专利名称：：一种钛合金锻造工艺参数的试验方法
技术领域：
：本发明涉及一种钛合金锻造工艺参数的试验方法，属金属材料科学
技术领域：
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背景技术：
：随着先进飞机对高减重、长寿命要求的不断提高，比强度高、耐腐蚀性能好的钛合金在飞机上的用量也在不断增加。钛合金模锻件主要用于制造飞机上的隔框、梁和发动机压气机盘等重要承力零部件，对锻件性能有很高要求。与铝合金、结构钢不同，钛合金锻造工艺参数对合金显微组织和力学性能有很大影响。以TC6、TC11钛合金为例，在化学成分固定的情况下，锻造工艺变化可使延伸率S最大波动达15%，断面收縮率^/达45%，冲击韧性a肌达50J/cm2，断裂韧性K^达60MPaV^，光滑试样的疲劳极限达150MPa，持久强度和蠕变强度达80120MPa。从一定意义上讲，锻造工艺对性能的影响比合金成分的影响更显著。研究钛合金锻造工艺参数的试验方法主要有3种(1)热模拟试验热模拟是研究各类金属在不同变形条件下应力一应变行为的基础试验方法。通过设定不同的加热温度、应变速率、变形量等工艺参数，可获得金属在拉伸或压縮过程中的应力一应变曲线，用于指导锻造工艺的制定。由于热模拟试样尺寸小，热模拟后通常只能进行显微组织和硬度分析，无法切取拉伸、冲击、断裂等力学性能试样，因此不能有效建立起"工艺一组织一性能"三者对应关系。(2)镦饼试验镦饼试验是最常用的研究锻造参数与锻件力学性能关系的试验方法。在对新合金进行锻造工艺研究或对已有合金进行工艺优化时，通常采用该方法。镦饼试验方法的要点是先切取同样大小的试验坯料，然后按不同的工艺对坯料进行镦粗变形，通过从饼坯上切取力学性能试样建立起"工艺一组织一性能"对应关系。这种试验方法的缺点主要有(a)镦粗变形存在明显的区域不均匀性。在饼坯截面上同时存在变形死区、大变形区及自由变形区，不同区域上组织性能都有很大差异。取样位置不当很容易造成力学性能试验结果分散性大，严重时甚至会误导模锻工艺制定。(b)研究变形量对力学性能的影响时，每种变形量都需要锻成独立的坯料，试验效率低。另外，坯料变形量通过控制压机或锤头压下量保证，容易受操作人员主观因素影响，很难作到与设计的变形量完全一致。(3)模锻试验该方法是直接采用现成的模具来研究锻造工艺参数对锻件性能的影响。这种方法得到的试验结果能够代表合金在不同锻造工艺下的真实性能水平，但也存在缺点，主要包括(a)无法定量研究变形量对锻件力学性能的影响，由于飞机上的锻件多为高筋薄壁结构形式，筋部是通过反挤压成形的，变形量很难精确计算；(b)锻件上可以切取力学性能试样的位置少，材料利用率低；(c)锻件形状复杂，制坯需要多火次完成，工作量大。
发明内容本发明正是在现在技术的基础之上，提出了一种钛合金锻造工艺参数的试验方法，其目的是找到一种研究钛合金锻造工艺参数的新方法。采用该方法获得的试验专用锻件低倍组织均匀、性能数据分散性小、材料利用率极高，可以有效避免传统镦饼试验造成的组织和性能不均匀性。采用该试验方法可以精确研究锻造工艺参数与锻件力学性能之间的定量关系，揭示合金"工艺一组织一性能"内在关系。本发明的目的是通过以下措施来实现的该种钛合金锻造工艺参数的试验方法，其特征在于该方法的步骤是1)对钛合金棒材进行多火次各方向锻造，获得尽量均匀的原始组织，低倍组织应符合"钛合金低倍组织10级评级图"中的13级；2)将改锻后的棒材在P相变点(Te)以下305(TC制成厚度100±2mm，宽度130士2mm，长度260mm的坯料；3)坯料在20(TC左右预热12h，涂覆钛合金模锻专用润滑剂Ti一6;4)将模具表面预热至35(TC以上，坯料出炉后迅速放入模具型槽内进行模锻，模锻在12火内完成，并在坯料上获得10%、35%和60%三个不同的变形量；5)锻件热处理后，在不同变形量部位切取各种类型的力学性能试样，用于确定锻造温度、保温时间、变形量等锻造参数与锻件力学性能和显微组织之间的定量关系。为了实现这一要求，该试验方法是在一定形状的锻件上实现的，在这个锻件上同时获得10%、35%和60%三个不同的变形量。采用不同厚度的坯料，还能获得更宽范围的不同变形量。该试验方法可代替传统锻造工艺研究方法一镦饼法，用于已有钛合金锻造工艺优化、新研制钛合金锻造工艺制定及相近合金之间的全面性能比较。通过该试验方法还能够获得变形量、锻造温度、保温时间等锻造参数与拉伸强度、延伸率、断面收縮率、冲击韧性、断裂韧度、疲劳强度等力学性能的定量关系，这种定量关系可直接用于指导飞机、发动机上钛合金模锻件的生产。图1是本发明实施例2的变形量与延伸率、断面收缩率、冲击韧性和断裂韧度的对应关系图。具体实施例方式以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述实施例1镦饼法与本发明方法的对比试验原材料采用TC18(Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe)钛合金*155mm棒材。首先对棒材在Te—3(TC进行各方向锻件，分两火完成，每火镦拔各一次，镦拔变形量均在50%左右。将改锻后的棒材锻至表1中给出的尺寸，然后分别采用镦饼法和本发明试验方法对坯料进行锻造，本发明方法具体工艺参数见表1及如下步骤1)对钛合金棒材进行多火次各方向锻造，获得尽量均匀的原始组织，低倍组织应符合"钛合金低倍组织10级评级图"中的13级；2)将改锻后的棒材在相变点以下305(TC制成厚度100土2mm，宽度130士2mm，长度260mm的坯料；3)坯料在20(TC左右预热12h，涂覆钛合金模锻专用润滑剂Ti一6;4)将模具表面预热至35(TC以上，坯料出炉后迅速放入模具型槽内进行模锻，模锻在12火内完成，并在锻件上获得10%、35%和60%三个不同的变形量；5)锻件热处理后，在不同变形量部位切取各种类型的力学性能试样,用于确定锻造温度、保温时间、变形量等锻造参数与锻件力学性能和显微组织之间的定量关系。表l镦饼法和本发明试验方法采用的锻造工艺参数<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>试验结果见表2。由表2可见，采用镦饼法进行试验时，纵横向性能差异和数据分散性都很大，相邻取样位置上Ob波动最大值达50MPa，v达15%，Kn;达12MPaV^;另外，断裂韧度的试验结果也不符合组织性能关系的基本规律。众所周知，钛合金在两相区锻造时获得等轴或双态组织，断裂韧度较低；在P相变点以上锻造时，初生a相形态由等轴转变为片状，断裂韧度会明显提高。从镦饼试验结果看，两相区锻造和在e区锻造Kk是相当的。由表2可以看出，采用本发明试验方法获得的锻件性能均匀性明显好于镦饼试验。锻件纵横向性能差异和数据分散性都很小，相邻取样位置上Ob波动最大值仅为9MPa，11/为4%，K^为4MPaV^。P相变点以上锻造时Ku;平均值为58.8MPaV^，明显高于两相区锻造时的37.2MPaV^。从上述结果不难看出，采用本发明方法研究钛合金锻造工艺参数有明显优越性。表2不同试验方法下TC18钛合金锻件主要力学性能测试结果(e=35%)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注锻后热处理制度825°C，2h，炉冷至750°C，2h，AC+620°C,4h，AC。由图1可见，在选定的试验温度下，变形量与延伸率、断面收縮率和断裂韧度均呈良好的线性关系，公式如下S5(%)=0.07e+11.9R2=0.9992(1)V(%)=0.43e+20.1R2=0.9986(2)KIC(MPaV^)=—0.32e+102.1R2=0.9892(3)aKU(J/cm2)=—0.013e2+1.2e+29.7R2=1(4)相关系数分别为0.9992、0.9986、0.9892。变形量e每增加10%，延伸率提高0.7%;断面收縮率提高4.3%;KK下降3.2MPa^。冲击韧性和变形量之间呈二次方关系，aKu先随变形量增加而提高，当变形量超过35%后，aKu又开始降低。尽管按以往的锻造工艺试验方法，技术人员已经对变形量与钛合金塑性、断裂韧度之间的一般规律有所了解，即变形量增加塑性提高，断裂韧度下降。但目前还未见有关变形量与钛合金力学性能定量关系的研究报道。采用本发明获得的试验结果表明，变形量对延伸率、断面收縮率和断裂韧度的影响十分显著。技术人员可以根据上述定量关系，调整坯料尺寸，保证模锻件上合理的变形量，从而获得塑性与断裂韧度的最佳匹配。权利要求1.一种钛合金锻造工艺参数的试验方法，其特征在于该方法的步骤是1)对钛合金棒材进行多火次各方向锻造，获得尽量均匀的原始组织，低倍组织应符合“钛合金低倍组织10级评级图”中的1～3级；2)将改锻后的棒材在β相变点(Tβ)以下30～50℃制成厚度100±2mm，宽度130±2mm，长度260±2mm的坯料；3)坯料在200℃左右预热1～2h，涂覆钛合金模锻专用润滑剂Ti-6；4)将模具表面预热至350℃以上，坯料出炉后迅速放入模具型槽内进行模锻，模锻在1～2火内完成，并在锻件上获得10％、35％和60％三个不同的变形量；5)锻件热处理后，在不同变形量部位切取各种类型的力学性能试样，用于确定锻造温度、保温时间、变形量等锻造参数与锻件力学性能和显微组织之间的定量关系。全文摘要本发明涉及一种钛合金锻造工艺参数的试验方法，其步骤是1)对钛合金棒材进行多火次各方向锻造，获得尽量均匀的原始组织；2)将改锻后的棒材在β相变点(T<sub>β</sub>)以下30～50℃制成坯料；3)坯料在200℃左右预热1～2h，涂覆钛合金模锻专用润滑剂Ti-6；4)将模具表面预热至350℃以上，模锻在1～2火内完成，并在锻件上获得10％、35％和60％三个不同的变形量；5)锻件热处理后，在不同变形量部位取各种类型的力学性能试样，确定锻造温度、保温时间、变形量等参数与力学性能和显微组织之间的定量关系。技术人员可以根据上述定量关系，调整坯料尺寸，保证模锻件上合理的变形量，从而获得塑性与断裂韧度的最佳匹配。文档编号C22F1/18GK101294265SQ20081009752公开日2008年10月29日申请日期2008年5月12日优先权日2008年5月12日发明者储俊鹏,菁曾,李兴无,李建华,沙爱学,熊运森,王庆如,静谢申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院;中国第二重型机械集团(德阳)万航模锻厂