专利名称：钛合金锥形环锻件的辗轧成形方法
技术领域：
本发明涉及一种环形锻件的轧制成形方法，特别是涉及了钛合金锥形环锻 件的辗轧成形方法。
背景技术：
采用钛合金(如TC4等材料牌号)制造的航空发动机锥形环锻件，如涡轮 外环、机匣等零部件由于长期在高温下工作，要求锻件具有较好的性能及组织 稳定性。
"大型锥形环件成型制造新工艺及其数值模拟"(王泽武等，《核动力工程》， 第28巻第2期，第69 72页，2007年4月) 一文公开了 :种锥形环件的成形 T艺，该丁艺包括制坯、加热、轧制及后续加丁。采用该丁.艺轧制普通碳素钢 的锥形环件时是把轧环机的主辊、芯辊和抱辊加工成锥形后再把锥形环坯轧制 成锥形环件的。采用该工艺轧制锥形环件，由于是靠主辊、芯辊和抱辊的锥面 形状来确定锥形环件的锥面形状，靠锥辊来轧制其高度，因此，只能轧制内外 环面为平整面的简单锥形环件(如该文图示的那样)，而且对于锥度或高度不一 样的锥形环件，需要更换辊型，正如该文所指出的"锥形环件不同于矩形截面环 件，在轴向上环件有一定斜度，需要重新设计主辊、芯辊和抱辊"。由此可知， 采用该工艺不可能轧制出内外环面为复杂曲面的锥形环件，而且轧制不同形状 的简单锥形环件时频繁更换辊型将会增加制造成本、延长生产周期和不利于设 备的维护保养。
上述锥形环件成型制造新工艺并未公开轧制钛合金锥形环锻件的具体工艺 步骤，若采用该工艺轧制钛合金锥形环锻件，存在的问题如下
不能轧制环面为复杂曲面并沿零件外形呈流线分布的锥形环锻件，因此， 当需要轧制环面为复杂曲面的锥形环锻件时，只能靠增大加工余量的方法先轧 制成该文所公布的环面为平整面的锥形环锻件，再通过机加工成环面为复杂曲面的锥形环锻件。这样加工而成的锥形环锻件，环锻件毛坯的加工余量大，锻
件尺寸精度较差，锻件的外形流线不能沿零件外形分布；由于加工量较大，既 费时费力和浪费大量的贵重钛合金材料，又切断了锻件的外形流线从而对锻件 的组织和性能产生不利影响。
轧制钛合金锥形环锻件时，从合金棒料到最终轧制成锥形环锻件，钛合金 的变形量对环锻件的组织和性能影响很大，其变形量选择不准，将会造成环锻 件晶粒粗大、组织变异、轧伤、轧裂、折叠、夹层等缺陷，从而影响锻件的交 付和使用。
有鉴于此，本发明提供了一种钛合金锥形环锻件的辗轧成形方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种准确的变形量来实现钛合金锥形环锻 件精确辗轧成形的方法，采用该方法辗轧的锥形环锻件沿零件外形呈流线分布， 并具有优良的组织和性能。
为解决上述技术问题，本发明所述钛合金锥形环锻件的辗轧成形方法，其 技术方案包括以下步骤
把按规格下料的钛合金棒料加热到相变点以下3crc的变形温度，经镦粗使
其变形50% 55%得到实心圆饼;把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺 寸的30% 35%后得到空心圆饼；
加热所述空心圆饼到上述变形温度后使其被轧环变形20% 25%后得到矩 形环坯;把所述矩形环坯加热到上述变形温度后再次被轧环使其变形30% 35°/0 后得到矩形预轧坯；
加热所述预轧坯到上述变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所 述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的锥形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型产生 连续局部塑性变形，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧变形25% 30% 后成为锥形环锻件。当构成上述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是曲面时，辗轧成形的锥形环锻
件的环面为曲面；当构成卜.述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是平整面时，辗轧 成形的锥形环锻件的环面为平整面。
辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s 15mm/s，受到的径向轧 制力是40000 kg 220000kg。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下
本发明把按规格下料的钛合金棒料从镦粗、冲孔、制预轧坯到辗轧成锥形 环锻件的整个工艺过程，通过选用准确的变形量和使用辗轧模具来使锥形环锻
件成形，获得了组织均匀和性能优良的锥形环锻件。以牌号为TC4的钛合金为
例，经检测该合金锥形环锻件不同部位的金相低倍组织，未发现有粗晶、裂纹、
伤痕、折叠、夹层等缺陷；经检测其高倍金相组织，获得了均匀的组织结构， 并且未发现有粗晶、组织变异、偏析等缺陷，经检测该合金锥形环锻件的室温 拉伸性能，其抗拉强度为965MPa 975MPa (大于使用要求的895 MPa)，其伸 长率为0.2%时的屈服强度为955MPa (大于使用要求的825 MPa);断后伸长率 为11% 15% (大于使用要求的10%);经检测该合金锥形环锻件的高温拉伸性 能，其在试验温度为40(TC、试验应力为570MPa、持续时间在101小时内未被 拉断(大于使用要求的100小时)；经检测该合金锥形环锻.件的布氏硬度为278， 满足了使用要求。从该合金锥形环锻件的理化检测结果可知，釆用上述方法辗 轧成形的该合金锥形环锻件取得了预料不到的技术效果，大大满足了其使用要 求。
本发明采用小变形量成形的方式两次环轧制作预轧坯和辗轧成形锥形环锻 件，可以避免该合金在轧环和辗轧时发生温度升高，组织变异、晶粒粗大和裂 纹等缺陷，获得了组织均匀和性能优良的锥形环锻件。
本发明还通过在轧环机上安装辗轧模具来实现钛合金锥形环锻件的辗轧成 形，即在轧环机的芯辊上安装芯辊模，在其主辊上安装主辊模，芯辊模与主辊 模合模后能够形成用于辗轧锥形环锻件的锥形孔型，从而把锥形环锻件的成形 方式由主辊、芯辊和锥辊辗轧成形改进为主要由模具辗轧成形，并且通过改变构成所述锥形孔型的辗轧模具的锥形面的形状，便可辗轧成形不同环面形状的 锥形环锻件，从而使该模具能辗轧出环面为曲面或平整面的锥形环锻件。
并且，采用本方法辗轧钛合金锥形环锻件，可以获得沿零件外形分布的环面 为复杂曲面流线的锥形环锻件，提高了锥形环锻件的尺寸精度，从而可以实现 精确轧制，减少锥形环锻件的机械加工余量和贵重钛合金材料的浪费；当辗轧 不同环面形状的环锻件时，只需更换辗轧模具上形成所述锥形孔型的模块即可， 而不必更换轧环机的主辊、芯辊和抱辊等部件，从而可以降低锥形环锻件的制 造成本、縮短生产周期并有利于设备的维护保养。
下面结合附图和具体实施方式
对木发明作进一步详细说明。
图1是矩形预轧坯的制坯工艺流程图。
图2是矩形预轧坯装进辗轧模具的结构图。
图3是预轧坯辗轧成锥形环锻件的工艺过程图。
图4是图3所示的辗轧工艺过程的俯视方向示意图。
图5是辗轧成形的锥形环锻件沿其中心线的纵剖面图。
图6 (a)是图5所示a部位的金相低倍组织图。
图6 (b)是图5所示b部位的金相低倍组织图。
图6 (a')是图5所示a部位的金相高倍组织图。
图6 (b')是图5所示b部位的金相高倍组织图。
图7 (a)是第二种结构的辗轧模具孔型图。
图7 (b)是采用图7 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心 线的纵剖面图。
图8 (a)是是第三种结构的辗轧模具孔型图。
图8 (b)是采用图8 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心 线的纵剖而图。图9 (a)是第四种结构的辗轧模具孔型图。
图9 (b)是采用图9 (a)所示的辗轧模具孔型轧成的锥形环锻件沿其中心 线的纵剖面图。
具体实施例方式
实施本发明所述的钛合金锥形环锻件的辗轧成形方法需要提供锻造加热 炉、压力机、轧环机、机械手等设备。下面以牌号为TC4的钛合金为例来详细 说明该方法的
具体实施例方式
该钛合金的主要化学元素含量(重量百分比)为含八1量5.50% 6.80%、 含V量3.50% 4.50%、含Fe量《0.300/。、含C量《0.100/0、含O量《0.20%、 含N量《0.05。/。、含H量《0.015c/。、此外还含有其他微量元素、余量为Ti。
该合金从棒料到生产出合格的锥形环锻件的工艺步骤如卜、
步骤1:矩形预轧坯的制坯。如图1所示，把按规格下料的牌号为TC4的 钛合金棒料1在锻造加热炉内加热到相变点以下30°C，在锻压机上镦粗使其变 形50% 55%得到实心圆饼2，接着把实心圆饼2用冲头4冲出中心孔得到空心 圆饼3，所述空心圆饼3的内径尺寸是其外径尺寸的30% 35%;把空心圆饼3 再加热到上述温度后装进轧环机轧环使其变形20% 25%后第一次被环轧成矩 形环坯5;把矩形环坯5再加热到上述温度后装进轧环机轧环使其变形30% 35%后第二次被环轧成矩形预轧坯10。
在上述步骤1中，采用上述变形方式制作的矩形预轧坯10能够获得均匀的 组织，特别是两次环轧采取小变形量成形的方式，可以避免该合金在轧环时发 生温度升高，组织变异、晶粒粗大和裂纹等缺陷，从而有利于使终轧锥形环锻 件获得良好的组织和性能。
步骤2:锥形环锻件的辗轧成形
先把预轧坯10在锻造加热炉内加热到相变点以下3(TC后装进由主辊模和芯 辊模组成的辗轧模具，如图2所示，把该预轧坯10用机械于装在芯辊模的内型模块16上并平放在轧环机的底盘上(图中未示出)，所述芯辊模由内型模块16、 芯套21、压环22通过螺母23和芯辊键24固定在芯辊12上；启动轧环机使其 主辊13按图2所示方向旋转，然后使芯辊12向主辊13方向平移靠近主辊13 后芯辊模与主辊模合模，所述主辊模山下端盖19、外型模块17、上端盖18通 过主辊套20和主辊键25固定在主辊13上，所述内型模块16和外型模块17的 外周面与所述上、下端盖18和19围成锥形孔型n，预轧坯10的纵向截面处于 该锥形孔型11内；同时由轧环机驱动上、下锥辊14和15按图2所示方向转动 并准备夹持住预轧坯10的上、K端面，使轧环机的两个抱辊26 (如图4所示) 扶持住预轧坯10的外环周面；
主辊13驱动预轧坯10、芯辊12和两个抱辊26按图3和图4所示的方向转 动，这时转动的上、下锥辊14和15夹持住转动的预轧坯10的上、下端面与其 一起转动；芯辊12沿径向朝主辊13方向作进给运动使芯辊12和主辊13以 40000kg 220000kg的轧制力在其锥形孔型11内辗轧预轧坯10，预轧坯10以 2mm/s 15mm/s的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小，上、下锥辊14和15以 及两个抱辊26随着预轧坯10的径向展宽而外移；
预轧坯10在锥形孔型11内被辗轧产生连续局部塑性变形，最后预轧坯10 在锥形孔型ll内变形25% 30%后成为锥形环锻件27，所有转动部件停止后移 开主辊13、锥辊14和15、两个抱辊26以及压在芯辊12顶部的轧环机悬臂， 从芯辊顶部取出锥形环锻件27。
在上述步骤2中，锥形环锻件采取小变形量成形的方式，可以避免该合金 在辗轧时发生温度升高，组织变异、晶粒粗大和裂纹等缺陷，获得组织均匀和 性能优良的环锻件。
在上述步骤1和步骤2中，该合金的终锻或终轧温度不小丁 850°C。 如图5所示，锥形环锻件27的外环面是由其上部c的外环直面、中部d的 外环斜面以及下部e的外环直面按照c、 d、 e的顺序通过圆弧自然过渡连接在一 起的曲面，其内环面是由其上部c的内环直面、中部d的内环斜面以及下部e 的内环直面按照c、 d、 e的顺序通过圆弧自然过渡连接在一起的曲面。按照GB/T5168《两相钛合金高低倍组织检验方法》检测，该锥形环锻件的 金相低倍组织如图6 (a)和图6 (b)所示，其中图6 (a)和图6 (b)的试样 分别取自图5中的a和b部位，在上述低倍组织图上均未发现有裂纹、縮孔、 气孔、夹杂、偏析等冶金缺陷；该锥形环锻件的金相高倍组织(显微镜下放大 500倍)如图6 (a')和图6 (b')所示，其中图6 (a')和图6 (b')的试样分 别取自图5中的a和b部位，山图中可见其组织均匀，并且未发现有粗晶、组 织变.异、偏析等缺陷。
按照GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》检测，该合金锥形环锻件的 室温抗拉强度为965MPa 975MPa，其伸长率为0.2%时的屈服强度为955MPa, 断后伸长率为11% 15%。
按照GB/T 4338《金属高温拉伸试验方法》检测，该锥形环锻.件在试验温 度为40(TC、试验应力为570MPa、持续时间在101小时内未断。
按照GB/T231. 1《金属布氏硬度试验方法》检测，该锥形环锻件的布氏硬度 为278。
上述理化检测结果表明，采用上述方法辗轧成形的该合金锥形环锻件具有 优良的内部组织和件能，完全满足了该合金锻件的使用要求。
图7 (a)示出了轧制图7 (b)所示的锥形环锻件273的辗轧模具的锥形孔 型lia的结构，在图7 (a)中，只需把图2或图3中的内型模块16和外型模块 17分别换成内型模块163和外型模块na即可，辗轧成形的锥形环锻件273的内 外环面均为平整面。
图8 (a)示出了轧制图8 (b)所示的锥形环锻件27b的辗轧模具的锥形孔 型llb的结构，在图8 (a)中，只需把图2或图3中的内型模块16和外型模块 17分别换成内型模块16b和外型模块17b即可。锥形环锻件27b的外环面是由其 上部c'的凸起环的外环面、中部d'的外环斜面以及下部e'的凸起环的外环面通 过圆弧自然过渡连接在一起的复杂曲面，其内环面是由上部c'的内环直面和中 部d'、下部e'的内环斜面通过圆弧自然过渡连接的曲面。
图9 (a)示出了轧制图9 (b)所示的锥形环锻件27e的辗轧模具的锥形孔型lie的结构，在图9 (a)中，只需把图2或图3中的内型模块16和外型模块 17分别换成内型模块16e和外型模块17￡即可。辗轧成形的锥形环锻件27、其 内环面是由该锻件g、 i、 k部位的内环直面和h、 j部位的内环斜面以g、 h、 i、 j、 k部位的顺序通过圆弧自然过渡连接的曲而，其外环而是山该锻件g、 i、 k 部位的外环直面和h、 j部位的外环斜面以g、 h、 i、 j、 k部位的顺序通过圆弧自 然过渡连接的曲面。
从图7 (a)、图8 (a)和图9 (a)可以看出，采用上述辗轧成形方法和辗 轧模具辗轧不同截面的钛合金锥形环锻件是很方便的。当辗轧成形的锥形环锻 件锥度较大时，可以把上述步骤1的矩形预轧坯通过机加出一定的斜度或通过 胀形出一定的锥度，再按上述步骤2提供的方法辗轧成锥形环锻件。本发明所 述的辗轧成形是把环锻件的预轧坯通过辗轧模具轧制成环锻件的成形方式。
权利要求
1. 一种钛合金锥形环锻件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤把按规格下料的钛合金棒料加热到相变点以下30℃的变形温度，经镦粗使其变形50％～55％得到实心圆饼；把所述实心圆饼冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后得到空心圆饼；加热所述空心圆饼到上述变形温度后使其被轧环变形20％～25％后得到矩形环坯；把所述矩形环坯加热到上述变形温度后再次被轧环使其变形30％～35％后得到矩形预轧坯；加热所述预轧坯到上述变形温度，把所述预轧坯装进轧环机辗轧模具，所述预轧坯的纵向截面在辗轧模具的锥形孔型内被轧环机辗轧并按所述孔型产生连续局部塑性变形，所述预轧坯壁厚减小并沿径向展宽被辗轧变形25％～30％后成为锥形环锻件。
2、 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于构成所述锥形孔型 的辗轧模具的锥形面是曲面。
3、 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于构成所述锥形孔型的辗轧模具的锥形面是平整面。
4、 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于所述预轧坯沿径向 的展宽速度是2 mm/s 15mm/s。
5、 按照权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在T:所述预轧坯受到的 径向轧制力是40000 kg 220000kg。
全文摘要
本发明公开了一种钛合金锥形环锻件的辗轧成形方法，为获得组织和性能优良的该合金锥形环锻件和实现精确轧制，该方法包括以下步骤合金棒料经加热镦粗变形50％～55％制成实心圆饼再冲孔使其孔径尺寸是其外径尺寸的30％～35％后制成空心圆饼；空心圆饼经加热被轧环变形20％～25％后得到矩形环坯，矩形环坯经加热再次被轧环变形30％～35％后得到矩形预轧坯；预轧坯经加热装进轧环机辗轧模具并在该模具的锥形孔型内被辗轧变形25％～30％后成形为锥形环锻件。辗轧时，上述预轧坯沿径向的展宽速度是2mm/s～15mm/s，受到的径向轧制力是40000kg～220000kg。该方法主要用于航空发动机锥形环锻件的成形，采用该方法可以获得沿零件外形呈流线分布的环面为复杂曲面的锥形环锻件。
文档编号B21J1/00GK101284296SQ20081006872
公开日2008年10月15日 申请日期2008年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者刘朝辉, 吴永安, 田永军 申请人:贵州航宇科技发展有限公司