专利名称：一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法
技术领域：
本发明涉及一种锻造方法，尤其是一种适用于改进细长杆状TC18钛合金准β锻造组织、性能均匀性的成型方法。
背景技术：
TC18钛合金是我国近年来开始研制、使用的新型钛合金，属于近β型钛合金材料，合金化程度高，具有较高的强度和良好的综合性能指标。锻件生产方法是准β锻造加双重退火，锻件的组织形态和组织均匀性主要取决于准β锻造环节，虽然它的性能指标通过热处理方式可调范围较大，但准β锻造是决定锻件性能、组织均匀性的关键环节。准β锻造是近年来发展起来的一种新型锻造方法，锻造用坯料的加热方法是在相变点下40 20°C之间保温热透后(保温系数0.6 0.8min/mm)随炉升温至相变点上5 25°C保温(0.2 0.5min/mm)，随后出炉锻造。从组织转变机理上来说，准β加热后，原始双态组织中的α相会逐渐转变β相，α相全部溶解后晶粒开始合并长大，内部组织转变成单一的β相，出炉后随着坯料温度的降低，β晶粒内重新析出针状α相，并伴随锻造变形，原始β晶界被打碎，晶粒尺寸得到细化，经过双重退火后得到具有网篮组织的中等尺寸的晶粒，具有较高的强度和良好的疲劳韧性。但是准β锻造环节，不同的变形方式、变形温度和变形量对组织形态还有较大的影响，直接影响着最终锻件的性能水平。在某型机锻件研制任务中，存在大量的等厚度、等截面的长杆类TC18钛合金锻件，部分锻件长度达到1800mm，最终锻件截面宽度180 210mm不等，厚度尺寸约95mm厚，图纸设计为自由锻件。但采取自由锻造进行准β锻造时，材料出炉温度为880°C左右，锻造方式为自由锻单向拔长，该材料的工艺特定要求准β锻造时需完成至少25%的拔长变形量，但在实际生产过程中，因坯料截面小、长度大，受空气冷却的速度较快，采用自由锻造拔长时，在拔长一端头的过程中，另一半坯料实际温度已冷却至800°C左右，变形抗力大大增力口，拔长难度加大，坯料很快便冷却至终锻温度附近，实际拔长变形量难以完成，最终锻件组织晶粒粗大、延伸率低、各部分性能均匀性很差，造成了产品的报废，损失惨重。锻件各部分变形温度和变形的不均匀性、整体变形量小是导致产品报废的主要原因，只有通过优化锻造方案，提升变形效率，实现变形的均匀性才能保证TC18钛合金细长杆类锻件准β锻造后组织、性能的均匀性。
发明内容
本发明的目的是:提供一种改进细长杆状TC18钛合金准β锻造均匀变形的锻造方法，以实现TC18钛合金在较短的时间、较高的温度下完成均匀变形要求，进而提升产品组织、性能的均匀性和稳定性。本发明的技术方案是:一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，在准β锻造时采用的是胎膜锻造方式，步骤如下:
(I)进行荒坯制备；(2)胎膜准备及设备安装:胎膜锻用设备采用大型模锻压力机或大型模锻锤；胎膜型腔尺寸等于锻件图纸尺寸加放热膨胀率的尺寸；荒坯坯料的长度略小于型腔的长度，坯料的宽度方向尺寸比型腔宽度尺寸小25% 45%，厚度方向尺寸大于型腔厚度方向闭合尺寸；锻造时靠整体打击高度方向，使宽度方向处于自由状态的坯料沿宽度方向展宽以充满型腔；(3)胎膜准β锻造:坯料在电炉中加热，在相变点下20 40°C保温0.6
0.8min/mm,之后随炉升温至相变点上5 25°C,保温系数取0.2 0.5min/mm ;保温时间结束后立即出炉模锻，坯料上锤后，先轻击I 2锤，使坯料在胎膜型腔中实现完好定位并得到平整；随后重击8 12锤，每锤之间时间间隔约1.5s,以避免变形过快造成温升严重，完成该火次变形总量的90%左右；迅速观察坯料成型效果差、缺肉较大的部位，采用加垫5mm左右的钢板进行局部打击的方式，促进毛坯充满型腔；最后去除垫板，重击2 3锤，对锻件进行平整，锻后出炉散开空冷。本发明具有的优点和有益效果是:该锻造方法相比采用自由锻造的方式生产细长杆类TC18钛合金锻件时，在准β锻造上具有明显的优势，整个锻造过程从出炉到锻造结束，能在较短时间内(不大于2.5分钟)完成，大大缩短了锻造时间，避免坯料温降过低，使坯料在相对较高的温度下实现了均匀的变形，顺利完成材料工艺特性需求的变形量；另外，采用胎膜锻造生产细长杆状TC18钛合金锻件时，锻件成型过程中金属流动完全受模具型腔的限制，尺寸精度高，可以较大幅度的缩小设计加工余量，降低材料消耗，可节约材料约计5 15%，从而提升了产品效益。
图1为胎膜锻造示意图；图2为自由锻造示意图。
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:本发明使用630KJ大型模锻对击锤和5CrNiMo等常规材料模具。实施例材料:TC18，锻件最终尺寸:90mmX200mmX 1820mm，1820方向为流线方向。现对本发明应用前后的生产方案进行如下对比:1、原方案:(I)自由锻制坯:在相变点下20 40°C将原始Φ210Χ 1180mm棒材拔长变形至150mmX 200mmX 1360mm,该工序可多火次完成,生产难度小。(2)自由锻进行准β锻造:该工序为关键工序，锻造的目标是将坯料拔长产生25%的变形量，该火次目标尺寸为110mmX210mmX 1760mm，坯料加热温度885°C，出炉后使用锻造机械手加持锻件一端头，将另一端送至自由锻锤上进行锻打，锻打方式分如下几个阶段:第一阶段:对锻件长度50%的一端厚度尺寸150mm进行锻打，第一遍每次压下量25mm,将垂直尺寸锻至125mm，并以IOOmm/ (4 5) s的速度进给，完成后操作机后退，重新从端头送进锻打至110mm，将该50%长度的一端完成锻造变形需要120 140s的时间，此时锻造端的坯料温度已降至750°C以下，未锻造端虽然未产生物理传导散热，但一直处于空冷状态，坯料表面温度已降至800°C左右。第二阶段:操纵锻造机械手调整坯料位置并对坯料进行调头，操作时间约计15 20s,待锻造锻坯料温度一直在下降。第三阶段，按如上的变形方式对第一阶段未锻造变形的一端进行拔长锻造，因坯料较薄，温度不断下降，已接近终锻温度，锻造变形抗力急剧上升，拔长变形异常困难，基本情况是:还未将厚度尺寸150_锻至125_，坯料已冷却至终锻温度以下，不能再锻打变形，单个锻件从出炉到降至终端温度时间约为260 290S。原方案锻件理化检测结果:组织晶粒粗大，低倍组织上下表面处的晶粒明显比心部晶粒粗大；性能结果显示，锻件表层区域取样的塑性很差，达不到标准要求，锻件沿长度方向上的组织、性能均匀性也比较差。本发明实施后的生产方案:(I)自由锻制坯:在相变点下20 40°C将原始Φ 210X 1025mm棒材拔长变形至145mmX145mmX 1770mm，因可多火次生产，所以工序完成较容易。(2)胎膜准β锻造，坯料加热温度仍为885°C，坯料出炉后转移时间约为25s，模锻方式为单向镦粗变形，过程分解如下:第一阶段，轻击I 2锤，将坯料平稳的打进型腔，垂直尺寸145mm已锻打至140mm,截面尺寸 145mmX 145mm 改变为 140mm X 150mm;第二阶段:重击10锤，每锤时间间隔约1.5s，锻件截面尺寸140mmX 150mm被镦粗至108X 195mm，锻打过程中，金属也沿锻件长度方向流动，长度方向已经充满；第三阶段:在锻件缺肉较多部位的上表面加垫5mm厚的钢板，打击2锤；之后去除钢板，平击I 2锤，垂直尺寸锻至105mm，锻造结束。发明实施效果:1、关键工序准β锻造对比:原方案锻造时间为260 290s，因时间长、坯料冷却，锻造未完成工艺变形要求，坯料已冷至750°C以下；发明实施后，锻造时间缩短至55s，坯料厚度由145mm均匀打至105mm，锻造实现了 27.5%的均匀变形量，锻造结束时，坯料温度还在800°C以上。2、自由锻造操作困难，只能靠增加余量的方式抵消翘曲、弯曲、形状偏差带来的影响，以保证零件的加工余量，因此，投料尺寸较大；而采取太模锻生产时，截面余量靠模具型腔保证，锻件也不产生大的翘曲，投料尺寸小，约节约材料13%3、发明实施后，锻件研制两批均一次性成功，因变形均匀，过程控制难度低，提升了工艺稳定化程度，最终锻件的组织、性能均匀性很好。
权利要求
1.一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，在准β锻造时采用的是胎膜锻造方式。
2.如权利要求1所述的改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，具体步骤如下: (1)进行荒还制备； (2)胎膜准备及设备安装:胎膜锻用设备采用大型模锻压力机或大型模锻锤；胎膜型腔尺寸等于锻件图纸尺寸加放热膨胀率的尺寸；荒坯坯料的长度略小于型腔的长度，坯料的宽度方向尺寸比型腔宽度尺寸小25% 45%，厚度方向尺寸大于型腔厚度方向闭合尺寸；锻造时靠整体打击高度方向，使宽度方向处于自由状态的坯料沿宽度方向展宽以充满型腔； (3)胎膜准β锻造:坯料在电炉中加热，在相变点下20 40°C保温0.6 0.8min/mm,之后随炉升温至相变点上5 25°C，保温系数取0.2 0.5min/mm ;保温时间结束后立即出炉模锻，坯料上锤后，先轻击I 2锤，使坯料在胎膜型腔中实现完好定位并得到平整；随后重击8 12锤，每锤之间时间间隔约1.5s,以避免变形过快造成温升严重，完成该火次变形总量的90%左右；迅速观察坯料成型效果差、缺肉较大的部位，采用加垫5mm左右的钢板进行局部打击的方式，促进毛坯充满型腔；最后去除垫板，重击2 3锤，对锻件进行平整，锻后出炉散开空冷。
全文摘要
本发明公开了一种改进细长杆类TC18钛合金锻件准β锻造均匀性的锻造方法，其特征是，在准β锻造时采用的是胎膜锻造方式，步骤如下(1)进行荒坯制备；(2)胎膜准备及设备安装；(3)胎膜准β锻造。该锻造方法相比采用自由锻造的方式生产细长杆类TC18钛合金锻件时，在准β锻造上具有明显的优势，大大缩短了锻造时间，顺利完成材料工艺特性需求的变形量；另外，锻件成型尺寸精度高，较大幅度的缩小设计加工余量，提升产品效益。
文档编号B21J5/02GK103071744SQ20111042696
公开日2013年5月1日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者田淼, 渠维猛, 薛强, 唐军, 秦卫东, 汪波 申请人:陕西宏远航空锻造有限责任公司