专利名称：钛合金局部加载成形等轴α含量控制方法
技术领域：
本发明涉及热加工领域，具体是一种钛合金局部加载成形微观组织控制方法。
二背景技术：
在钛合金的多种微观组织中，三态组织具有良好的综合性能，获得具有三态组织
的钛合金锻件是生产中追求的目标。三态组织的主要特征在于组织中等轴a相含量在 0% 20%之间，等轴"含量过少会降低材料的塑性，含量过高则会降低材料的高温性 能和断裂韧性。局部加载是一种通过多火次不均匀变形生产钛合金构件的成形工艺， 由于加工所需火次多，每火次的锻件上各处的变形又很不均匀，不仅存在直接受力变 形的加载区，还存在不发生变形的非加载区，以及在两者之间发生被动变形的过渡区， 这使得对组织的控制更加困难。目前，国内外对等轴a含量的控制方法主要有两种
(1) 钛合金在相变点以下40-5(TC的两相区锻造成形，锻后加热到相变点以下 10-2(TC的近^温度进行热处理。这种方法可以较好的控制等轴a相的含量，但是高温 加热未发生形变或仅发生微小形变的材料，很可能会导致组织异常长大，因而这种方 法不适用于不均匀变形程度很大的局部加载过程。
(2) 钛合金加热到相变点以下10-15'C进行近y5锻造。由于局部加载工艺变形不 均匀，变形量大的区域长条状o(被打碎球化，使等轴a含量升高，这使得等轴cc含量 的控制变得困难，且由于局部加载加工火次较多，长期在近A温度空烧将导致晶粒粗 大，性能下降。
三
发明内容
为克服现有技术中存在的锻件等轴《含量不均匀的不足，本发明提出了一种局部 加载成形等轴a含量控制方法。
本发明在对毛坯进行改锻和预成形后，经过等温局部加载成形、精整和热处理后 获得成形锻件，通过控制局部加载成形的参数实现对等轴a含量的控制，具体成形过 程如下
第一步、毛坯改锻
钛合金铸锭在相变点以上开坯，铸锭加热到&+ (50 100°C)，变形量50% 60o/o， 锻后水冷，以改善材料的冶金质量，提高材料的组织和成分均匀性；将开坯后得到的毛坯加热到T(r(40 5(TC)的两相区改锻，变形量50% 60%，锻后水冷，以获得细小的 等轴组织或双态组织。
第二步、预成形毛坯制备
将改锻后的毛坯外表包裹绝热棉，加热到Tp-4(TC，采用自由锻进行制坯，当需要 多火次制坯时，在每一火加工后将毛坯包裹绝热棉后再回炉加热，以增加每火的变形 量，减少加工火次，抑制组织粗化。
第三步、等温局部加载成形
局部加载分两个道次完成，每一道次分两个加载步完成。将上模分成内模和外模 两块，或者分成两个边模和一个中模共三个模块；将内模和外模，或者两个边模和一 个中模彼此独立安装在上模座上。第一道次中，首先用内模或中模对位于其垂直投影 下的毛坯施加变形完成第一加载步，然后用外模或两个边模对毛坯的其他部分施加变 形完成第二加载步，变形量为总变形量的70% 80%。在完成该道次的两个加载步后， 转入第二道次，重复第一道次的加载方法，完成锻件的变形，变形量为总变形量的 20%~30%。
局部加载成形的具体实施过程是第一道次第一加载步安装内模或中模，将模具加热到Tp-6(TC，毛坯加热到
Tp-(40 5(TC)，用内模或中模对位于其投影下的毛坯进行局部加载，压下速度为 0.2~0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的70% 80%。完成加载后将毛坯出模水冷， 拆卸内模或中模。
第一道次第二加载步安装外模或两个边模，将模具加热到Tp-6(TC，毛坯加热到 Tp-(40~50°C)，用外模或者边模对位于其投影下的毛坯进行局部加载，压下速度为 0.2~0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的70°/。 80%。完成加载后将毛坯出模水冷， 拆卸外模或边模。
第二道次第一加载步安装内模或中模，将模具加热到Tp-60°C，毛坯加热到 Tp-(40 5(TC)，用内模或中模对位于其投影下的毛坯进行局部加载，压下速度为 0.2~0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的20%~30%。完成加载后则将毛坯出模水冷。
第二道次第二加载步安装外模或者两个边模，将模具加热到Tp-30。C，毛坯加热 到Tp-(15 2(TC)，用外模或边模对位于其投影下的毛坯进行局部加载，压下速度为0.2~0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的20% 30%。 第四步、精整
精整时各分块模具同时作用于坯料。将各分块模具同时安装在上模座上构成整体 上模，用整体上模对锻件精整，精整采用压力机保压完成，保压吨位6000吨，保压时 间为10min 15min。在此条件下，材料发生超塑性变形，可减少成形缺陷。
第五步、热处理
锻后立即取出工件水冷，然后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2 3h，空冷。 第六步、无损检测。
本发明的技术方案通过控制局部加载过程的温度和变形量的分配实现对锻件等轴 a相体积分数的控制。局部加载第一道次时，锻件在常规锻温度下大变形，使锻件保 持原始细小的等轴或者双态组织；第二道次第一加载步仍在常规锻温度下变形，对锻 件组织的影响不大；第二道次第二加载步，即局部加载最后一火，锻件在近A锻温度 下发生小变形，减小了在近-锻温度下的不均匀变形程度，抑制了a相球化现象，从 而抑制了等轴ot相体积分数的增加，也使等轴oc相体积分数均匀，同时也避免了空烧 引起的组织异常长大的发生。采用本发明的技术方案，锻件等轴《相体积分数控制在 10-20%之间，锻件上不同部位等轴《相体积分数相差在5%以内，等轴ct晶粒和々晶 粒都均匀细小，没有粗化、不均匀化和异常长大现象，力学性能优良。
具体实施例方式
实施例一
本实施例是某钢铁公司生产的TA15钛合金整体筋板构件，上模由内模和外模两 块模具组成，内模成形工件中间部分，外模成形工件两侧，内模和外模同时安装在上 模座时构成整体上模。该TA15钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点Tp是 9%°C。具体操作如下-
第一步、毛坯改锻。TA15钛合金铸锭在电阻炉里加热到Tp+100。C，保温2h，在 快锻机上反复镦拔，变形量50%~60%，锻后水冷；接着将毛坯在电阻炉里加热到 Tp-4(TC，保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，总变形量为50~60%，锻后水冷。
第二步、预成形毛坯制备。将改锻后的毛坯外表包裹绝热棉，加热到Tp-4(TC，保温2h，采用自由锻进行制坯，每火完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热，加热温度
Tp-40°C，保温2h，共六火次完成制坯。
第三步、等温局部加载。在6000吨等温锻液压机上进行等温局部加载。采用两道 次局部加载，总压下量为35mm，平均变形量60%，每一道次分两个加载步完成，每 一加载步分别用内模或者外模成形工件上相对应的位置。
第一道次第一加载步中，安装内模做为上模，将其加热到Tp-6(TC。将毛坯在箱式 电阻炉里加热到Tp-5(TC，保温lh。通过内模对位于其投影下的毛坯进行局部加载； 成形中，内模以0.4mm/s的速度下压，压下量为25mm。内模加载完成后，将锻件取 出水冷，将模具随炉冷却，然后拆卸内模。
第一道次第二加载步中，首先安装外模并加热到Ip-6(TC。将锻件在箱式电阻炉里 加热到Tp-5(TC，保温lh。通过外模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；外模加载 速度0.4mm/s，压下量25mm。外模加载完成后，将锻件取出水冷，将模具随炉冷却， 然后拆卸外模。
第二道次第一加载步中，首先安装内模并将模具加热到TV6(TC。将锻件在箱式电 阻炉里加热到Tp-50°C，保温lh。通过内模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；成 形中，内模以0.2mm/s的速度下压，压下量为10mm。内模加载完成后，将锻件取出 水冷，将模具随炉冷却。
第二道次第二加载步中，首先安装外模并加热到Tp-3(TC。将锻件在箱式电阻炉里 加热到Tp-15。C，保温lh。通过外模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；外模加载 速度0.2mm/s，压下量10mm。
第四步、精整。在6000吨液压机上进行。内外模同时压下，压力机保压吨位为 6000吨，时间为10min。锻后快速取出锻件水冷。
第五步、热处理。锻件热处理制度是81(TCX3h空冷。
第六步、无损检测
实施例二
本实施例是某钢铁公司生产的TA15钛合金整体筋板构件，上模由内模和外模两 块模具组成，内模成形工件中间部分，外模成形工件两侧，内模和外模同时安装在上模座时构成整体上模。该TA15钛合金铸锭采用三次真空自耗电弧熔炼，相变点Tp是 990°C。具体操作如下
第一步、毛坯改锻。TA15钛合金铸锭在电阻炉里加热到Tp+5(TC，保温3h，在快 锻机上反复镦拔，变形量50% 60%，锻后水冷;接着将毛坯在电阻炉里加热到Tp-40°C， 保温1.5h，在快锻机上反复镦拔，总变形量为50 60%，锻后水冷。
第二步、预成形毛坯制备。将改锻后的毛坯外表包裹绝热棉，加热到Tp-4(TC，保 温2h,采用自由锻进行制坯，每火完成后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热，加热温度 为Tp-4(TC，保温2h，共四火次完成制坯。
第三步、等温局部加载。在6000吨等温锻液压机上进行等温局部加载。压下量为 35mm，平均变形量60%，共两个加载道次，每一道次分两个加载步完成，每一加载 步分别用内模或者外模成形工件上相对应的位置。
第一道次第一加载步中，首先安装内模做为上模，将其加热到Tp-6(TC。将毛坯在 箱式电阻炉里加热到Tp-40°C，保温lh。通过内模对位于其投影下的毛坯进行局部加 载；成形中内模以0.4mm/s的速度下压，压下量为28mm。内模加载完成后，将锻件 取出水冷，将模具随炉冷却，然后拆卸内模。
第一道次第二加载步中，首先安装外模并加热到Tp-6(TC。将锻件在箱式电阻炉里 加热到Tp-40'C，保温lh。通过外模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；外模加载 速度0.4mm/s，压下量28mm。外模加载完成后，将锻件取出水冷，将模具随炉冷却， 然后拆卸外模。
第二道次第一加载步中，首先安装内模并将模具加热到T(3-6(TC。将锻件在箱式电 阻炉里加热到Tp-5(TC，保温lh。通过内模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；成 形中，内模以0.2mm/s的速度下压，压下量为7mm。内模加载完成后，将锻件取出水 冷，将模具随炉冷却。
第二道次第二加载步中，首先安装外模并加热到Tp-3(TC。将锻件在箱式电阻炉里 加热到Tp-2(TC，保温lh。通过外模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；外模加载 速度0.2mm/s，压下量7mm。
第四步、精整。在6000吨液压机上进行。内外模同时压下，压力机保压吨位为 6000吨，时间为12min。锻后快速取出锻件水冷。第五步、热处理。锻件热处理制度是810'CX3h空冷。 第六步、无损检测
实施例三
本实施例是某钢铁公司生产的TA15钛合金整体筋板构件，上模由两个边模和一 个中模共三块模具组成，中模成形工件中间部分，两个边模共同成形工件两侧，中模 和边模同时安装在上模座时构成整体上模。该TA15钛合金铸锭釆用三次真空自耗电 弧熔炼，相变点Tp是99(TC。具体操作如下
第一步、毛坯改锻。铸锭在电阻炉里加热到Tp+5(TC，保温3h，在快锻机上反复 镦拔，变形量50%~60%，锻后水冷；接着将毛坯在电阻炉里加热到Tp-5CTC，保温1.5h， 在快锻机上反复镦拔，总变形量50~60%，锻后水冷。
第二步、预成形毛坯制备。将改锻后的毛坯外表包裹绝热棉，加热到Tp-4(TC，保 温2h，采用自由锻进行制坯，每火结束后在毛坯表面包裹绝热棉回炉加热，加热温度 Tp-4(TC，保温2h，共四火次完成制坯。
第三步、等温局部加载。在6000吨等温锻液压机上进行等温局部加载。总压下量 为35mm，平均变形量60%。采用两个加载道次，每一道次分两个加载步完成，每一 加载步分别用中模或者两个边模成形工件上相对应的位置。
第一道次第一加载步中，首先安装中模做为上模，将其加热到Ip-6(TC。将毛坯在 箱式电阻炉里加热到Tp-4(TC，保温lh。通过中模对位于其投影下的毛坯进行局部加 载；成形中，中模以0.4mm/s的速度下压，压下量为28mm。中间模加载完成后，将 锻件取出水冷，将模具随炉冷却，然后拆卸内模。
第一道次第二加载步中，首先安装两个边模并加热到Tp-6(TC。将锻件在箱式电阻 炉里加热到Tp-40。C，保温lh。通过边模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；外模 加载速度0.4mm/s，压下量28mm。边模加载完成后，将锻件取出水冷，将模具随炉冷 却，然后拆卸边模。
第二道次第一加载步中，首先安装中模并将模具加热到Tp-6(TC。将毛坯在箱式电 阻炉里加热到Tp-4(TC，保温lh。通过中模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；成 形中，中模以0.2mm/s的速度下压，压下量为7mm。中间模加载完成后，将锻件取出水冷，将模具随炉冷却。
第二道次第二加载步中，首先安装两个边模并加热到Tp-3(TC。将锻件在箱式电阻 炉里加热到Tp-2(TC，保温lh。通过边模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；中模 加载速度0.2mm/s，压下量7mm。
第四步、精整。在6000吨等温锻液压机上进行。左、中、右三个模块同时压下， 压力机保压吨位为6000吨，保压时间为12min。锻后快速取出锻件水冷。
第五步、热处理。锻件热处理制度830"CX2h空冷。
第六步、无损检测。
权利要求
1.一种局部加载成形等轴α含量控制方法，在对毛坯进行改锻和预成形后，经过等温局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件，其特征在于具体成形过程为第一步，坯改锻；钛合金铸锭在相变点以上开坯，铸锭加热到Tβ+(50～100℃)，变形量大于50％，锻后水冷；将得到的毛坯加热到Tβ-(40～50℃)的两相区改锻；，毛坯变形量大于50％；锻后水冷；第二步，预成形毛坯制备；将改锻后的毛坯加热至Tβ-40℃，采用自由锻和胎模锻进行制坯；多火次制坯时，在每一火加工后对毛坯包裹绝热棉后再回炉加热；第三步，等温局部加载成形；局部加载分两个道次完成，每一道次包括两个加载步；将模具分成两到三个模块，并且不同模块之间相对位置能够调整；在同一道次的每个加载步中，用不同的模块对毛坯施加一定的变形，在完成该道次所有加载步后，转入下一个加载道次，重复上一道次的加载方法；局部加载成形的具体过程是a.第一道次第一加载步安装内模或中模，将模具加热到Tβ-60℃，毛坯加热到Tβ-(40～50℃)，用内模或中模对位于其投影下的毛坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的70％～80％；完成加载后将毛坯出模水冷，拆卸内模或中模；b.第二道次第二加载步安装外模或者两个边模，将模具加热到Tβ-30℃，毛坯加热到Tβ-(15～20℃)，用外模或边模对位于其投影下的毛坯进行局部加载；压下速度为0.2～0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的20％～30％。c.第二道次第一加载步安装内模或中模，将模具加热到Tβ-60℃，毛坯加热到Tβ-(40～50℃)，用内模或中模对位于其投影下的毛坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的20％～30％。完成加载后则将毛坯出模水冷。d.第二道次第二加载步安装外模或者两个边模，将模具加热到Tβ-30℃，毛坯加热到Tβ-(15～20℃)，用外模或边模对位于其投影下的毛坯进行局部加载，压下速度为0.2～0.4mm/s，相对变形量等于总变形量的20％～30％。第四步、精整精整时各分块模具同时作用于坯料。将各分块模具同时安装在上模座上构成整体上模，用整体上模对锻件精整，精整采用压力机保压完成，保压吨位6000吨，保压时间为10min～15min。在此条件下，材料发生超塑性变形，可减少成形缺陷。第五步、热处理锻后立即取出工件水冷，然后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2～3h，空冷。第六步、无损检测。
全文摘要
本发明是一种局部加载成形等轴α含量控制方法，对毛坯进行改锻和预成形后，经过等温局部加载成形、精整和热处理后获得成形锻件。局部加载分两个道次完成，每一道次分两个加载步完成。将模具分成两到三个模块，不同模块之间可以调整相对位置。在同一道次的每个加载步中，用不同的模块对毛坯施加一定的变形，在完成该道次所有加载步后，转入下一个加载道次，重复上一道次的加载方法，完成锻件的变形，得到有效控制局部加载成形的锻件的等轴α相体积分数，等轴α相体积分数可控制在10-20％之间，锻件上不同部位等轴α相体积分数相差在5％以内，等轴α晶粒和β晶粒都均匀细小，没有粗化、不均匀化和异常长大现象，力学性能优良。
文档编号C21D11/00GK101603163SQ200910023239
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者周义刚, 孙志超, 合 杨, 樊晓光 申请人:西北工业大学