降低5％-10％，完成两镦两拔变形后的累计总变形量约200％。

第二火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1100℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.5s^-1，每道次变形速率降低0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的35％随每道次降低5％-10％，累计总变形量控制在180％。

第三火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度1040℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.3s^-1，每道次变形速率降低0.05s^-1～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的25％每道次降低5％，累计总变形量控制在150％。

第四火锻造采用两镦两拔变形方式，起始温度980℃、终锻温度控制在800℃，锻造变形速率第一道次0.3s^-1，每道次变形速率降低0.05s^-1～0.1s^-1，同时，每锤变形量也从第一道次的25％每道次降低5％，累计总变形量控制在150％。

第五火锻造方法同第四火。

第六火锻造采用一镦一拔变形方式，起始温度905℃、终锻温度控制在780℃，锻造变形量第一道次锻造变形速率控制在0.2s^-1，每锤变形量15％，第二道次拔长变形时降低变形速率至0.1s^-1，每锤变形量5％，完成一镦一拔变形后的累计总变形量约90％。

第七火、第八火锻造方法同第六火。

最终，采用上述变形方式，Ti7531大型铸锭的低倍均匀性得到了明显的改善(附图3)。而采用普通的恒速率锻造方式变形后原始低倍的粗大晶粒得不到细化和均匀化，产生纤维化的流线组织(附图3)。