专利名称：Tc11钛合金薄壁环件的辗轧成形方法
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 TCll钛合金薄壁环件 的辗轧成形方法。
背景技术：
TCll钛合金是一种综合性能良好的两相钛合金，采用该合金环轧成形的航空航天 等领域使用的筒形壳体等回转体零部件，例如航空发动机鼓筒等薄壁环件，要求在500°c以 下长期工作时具有优异的热强性能和较高的室温强度。轧制时，由于合金变形温度范围较 窄，变形量较小，锻件壁厚较薄，尺寸精度、性能及组织要求较高，增加了轧制成形的难度。
2008年10月8日公开的中国发明专利说明书CN 101279345A公开了一种钛合 金异形环件的辗轧成形方法，该方法把按规格下料的合金棒料经镦粗、冲孔、两次轧环制坯 (不使用辗轧模具)，再把坯料装进轧环机辗轧模具内辗轧成形，通过在连续两次轧环制坯 过程中采取小变形量成形的方式和在各工艺步骤中控制准确的变形量，轧制出了组织和性 能良好的异形环件。采用该方法轧制壁厚较薄的TCll钛合金薄壁环件时，由于辗轧模具被 固定在轧辊上(即主辊和芯辊上)，轧制时辗轧模具的孔型与预轧坯之间产生激烈的摩擦 不仅使轧制过程非常不稳定对生产造成影响，而且还容易导致预轧坯温度升高对合金的组 织和性能产生影响，如出现组织变异、晶粒粗大等缺陷。
在采用上述方法及直接使用轧环机的主辊和芯辊轧制(如上述方法中的轧环制 坯)薄壁的TCll钛合金薄壁环件时，由于受轧环机的芯辊等部件刚度的影响，加上薄壁环 件的结构刚度较差和加工余量较小，轧制过程中易导致预轧坯出现塑性失稳而产生轧扁、 喇叭口等现象，造成环件形状和尺寸达不到设计使用或机加工要求而报废，这对价格昂贵 的TCll钛合金材料来说损失较大。
辗轧过程中，预轧坯刚开始轧制时由于先向其转动方向一侧的抱辊偏移，再向另 一侧的抱辊偏移，使预轧坯在轧制过程中有朝其两侧的抱辊左右摆动的现象，受抱辊扶持 产生的反作用力影响，环件容易被轧扁而报废。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用随动模套来实现TCll钛合金薄壁环件 的辗轧成形方法，采用该方法能够轧制出尺寸精度高并具有优良组织和性能的薄壁环件。
为解决上述技术问题，本发明所述TCll钛合金薄壁环件的辗轧成形方法，其技术 方案包括以下步骤
加热TCll钛合金预轧坯到相变点以下20°C 30°C的变形温度，并预热随动模套 到250°C 300°C的温度；
把所述预轧坯和随动模套装进轧环机，使预轧坯套住随动模套、随动模套套住芯 辊并且沿主辊和芯辊的中心距方向预轧坯与主辊的外周面之间、预轧坯的内环面与随动模 套的外周面之间、以及随动模套的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，预轧坯被两个抱辊在其外周面扶持，上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持该两个工 件；
启动轧环机使其主辊旋转并驱动预轧坯、随动模套、芯辊和两个抱辊转动，同时由 轧环机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动，芯辊沿径向朝主辊方向作 进给运动并与主辊一起以200KN 4000KN的轧制力在随动模套的支撑下辗轧预轧坯，预轧 坯以5mm/s lOmm/s的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25 % 45 %后被辗轧 成薄壁环件。
并且，所述随动模套在设计时，其最小壁厚按下式计算
D0 = L-D1-R1-R2
式中 为随动模套的最小壁厚；
L为主辊与芯辊的最小中心距；
D1为薄壁环件的径向最小壁厚；
R1为主辊的半径；
&为芯辊的半径。
采用上述辗轧成形方法轧制成形的薄壁环件，其壁厚最小值是25mm，高厚比的最 大值是25mm0
与现有技术相比，本发明的有益效果如下
本发明把加热到变形温度的TCll钛合金预轧坯和经预热的随动模套套装进轧环 机定位后，由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起在随动模套的支撑下辗轧 预轧坯使其变形成形，获得了薄壁及组织和性能优良的薄壁环件。
辗轧过程中，由于随动模套只进行了预热处理，其在轧制过程中几乎是不会变形 的。轧制时由于在预轧坯和芯辊之间隔了一层随动模套，并且随动模套在预轧坯内与其一 起同向转动，克服了预轧坯与随动模套之间由于产生激烈的摩擦使轧制过程不稳定和易导 致预轧坯温度升高的现象，从而有利于组织生产和获得优质锻件。
辗轧过程中，由于预轧坯的内环面紧贴在随动模套的外周面上并与其一起同向、 同步转动，避免了预轧坯受芯辊刚性部件的影响，从而避免其出现塑性失稳而产生轧扁、喇 叭口等现象，而且与预轧坯一起同向、同步转动的随动模套还可对预轧坯的内环面进行整 圆防止其轧扁和出现喇叭口等现象，可实现精密轧制成形尺寸精度高的环件，节省贵重的 钛合金材料。
辗轧过程中，由于预轧坯内套装有随动模套，对预轧坯起到了较好的支撑和稳固 作用，从而可以有效减轻预轧坯在轧制过程中朝其两侧的抱辊左右摆动的现象，防止环件 被轧扁而报废。
经检测该合金薄壁环件的尺寸精度，达到了相应尺寸的3%。(千分之三)。
经检测该合金薄壁环件的室温拉伸性能，其抗拉强度为1060MPa IlOOMPa(满 足了设计使用要求)，伸长率为0. 2%时的屈服强度为955MPa IOOOMPa(大于设计使用 要求的910MPa)，断后伸长率为12% 16% (大于设计使用要求的8% )，断面收缩率为 23. 5% 27% (大于设计使用要求的23% )，冲击功为48 61J(大于设计使用要求的 23. 5J)。
经检测该合金薄壁环件在500°C的高温拉伸性能，其抗拉强度为725MPa 770MPa(大于设计使用要求的715MPa)，断后伸长率为14% 19. 5% (大于设计使用要求 的12% )，断面收缩率为52% 70. 5% (大于设计使用要求的40% )。
经检测该合金薄壁环件的持久性能，该合金锻件在试验温度为500°C、试验应力为 640MPa、持续时间达36小时内未断，满足了设计使用要求。
经检测该合金薄壁环件的金相组织，达到了《钛合金环形锻件》(HB 7238)航空行 业标准的要求。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
图1是TCll钛合金预轧坯的立体结构示意图。
图2是随动模套和预轧坯的装机定位及辗轧状态示意图。
图3是预轧坯辗轧成薄壁环件的立体结构示意图。
具体实施方式
实施本发明所述的TCll钛合金薄壁环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。
该合金的主要化学元素含量(重量百分比)为含Al量5. 8% 7.0%、含Mo量 2. 8% 3. 8%、含 Zr 量 0. 8% 2. 0%、含 Si 量 0. 2% 0. ；35%、含 Fe 量彡 0. 25%、含 C 量 (0. 10%、含N量彡0. 05%、含H量彡0. 012%、含0量彡0. 15%、其他元素单个彡0. 10% 且总和< 0. 40%、余量为Ti。
该合金从棒料到生产出合格的薄壁环件的工艺步骤如下
步骤1 制坯。
把按规格下料的TCll钛合金棒料经加热、镦粗、冲孔、拔长、预轧后制取预轧坯 10°，其形状如图1所示。
步骤2:装机。
如图2所示，把预轧坯10°在锻造加热炉内加热到相变点以下20°C 30°C的变形 温度后装进轧环机并平放在该机的底盘上(图中未示出)，预轧坯10°套进轧环机的芯辊 2，其外周面与轧环机的主辊1及两个抱辊3的外周面相切接触，两个抱辊3对预轧坯10° 起扶持作用；同时把随动模套4在锻造加热炉内预热到250°C 300°C后装进轧环机套进轧 环机的芯辊2并套在预轧坯10°内后平放在该机的底盘上(图中未示出)，预轧坯10°的 外周面与主辊1的外周面之间、预轧坯10°的内环面与随动模套4的外周面之间、及随动模 套4的内环面与芯辊2的外周面之间均沿芯辊2和主辊4的中心距方向相切接触；启动轧 环机使其上锥辊5和下锥辊6沿随动模套4和预轧坯10°的上下端面夹持该两个工件，完 成该两个工件的装机定位。装机时工件的装运主要通过机械手操作完成。
步骤3:辗轧。
启动轧环机使其主辊1按图2所示方向旋转，主辊1驱动预轧坯10°、随动模套 4、芯辊2和两个抱辊3按图2所示的方向转动，同时由轧环机驱动上锥辊5和下锥辊6按 图2所示方向转动并在预轧坯10°和随动模套4轧制过程中夹持该两个工件的上、下端面， 使轧环机的两个抱辊3扶持住预轧坯10°的外周面；芯辊2沿径向朝主辊1方向作进给运5动并与主辊1 一起以200KN 4000KN的轧制力在随动模套4的支撑下辗轧预轧坯10°，预 轧坯10°以5mm/s 10mm/S的速度沿径向展宽，其壁厚逐渐减小。
预轧坯10°在随动模套4的支撑下被辗轧产生连续局部塑性变形，当其变形量达 25% 45%后被轧制成形为薄壁环件10 (如图3所示)，关闭轧环机，所有转动部件停止后 移开主辊1、上锥辊5和下锥辊6、两个抱辊3以及压在芯辊2顶部的轧环机悬臂，从芯辊2 顶部取出薄壁环件10。
终轧后薄壁环件10进行双重退火处理，即把薄壁环件10加热至950°C，按壁厚保 温1 2h ；随炉空冷至530°C，保温6h，空冷。
在上述步骤1和步骤3中，该合金的终锻或终轧温度不小于850°C ；在本实施例中， 经检测该合金的相变点为1005°C。
所述变形量的计算方法为变形量=[(预轧坯10°沿中心线的纵截面面积-薄 壁环件10沿中心线的纵截面面积)/预轧坯10°沿中心线的纵截面面积]X 100%。
在上述轧制过程中，为保证随动模套4在轧制过程中不变形和预轧坯10°能够在 该模套内充分变形成形，该模套的最小壁厚按下式进行设计计算
D0 = L-D1-R1-R2
式中Dq为随动模套4的最小壁厚；
L为主辊1与芯辊2的最小中心距；
D1为薄壁环件10的径向最小壁厚；
R1为主辊1的半径；
&为芯辊2的半径。
采用上述辗轧方法轧制的该合金薄壁环件10，其最小壁厚可达25mm，高厚(指壁 厚)比最大可达25mm。
经检测，采用上述方法辗轧成形的TCll钛合金薄壁环件10具有较高的尺寸精度 和优良的内部组织及性能，完全满足了该合金锻件的设计使用要求。
权利要求
1.一种TCll钛合金薄壁环件的辗轧成形方法，其特征在于，包括以下步骤加热TCll钛合金预轧坯到相变点以下20°C 30°C的变形温度，并预热随动模套到 250°C 300°C的温度；把所述预轧坯和随动模套装进轧环机，使预轧坯套住随动模套、随动模套套住芯辊并 且沿主辊和芯辊的中心距方向预轧坯与主辊的外周面之间、预轧坯的内环面与随动模套的 外周面之间、以及随动模套的内环面与芯辊的外周面之间分别相切接触，预轧坯被两个抱 辊在其外周面扶持，上锥辊和下锥辊沿随动模套和预轧坯的上、下端面夹持该两个工件；启动轧环机使其主辊旋转并驱动预轧坯、随动模套、芯辊和两个抱辊转动，同时由轧环 机驱动上锥辊和下锥辊夹持住随动模套和预轧坯一起转动，芯辊沿径向朝主辊方向作进给 运动并与主辊一起以200KN 4000KN的轧制力在随动模套的支撑下辗轧预轧坯，预轧坯以 5mm/s lOmm/s的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25% 45%后被辗轧成薄 壁环件。
2.根据权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于所述随动模套的最小壁厚按下 式进行设计计算D0 = L-D1-R1-R2式中 为随动模套的最小壁厚； L为主辊与芯辊的最小中心距； D1为薄壁环件的径向最小壁厚； R1为主辊的半径； R2为芯辊的半径。
3.根据权利要求1所述的辗轧成形方法，其特征在于所述薄壁环件的壁厚最小值是 25mm,高厚比的最大值是25mm。
全文摘要
本发明公开了一种TC11钛合金薄壁环件的辗轧成形方法，为轧制成形尺寸精度高及组织和性能优良的薄壁环件，其技术方案为先把经加热到变形温度的钛合金预轧坯和预热的随动模套套装进轧环机，随动模套被套在预轧坯内，由轧环机的主辊、芯辊、抱辊和上、下锥辊对该两个工件进行定位；再启动轧环机，由其芯辊沿径向朝主辊方向作进给运动并与主辊一起以200KN～4000KN的轧制力在随动模套的支撑下辗轧预轧坯，使其以5mm/s～10mm/s的速度沿径向展宽，壁厚逐渐减小，其变形量达25％～45％后被辗轧成薄壁环件。采用该方法轧制成形的钛合金薄壁环件的壁厚最小值是25mm，高厚比的最大值是25mm，该环件主要用于航空航天等领域使用的筒形壳体等回转体零部件。
文档编号B21H1/06GK102029342SQ20101058221
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者吴永安, 宋捷, 廖荣尧, 张华 , 张胜利, 袁洪虎 申请人:贵州航宇科技发展有限公司