一种改善TC4钛合金大尺寸锻件组织均匀性的锻造方法与流程

本发明属于钛合金锻造方法技术领域，具体涉及一种改善tc4钛合金大尺寸锻件组织均匀性的锻造方法。

背景技术：

对于常规探伤要求的锻件，可用于普通“高-低”的温度梯度和方倒方镦拔变形方式实现探伤和组织要求。但随着大量航空用零件设计趋于一体化设计，锻件尺寸也随之加大，单件重量增加，超声波探伤要求提高，对锻造工艺也提出了愈来愈高的要求。因此，为实现大尺寸锻件的高标准探伤要求，必须确保材料内部组织的均匀一致性。

由于钛合金组织的遗传性，粗大铸态组织破碎不彻底、和单一拔长过程坯料截面的十字变形不均匀区域是影响锻件内部组织均匀性的主要因素。近年来，为提高钛合金锻件组织均匀性，国内外钛合金学者开展了大量的研究工作，提出了fm锻造法、whf锻造法、kd锻造法、suf锻造法、ter锻造法、jts锻造法、fml锻造法和avd锻造法等，实现了单重和截面尺寸较小坯料的组织均匀化。但对单重在200～600kg，厚度尺寸在180～250mm的tc4合金锻板和饼材，超声波探伤满足ams-std-2154d的aa级要求暂无法实现。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种改善tc4钛合金大尺寸锻件组织均匀性的锻造方法，解决了单重200～600kg、厚度180～250mm的tc4合金锻板和饼材的问题组织均匀化不高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种改善tc4钛合金大尺寸锻件组织均匀性的锻造方法，包括以下步骤：

步骤1，选取tc4钛合金铸锭扒皮后切除冒口，随后采用差热法测试相变温度tβ；

步骤2，将步骤1处理后的铸锭加热至tβ+(50～150)℃，完成两-三火锻造；

步骤3，将步骤2处理后的铸锭在温度为tβ-(20～30)℃时完成一～两火锻造，每火次结束后水冷；

步骤4，将步骤3处理后的铸锭在温度tβ+(30～50)℃时完成一火，结束后水冷；

步骤5，将步骤4处理后的铸锭在温度tβ-(30～50)℃时完成三～四火锻造，每火次结束后水冷；

步骤6，将步骤5处理后的铸锭在tβ-(40～50)℃成型锻造，保温系数为0.6～0.8mim/mm。

本发明的特征还在于，

步骤2中每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.8～1.0mim/mm。

步骤3中每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.6～0.8mim/mm。

步骤4中每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.8～1.0mim/mm。

步骤5中每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.6～0.8mim/mm。

两镦两拔的镦拔变形过程为：

将所述处理后的铸锭首先镦粗、变形量为36～50％；随后延长度方向拔长成方坯，变形量为10～15％；然后沿方坯对角拔长，变形量为25～35％；最后进行方对方拔长，滚圆至原始圆坯尺寸。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的锻造方法可实现tc4钛合金大尺寸锻件的组织控制，通过控制锻造温度和改善镦拔方式，并进行均匀化处理，实现等轴组织中初生α相含量的大小、含量、形貌的控制，从而有效调整锻件的强度；

(2)本发明的锻造方法得到的锻件组织均匀性好，与传统的锻造工艺相比，在中间工序增加一火次tβ+(30～50)℃锻造，减少锻件由表及里的组织差异，均匀化组织；

(3)本发明的锻造方法通过“高-低-高-低”锻造工艺路线，改善坯料镦拔方式，实现截面尺寸较大锻件由表及里组织均匀性，超声波探伤满足ams-std-2154d的aa级要求；

(4)本发明的锻造方法通过两批次试制，探伤结果良好，适用于大规模工业化生产，有很好的实用价值。

附图说明

图1是本发明一种改善tc4钛合金大尺寸锻件组织均匀性的锻造方法实施例1的镦拔方式示意图；

图2是本发明实施例1制备的tc4钛合金锻板的芯部高倍组织图；

图3是本发明实施例1制备的tc4钛合金锻板的表层高倍组织。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种改善tc4钛合金大尺寸锻件组织均匀性的锻造方法，包括以下步骤：

步骤1，选取tc4钛合金铸锭扒皮后切除冒口，随后采用差热法测试相变温度tβ，一般情况下，tβ＝995℃±15℃；

步骤2，将步骤1处理后的铸锭加热至tβ+(50～150)℃，完成两-三火锻造，每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.8～1.0mim/mm；

步骤3，将步骤2处理后的铸锭在温度为tβ-(20～30)℃时完成一～两火锻造，每火次结束后水冷，每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.6～0.8mim/mm；

步骤4，将步骤3处理后的铸锭在温度tβ+(30～50)℃时完成一火，结束后水冷，每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.8～1.0mim/mm；

步骤5，将步骤4处理后的铸锭在温度tβ-(30～50)℃时完成三～四火锻造，每火次结束后水冷，每火次的镦拔方式为两镦两拔，镦拔过程中保温系数为0.6～0.8mim/mm；

步骤6，将步骤5处理后的铸锭在tβ-(40～50)℃成型锻造，保温系数为0.6～0.8mim/mm。

两镦两拔的镦拔变形过程为：将处理后的铸锭首先镦粗、变形量为36～50％；随后延长度方向拔长成方坯，变形量为10～15％；然后沿方坯对角拔长，变形量为25～35％；最后进行方对方拔长，滚圆至原始圆坯尺寸。

步骤3、步骤4、步骤5中每火次之间的冷却方式为均为水冷，目的是储存大量畸变能，为下火锻造加热过程再结晶组织均匀化提供充足的能量。

步骤2和步骤4保温系数为0.8～1.0mim/mm，可使坯料在加热的同时实现微区组织的均匀化处理；步骤3、步骤5和步骤6的保温系数为0.6～0.8mim/mm，目的是避免保温时间过长，低倍组织粗化。

本发明锻造方法能生产单重200～600kg，厚度尺寸在180～250mm的钛合金锻板和饼材，通过“高-低-高-低”锻造工艺路线，改善坯料镦拔方式，实现截面尺寸较大锻件由表及里组织均匀性，超声波探伤满足ams-std-2154d的aa级要求；

实施例1

步骤1，选取ф600mm的tc4钛合金铸锭扒皮后切除冒口，随后采用差热法测试相变温度tβ，得到tβ＝1000℃；

步骤2，将规格为ф600mm锭型一火次的开坯锻造后进行下料，完成两火次的锻造，其中第一火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1150℃，单个镦拔变形量控制在40％，保温系数为0.8mim/mm；

其中第二火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1100℃，单个镦拔变形量控制在40％，修磨处理，保温系数为0.8mim/mm；

步骤3，将步骤2处理后的铸锭在温度为(tβ-20)℃时完成一火锻造，保温系数为0.6mim/mm，其中第三火次始锻温度为980℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，水冷；

步骤4，将步骤3处理后的铸锭在温度tβ+(30～50)℃时完成一火，保温系数为0.8mim/mm，其中第四火次始锻温度为1030℃，镦拔方式和变形量重复第二火次，修磨处理，水冷

步骤5，将步骤4处理后的铸锭在温度tβ-(30～50)℃时完成四火锻造，保温系数为0.6mim/mm；

其中第五火次始锻温度为970℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，修磨处理，水冷；

第六火次始锻温度为960℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，修磨处理，水冷；

第七火次始锻温度为950℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，修磨处理，水冷；

第八火次始锻温度为950℃，一镦一拔后展宽，变形量为37％，修磨处理，水冷；

步骤6，将步骤5处理后的铸锭在tβ-(40～50)℃成型锻造，保温系数为0.6mim/mm；其中第九火次始锻温度为950℃，成型锻造。

如图1所示，为本实施例的镦拔过程示意图，通过锻造制备出tc4钛合金200×500×500mm锻板，如图2所示，为制备锻板的芯部高倍组织图，如图3所示，为制备的tc4钛合金锻板的表层高倍组织，由上可知，锻板组织均匀性好，减少锻板由表及里的组织差异，均匀化组织。探伤结果满足ams-std-2154d的aa级要求。

实施例2

步骤1，选取ф700mm的tc4钛合金铸锭扒皮后切除冒口，随后采用差热法测试相变温度tβ，得到tβ＝990℃；

步骤2，将规格为ф700mm锭型一火次的开坯锻造后进行下料，完成三火次的锻造，

其中第一火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1040℃，单个镦拔变形量控制在36％，保温系数为1.0mim/mm；

其中第二火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1050℃，单个镦拔变形量控制在36％，修磨处理，保温系数为1.0mim/mm；

其中第三火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1060℃，单个镦拔变形量控制在36％，修磨处理，保温系数为1.0mim/mm；

步骤3，将步骤2处理后的铸锭在温度为(tβ-20)℃时完成两火锻造，保温系数为0.8mim/mm，

其中第四火次始锻温度为970℃，镦拔方式和变形量与第三火次相同，水冷；

其中第五火次始锻温度为970℃，镦拔方式和变形量与第三火次相同，水冷；

步骤4，将步骤3处理后的铸锭在温度tβ+(30～50)℃时完成一火，保温系数为1.0mim/mm，

其中第六火次始锻温度为1020℃，镦拔方式和变形量重复第三火次，修磨处理，水冷；

步骤5，将步骤4处理后的铸锭在温度tβ-(30～50)℃时完成三火锻造，保温系数为0.8mim/mm；

其中第七火次始锻温度为960℃，镦拔方式和变形量与第三火次相同，修磨处理，水冷；

第八火次始锻温度为960℃，镦拔方式和变形量与第三火次相同，修磨处理，水冷；

第九火次始锻温度为960℃，镦拔方式和变形量与第三火次相同，修磨处理，水冷；

步骤6，将步骤5处理后的铸锭在tβ-(40～50)℃成型锻造，保温系数为0.8mim/mm；

其中第十火次始锻温度为950℃，成型锻造。

实施例3

步骤1，选取ф400mm的tc4钛合金铸锭扒皮后切除冒口，随后采用差热法测试相变温度tβ，得到tβ＝995℃；

步骤2，将规格为ф400mm锭型一火次的开坯锻造后进行下料，完成两火次的锻造，

其中第一火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1095℃，单个镦拔变形量控制在50％，保温系数为0.9mim/mm；

其中第二火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1100℃，单个镦拔变形量控制在50％，修磨处理，保温系数为0.9mim/mm；

步骤3，将步骤2处理后的铸锭在温度为tβ-(20～30)℃时完成一火锻造，保温系数为0.7mim/mm，

其中第三火次始锻温度为975℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，水冷；

步骤4，将步骤3处理后的铸锭在温度tβ+(30～50)℃时完成一火，保温系数为0.9mim/mm，

其中第四火次始锻温度为1135℃，镦拔方式和变形量重复第二火次，修磨处理，水冷

步骤5，将步骤4处理后的铸锭在温度tβ-(30～50)℃时完成三火锻造，保温系数为0.7mim/mm；

其中第五火次始锻温度为965℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，修磨处理，水冷；

第六火次始锻温度为965℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，修磨处理，水冷；

第七火次始锻温度为965℃，镦拔方式和变形量与第二火次相同，修磨处理，水冷；

步骤6，将步骤5处理后的铸锭在tβ-(40～50)℃成型锻造，保温系数为0.6mim/mm；

其中第八火次始锻温度为950℃，成型锻造。