专利名称：一种采用局部加载工艺实现近α钛合金双性能的方法
技术领域：
本发明涉及热加工领域，具体是一种采用局部加载工艺实现近a钛合金双性能的 方法。二、 背景技术对一些服役环境较为复杂的构件而言，同一构件不同部位的受力状况和服役环境 往往是不同的。特别是航空航天构件中此类情况表现的尤为突出。例如飞行器中的一 些梁结构，高温工作端温度较高，而固定端工作温度相对较低但需要承载较大应力。 为了满足高性能和高可靠性，客观上要求在梁的高温工作端应具有高的高温拉伸强度、 断裂韧性和抗蠕变能力，同时固定端应具有高的室温拉伸强度、塑性和疲劳强度。又 如喷气发动机中的压气机盘和涡轮盘，工作状态存在大的温度梯度和应力梯度，盘体 (盘心至盘辐的整体部分)与轴相连，要承受固定在盘缘榫齿上的叶片高速旋转产生 的离心拉应力，以及由于沿轮盘半径和厚度方向受热不均匀而产生的热应力，应力较 大但温度较低；盘缘(枞树形榫头部分)与叶片相连受到叶片旋转产生的离心拉应力、 温度应力和叶片振动产生的应力，受力较小但温度较高。因此要求盘体有髙的室温拉 伸强度、塑性和低周疲劳强度，而盘缘要求有高的高温拉伸强度、断裂韧性和蠕变持 久强度。即使整体构件在不同部位具有不同的力学性能，实现双性能，更好的适应服 役条件，延长使用寿命。目前，制造整体双性能的工艺技术主要有粉末冶金、组合制 坯等温锻造成形、形变热处理、梯度热处理等。然而这些方法大都存在工艺流程复杂 不易控制、生产效率低，粉末冶金和组合制坯等温锻造成形还有界面"弱连接"等问 题。三、 发明内容为克服现有技术中存在的工艺流程复杂不易控制、生产效率低以及界面"弱连接" 等问题，本发明提出了一种采用局部加载工艺实现近a钛合金双性能的方法。 本发明的具体成形过程为 第一步，坯料改锻将钛合金棒料加热到Te+ (40 50°C)，保温l~2h，进行镦粗、拔长，变形量50%~70%，锻后水冷至室温，以改善材料的冶金质量，提高材料的组织和成分均匀性； 将得到的毛坯加热到Tp- (40 50°C)的两相区改锻，反复镦粗、拔长至变形量为 50%~70%;锻后水冷至室温，以获得细小的等轴组织。 第二步，预制坯制备将改锻后的坯料加热到Tp-40°C，保温1 2h，采用自由锻进行制坯，获得满足初 始形状要求的预制坯，锻后水冷；再将预制坯加热到丁0+ (20 30°C)，保温l 2h，水 冷至室温。从而获得具有马氏体a'组织的预制坯。坯料表面车光，缺陷局部打磨。根据实际需要，将工件划分为A区和B区两个加载区，C区是位于A与B之间 的过渡区。其中A区为大变形区域(成形梁的固定端和轮盘的盘体)，变形量在 50% 60%， B区为变形量在20%~30%的小变形区域(成形梁的高温工作端和轮盘的 盘缘)。第三步，等温局部加载局部加载在两个道次完成，每个道次由两个加载步组成。具体步骤如下 第一道次第一加载步，将坯料加热到TV(40 5(TC)，模具加热到Tp-6(TC，对工件A区进行局部加载；加载的压下速度为0.2~0.4mm/S;控制压下量使材料变形量在50%~60%之间。第一道次第二加载步，将坯料加热到Tp-(40 50。C)，模具加热到Tp-6(TC，对工件 B区进行局部加载；加载的压下速度为0.2 0.4mm/s;控制压下量使材料变形量在 20%~30%之间，第一加载道次完成，取出工件水冷至室温。第二道次第一加载步，将坯料加热到Tp-(15~20°C)，模具加热到Tp-30。C，对工件 A区进行局部加载；加载的压下速度为0.2~0.4mm/s;控制压下量使材料变形量在 20%~30%之间。第二道次第二加载步，将坯料加热到Tp-(15 20'C)，模具加热到Tp-3(TC，对工件 B区进行局部加载；加载的压下速度为0.2 0.4mm/s;控制压下量使材料变形量在 20%~30%之间。第四步，精整第二道次局部加载完成后，直接对工件的A、 B区同时加载，压下速度 0.05 0.1mm/s，控制A、 B区压下量使材料变形量在10%以内。达到预定变形量后，整体保压10min 15min。第五步，热处理锻后工件水冷至室温，采用再结晶退火的热处理工艺，将工件加热到再结晶温度， 保温l 2h，空冷至室温。 第六步，无损检测。采用本发明的热加工工艺成形的工件，能够在A区得到等轴a相含量为20%左右 的三态组织，在B区得到网篮组织，过渡区C区等轴a相含量较A区高，为双态组织。 故成形件在A区具有高的室温塑性、强度和长的疲劳寿命，B区具有高的高温强度、 持久强度、断裂韧性和蠕变强度，即使整体构件获得双性能。本发明提出了一种简单高效的整体双性能构件成形方法，即在特定温度下，通过 局部加载的方法对局部变形进行精确控制，从而在不同加载区获得不同的预定组织， 在大变形区得到具有高的室温拉伸强度、塑性、疲劳强度及综合力学性能的等轴a相 含量在20%左右的三态组织，在小变形区得到具有高的高温拉伸强度、断裂韧性和抗 蠕变能力的网篮组织，过渡区为双态组织，从而实现整体构件的双性能。四
附图l是工艺流程图；附图2是双性能矩形截面梁等温局部加载示意图；附图3是实施例一双性能矩形截面梁成形件A区获得的三态组织；附图4是实施例一双性能矩形截面梁成形件B区获得的网篮组织；附图5是实施例一双性能矩形截面梁成形件C区获得的双态组织；附图6是实施例二双性能矩形截面梁成形件A区获得的三态组织；附图7是实施例二双性能矩形截面梁成形件B区获得的网篮组织；附图8是实施例二双性能矩形截面梁成形件C区获得的双态组织；附图9是双性能轮盘等温局部加载示意图；附图10是双性能轮盘成形件A区获得的三态组织；附图11是双性能轮盘成形件B区获得的网篮组织；附图12是双性能轮盘成形件C区获得的双态组织。五、 具体实施方案实施例一本实施例是一种采用局部加载工艺实现近a钛合金矩形截面梁双性能的方法。 本实施例的原材料采用O)300mm的TA15钛合金棒材，名义成分为 Ti-6Al-2Zr-lMo-lV，相变点Tp为99(TC，再结晶温度830。C。具体过程如下 第一步，坯料改锻将棒材在箱式电阻炉中加热到Tp+4(TC，保温2h，快锻机上进行镦粗、拔长，变 形量50%~70%，锻后水冷至25。C;接着将得到的毛坯加热到Tp-50'C，保温2h，在快 锻机上进行改锻，反复镦粗、拔长，变形量50%~70%，锻后水冷至25'C。第二步，预制坯制备箱式电阻炉中将改锻后的坯料加热到Tp-4(TC，保温lh,采用自由锻进行制坯，获 得台阶状预制坯，锻后水冷至25。C;再将预制坯加热到Tp+2(TC，保温lh，水冷。坯 料表面车光，缺陷局部打磨，得到如图2所示A区厚度为80mm， B区厚度为50mm 的预制坯。其中A区和B区是两个加载区，C区是位于A与B之间的过渡区。A区 为大变形区域，变形量在50%~60%，成形梁的固定端，B区为变形量在20%~30%的 小变形区域，成形梁的高温工作端。第三步，等温局部加载坯料在箱式电阻炉中加热，在800吨等温液压机上进行等温局部加载，分两道次 完成，每道次由两个加载步组成。具体步骤如下第一道次第一加载步，将坯料加热到Tp-4(TC，模具加热到Tp-6(TC，对工件A区 进行局部加载；加载的压下速度0.2mm/s，压下量40mm，材料变形量为50%。第一道次第二加载步，将坯料加热到Tp-4(TC，模具加热到Tp-6(rC，对工件B区 进行局部加载；加载的压下速度0.2mm/s，压下量10mm，材料变形量为20%，第一 道次加载完成，取出工件水冷。第二道次第一加载步，将坯料加热到Tp-15'C，模具加热到Tp-3(TC，对工件A区 进行局部加载；加载的压下速度0.2111111/3，压下量8mm，材料变形量为20%。第二道次第二加载步，将坯料加热到Tp-15。C，模具加热到Tp-30。C，对工件B区 进行局部加载；加载的压下速度0.2mm/s，压下量8mm，材料变形量为20%。第四步，精整第二道次局部加载完成后，直接对工件的A、 B区同时加载，压下速度0.1mm/s。 A、 B区压下量均为lmm，材料变形量为3%。整体保压10min。 第五步，热处理锻后工件水冷至25。C，再将工件在箱式电阻炉中加热到83(TC，保温lh，空冷至 25°C。第六步，无损检测。 实施例二本实施例是一种采用局部加载工艺实现近a钛合金矩形截面梁双性能的方法。 本实施例的原材料采用0>500mm的TA15钛合金棒材，名义成分为 Ti-6Al-2Zr-lMo-lV，相变点Tp为990。C，再结晶温度83(TC。具体过程如下 第一步，坯料改锻将棒材在箱式电阻炉中加热到Tp+5(TC，保温lh，快锻机上进行镦粗、拔长，变 形量50%~70%，锻后水冷至25。C;接着将得到的毛坯加热到Tp-40'C，保温lh，在快 锻机上进行改锻，反复镦粗、拔长，变形量50% 70%，锻后水冷至25"。第二步，预制坯制备箱式电阻炉中将改锻后的坯料加热到Tp-4(TC，保温2h,采用自由锻进行制坯，获 得台阶状预制坯，锻后水冷至25'C;再将预制坯加热到Tp+3(TC，保温2h，水冷。坯 料表面车光，缺陷局部打磨，得到如图2所示A区厚度为150mm， B区厚度为90mm 的预制坯。其中A区和B区是两个加载区，C区是位于A与B之间的过渡区。A区 为大变形区域，变形量在50%~60%，成形梁的固定端，B区为变形量在20°/(^30%的 小变形区域，成形梁的高温工作端。第三步，等温局部加载坯料在箱式电阻炉中加热，在800吨等温液压机上进行等温局部加载，分两道次 完成，每道次由两个加载步组成。具体步骤如下第一道次第一加载步，将坯料加热到Tp-50。C，模具加热到Tp-6(TC，对工件A区 进行局部加载；加载的压下速度0.4mm/s，压下量90mm，材料变形量为60%。第一道次第二加载步，将坯料加热到Tp-5(TC，模具加热到TV60'C，对工件B区 进行局部加载；加载的压下速度0.4mm/s，压下量27mm，材料变形量为30%，第一道次加载完成，取出工件水冷。
第二道次第一加载步，将坯料加热到Tp-2(TC，模具加热到Tp-3(TC，对工件A区 进行局部加载；加载的压下速度0.4mm/s，压下量18mm，材料变形量为30%。
第二道次第二加载步，将坯料加热到T(r2(TC，模具加热到Tp-3(TC，对工件B区 进行局部加载；加载的压下速度0.4mm/s，压下量19mm，材料变形量为30%。
第四步，精整
第二道次局部加载完成后，直接对工件的A、 B区同时加载，压下速度0.05mm/s。 A区压下量lmm，材料变形量为2%， B区压下量3mm，材料变形量为7%。整体保 压15min。
第五步，热处理
锻后工件水冷至25-C，再将工件在箱式电阻炉中加热到83(TC，保温2h，空冷至 25°C。
第六步，无损检测。 实施例三
本实施例是一种采用局部加载工艺实现近a钛合金轮盘双性能的方法。 本实施例的原材料采用(D400mm的TA15钛合金棒材，名义成分 Ti-6Al-2Zr-lMo-lV，相变点Tp是9卯'C，再结晶温度83(TC。具体操作如下 第一步，坯料改锻
将棒材在箱式电阻炉中加热到Tp+40。C，保温2h，快锻机上进行镦粗、拔长，变 形量50%~70%，锻后水冷至2(TC;接着将得到的毛坯加热到Tp-4(TC，保温2h，在快 锻机上进行改锻，反复镦粗、拔长，变形量50% 70%，锻后水冷至2(TC。
第二步，预制坯制备
箱式电阻炉中将改锻后的坯料加热到Tp-4(rC，保温2h,采用自由锻进行制坯，获 得圆饼状预制坯，锻后水冷至2CTC;再将预制坯加热到Tp+2(TC，保温2h，水冷至20 °C。坯料表面车光，缺陷局部打磨，得到如图6所示O200mmX55mm的预制坯。将 坯料划分为A区和B区两个加载区，C区是位于A与B之间的过渡区。其中A区为 大变形区域，成形轮盘的盘体部分，变形量在50% 60%， B区为变形量在20%~30% 的小变形区域，成形轮盘的盘缘部分。第三步，等温局部加载
坯料在箱式电阻炉中加热，在800吨等温液压机上进行等温局部加载，分两道次
完成，每道次由两个加载步组成。具体步骤如下
第一道次第一加载步，将坯料加热到Tp-4(TC，模具加热到Tp-6(TC，对工件A区 进行局部加载；加载的压下速度0.3mm/s，压下量30mm，材料变形量为55%。
第一道次第二加载步，将坯料加热到Tp-4(TC，模具加热到Tp-60。C，对工件B区 进行局部加载；加载的压下速度0.3mm/s，压下量14mm，材料变形量为25%。第一 道次加载完成，取出工件水冷至2(TC。
第二道次第一加载步，将坯料加热到Tp-15。C，模具加热到Tp-3(TC，对工件A区 进行局部加载；加载的压下速度0.3mm/s，压下量6mm，材料变形量为25%。
第二道次第二加载步，将坯料加热到TV15T:，模具加热到Tp-3(TC，对工件B区 进行局部加载；加载的，压下速度0.3mm/s，压下量7.5mm，材料变形量为25%。
第四步，精整
第二道次局部加载完成后，直接对工件的A、 B区同时加载，压下速度0.1mm/s， A、 B区压下量均为0.5mm，材料变形量为1%。整体保压10min。 第五步，热处理
锻后工件水冷至2(TC，再将工件在箱式电阻炉中加热到830'C，保温1.5h，空冷 至20。C。
第六步，无损检测。
权利要求
1.一种采用局部加载工艺实现近α钛合金双性能的方法，将工件划分为A区和B区两个加载区，C区是位于A与B之间的过渡区；其中A区为大变形区域，变形量在50％～60％，B区为变形量在20％～30％的小变形区域；通过两个道次、每个道次两个加载步的等温局部加载实现成形；其特征在于，具体成形过程为第一步，坯料改锻；将钛合金棒料加热到Tβ+(40～50℃)，保温1～2h，进行镦粗、拔长，变形量为50％～70％，锻后水冷至室温；将得到的毛坯加热至Tβ-(40～50℃)的两相区改锻，反复镦粗、拔长至变形量为50％～70％，锻后水冷至室温；第二步，预制坯制备；将改锻后的坯料加热到Tβ-40℃，保温1～2h，采用自由锻进行制坯，锻后水冷至室温；将预制坯加热到Tβ+(20～30℃)，保温1～2h，水冷至室温；坯料表面车光，缺陷局部打磨；第三步，等温局部加载；包括，a.第一道次第一加载步，将坯料加热到Tβ-(40～50℃)，模具加热到Tβ-60℃，对工件A区进行局部加载；加载的压下速度0.2～0.4mm/s；控制压下量使材料变形量为50％～60％；b.第一道次第二加载步，将坯料加热到Tβ-(40～50℃)，模具加热到Tβ-60℃，对工件B区进行局部加载；加载的压下速度0.2～0.4mm/s；控制压下量使材料变形量为20％～30％，第一加载道次完成，取出工件水冷至室温；c.第二道次第一加载步，将坯料加热到Tβ-(15～20℃)，模具加热到Tβ-30℃，对工件A区进行局部加载；加载的压下速度0.2～0.4mm/s；控制压下量使材料变形量为20％～30％；d.第二道次第二加载步，将坯料加热到Tβ-(15～20℃)，模具加热到Tβ-30℃，对工件B区进行局部加载；加载的压下速度0.2～0.4mm/s；控制压下量使材料变形量为20％～30％；第四步，精整；第二道次局部加载完成后，直接对工件的A、B区同时加载，压下速度0.05～0.1mm/s，控制A、B区压下量使材料变形量在10％以内；达到预定变形量后，整体保压10min～15min；第五步，热处理；锻后工件水冷至室温，将工件加热到再结晶温度，保温1～2h，空冷至室温；第六步，无损检测。
2.如权利要求1所述一种采用局部加载工艺实现近a钛合金双性能的方法，其特征在于所述的热处理采用再结晶退火的热处理工艺。
全文摘要
本发明公开了一种采用局部加载工艺实现近α钛合金双性能的方法，将工件分为A区和B区两个加载区，C区是A、B区之间的过渡区；其中A区为大变形区域，B区为小变形区域；通过两个道次、每个道次两个加载步的等温局部加载实现成形。本发明的具体成形过程包括坯料改锻、预制坯制备、等温局部加载、精整、热处理和无损检测，所成形的工件能够在A区得到具有高的室温塑性、强度和长的疲劳寿命的等轴α相含量为20％的三态组织，在B区得到具有高的高温拉伸强度、断裂韧性和抗蠕变能力的网篮组织，过渡区C区等轴α相含量较A区高，为双态组织，从而实现整体构件的双性能，是一种简单高效的整体双性能构件成形方法。
文档编号C22F1/18GK101629273SQ20091002358
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年8月14日
发明者周稳静, 孙志超, 合 杨 申请人:西北工业大学