专利名称：一种tc2钛合金大规格棒材的制备方法
一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法技术领域
本发明属于钛合金材料制备技术领域，具体涉及一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法。
背景技术：
TC2钛合金是低合金化的T1-Al-Mn系近α型钛合金，该合金的名义成分为 T1-4A1-1. 5Μη，具有比强度高、热稳定性好等主要优点，在航空、航天领域日益得到广泛应用。
为获得品质优良的TC2钛合金大规格棒材，目前多数生产厂采用价格昂贵的额定压力在3000吨以上的大型锻压设备生产，不仅设备投入大，而且生产成本高；如果采用常规制备工艺，在额定压力2100吨以下的中小型锻造液压设备上锻制TC2钛合金等大规格棒材，因锻压力不足，锻透性差，制备的TC2钛合金大规格棒材常出现显微组织不均匀、探伤杂波不达标、机械性能差等严重的质量问题。发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种显著降低锻造设备成本的TC2钛合金大规格棒材的制备方法。该方法采用额定压力为1700吨 2100 吨的中小型锻造液压机制备TC2钛合金大规格棒材，通过设定适宜的锻造温度以及匹配的工艺参数，制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良，批次稳定性好，产品质量可与采用大型锻造液压机锻制的TC2钛合金大规格棒材相媲美，能够显著降低锻造设备成本，广泛应用于航空、航天等领域。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
步骤一、切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷； 所述TC2钛合金铸锭的截面为直径为Φ600πιπΓΦ700πιπι的圆形；
步骤二、采用额定压力为1700吨 2100吨的锻造液压机对步骤一中去除表面缺陷后的TC2钛合金铸锭进行开坯锻造，冷却后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3飞火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均在β相变点以上 500C 100。。;所述开坯锻造的总锻造比为15. 6 97. 7 ；
步骤三、采用额定压力为1700吨 2100吨的锻造液压机对步骤二中所述初级锻坯进行中间锻造，冷却后得到半成品锻坯；所述中间 锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3飞火次完成，每火次中间锻造的始锻温度均在β相变点以下10°C 30°C;所述中间锻造的总锻造比为15. 6^97. 7 ；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1700吨 2100吨的锻造液压机对锯切下料后的半成品锻坯进行成形锻造，冷却后得到截面直径为 Φ200ι πΓΦ300mm,长度为2000mnT3000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造共分2 4火次完成，每火次成形锻造的始锻温度均在β相变点以下30η0 ，其中最后一火次成形锻造采用倒棱滚圆的锻造方式，其余火次成形锻造均采用轴向拔长的锻造方式；所述成形锻造的总锻造比为2. 2(Γ4. 87。
上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4. 09Γ5. 0%，锰的质量百分含量为1. 09Γ2. 0%，氧的质量百分含量为O. 089Γ0. 12%，余量为钛和不可避免的杂质。
上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC2钛合金铸锭由TC2钛合金自耗电极经两次自耗电弧熔炼得到，其中第一次自耗电弧熔炼在真空条件下进行，第二次自耗电弧熔炼在惰性气体保护下进行。
上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中每火次开坯锻造的锻造比均为2. 5，每火次开坯锻造的终锻温度均不低于850°C，且开坯锻造后冷却的方式为空冷。
上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中每火次中间锻造的锻造比均为2. 5，每火次中间锻造的终锻温度均不低于850°C，且中间锻造后冷却的方式为水冷。
上述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中每火次成形锻造的锻造比均为1. 48^1. 50，每火次成形锻造的终锻温度均不低于800°C，且成形锻造后冷却的方式为空冷。
本发明与现有技术相比具有以下优点
1、本发明将开坯锻造阶段和中间锻造阶段的锻造温度总体控制在TC2钛合金的 β相变点以下30°C至相变点以上100°C的温度区间内，通过控制开坯锻造的总锻造比与成形锻造总锻造比的比值大于3，以及中间锻造的总锻造比与成形锻造总锻造比的比值大于 3，并充分利用TC2钛合金在β相变点附近温度区间内金属流变应力低、锻透性好的特性， 从而有效地降低了锻制TC2钛合金大规格棒材对锻造设备额定压力的要求，锻压力可减少三分之一以上；本发明能显著减少设备投入，大幅度地降低工业化生产TC2钛合金大规格棒材的生产成本。
2、本发明采用经两次自耗电弧熔炼的TC2钛合金铸锭进行大规格棒材的制备，其中第一次熔炼为真空自耗熔炼，第二次采取惰性气体保护下自耗熔炼进行重熔，既能有效地避免饱和蒸气压较高的Mn元素在熔炼过程中的挥发，又能防止一些杂质元素在铸锭中形成气孔等缺陷，能够确保充氩熔炼过程电弧稳定。
3、本发明经研究发现，TC2钛合金大规格棒材的锻造工艺与TC2钛合金铸锭化学成分的设定具有紧密相关性；对于如直径为Φ200·ι，长度为2000mm的较小规格TC2 钛合金棒材，当TC2钛合金铸锭的化学成分中铝的质量百分含量选取中下限成分范围4.0% 4. 5%,猛的质量百分含量选取中下限成分范围1. 09Γ1. 5%,氧的质量百分含量选取中下限成分范围O. 089Π). 10%时，则开坯锻造和中间锻造的总锻造比均优选为15. 6^39. 1，成形锻造的锻造比优选为2. 2Γ3. 28，能够得到高质量的TC2钛合金大规格棒；而对于如直径为Φ 300mm，长度为3000mm 的较大规格的TC2钛合金棒材，当TC2钛合金铸锭的化学成分中铝的质量百分含量选取中上限成分范围4. 59Γ5. 0%，锰的质量百分含量选取中上限成分范围1. 59Γ2. 0%，氧的质量百分含量选取中上限成分范围O. 109Γ0. 12%时，则开坯锻造和中间锻造的总锻造比均优选为39. Γ97. 7，成形锻造的总锻造比优选为3. 28^4. 90，能够得到高质量的TC2钛合金大规格棒材。
4、本发明方法工艺简单，采用本发明制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良，批次稳定性好，产品质量可与采用大型锻压机锻造的TC2等钛合金大规格棒材的产品质量相媲美，可广泛应用于航空、航天等领域，产品的成材率也较普通制备方法可提闻10%以上。
5、采用本发明制备的TC2钛合金大规格棒材在室温(20°C)条件下的拉伸强度高达830MPa 840MPa，屈服强度高达760MPa 800MPa，延伸率彡16%,断面收缩率彡38% ；U型缺口的冲击韧性(aKU)彡40J/cm2 ;在高温(350°C )条件下的拉伸强度高达550MPa 560MPa ;超声波探伤符合国家标准GB5193-85 “钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求。
6、本发明方法还适用于其它牌号的近α型钛合金、a+β两相钛合金大规格棒材的工业化生产，具有广泛的应用价值。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
实施例1
本实施例TC2钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤
步骤一、将TC2钛合金自耗电极先在真空条件下自耗熔炼一次，再在惰性气体保护下自耗熔炼一次，得到截面直径为Φ600mm的TC2钛合金铸锭，然后切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4. 0%,猛的质量百分含量为1. 0%,氧的质量百分含量为O. 08%,余量为钛和不可避免的杂质；
步骤二、采用额定压力为1700吨的锻造液压机将步骤一中去除表面缺陷的TC2钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为15.6 ;其中第一火次和第二火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上60°C的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为8801;第三火次开坯锻造在始锻温度为β相变点以上50°C的条件下进行，锻造比为2.5，终锻温度为8701；
步骤三、采用额定压力为1700吨的锻造液压机将步骤二中所述初级锻坯进行3火次的中间锻造，水冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为15. 6;其中第一火次和第二火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下 20°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为860°C，第三火次的中间锻造在始锻温度为β相变点以下30°C的条件下锻造，锻造比为2. 5，终锻温度为850°C ；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1700吨的锻造液压机将锯切下料后的半成品锻坯进行2火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为 Φ 200mm，长度为2000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造的总锻造比为2. 205，第一火 次成形锻造在始锻温度β相变点以下30°C的条件下进行轴向拔长，锻造比为1. 48，终锻温度为850°C ;第二火次成形锻造在始锻温度β相变点以下50°C的条件下进行倒棱滚圆，锻造比为1. 49，终锻温度为830°C。
采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材在室温(20°C)条件下的拉伸强度高达830MPa 840MPa，屈服强度高达760MPa 800MPa，延伸率彡16%,断面收缩率彡38%，U型缺口的冲击韧性(aKU)彡40J/cm2 ;在高温(350°C )条件下的拉伸强度高达550MPa 560MPa ;超声波探伤符合国家标准GB5193-85 “钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求；由此说明采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良。
实施例2
本实施例TC2钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤
步骤一、将TC2钛合金自耗电极先在真空条件下熔炼一次，再在惰性气体保护下自耗熔炼一次，得到截面直径为Φ650mm的TC2钛合金铸锭，然后切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4. 5%，锰的质量百分含量为1. 5%，氧的质量百分含量为O. 10%，余量为钛和不可避免的杂质；
步骤二、采用额定压力为1900吨的锻造液压机将步骤一中去除表面缺陷的TC2钛合金铸锭进行4火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为39.1 ;其中第一火次和第二火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上80°C的条件下进行，锻造比均为2.5，终锻温度均为8901;第三火次和第四火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上70°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为880°C ；
步骤三、采用额定压力为1900吨的锻造液压机将步骤二中所述初级锻坯进行4 火次的中间锻造，水冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为39.1;其中第一火次和第二火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下15°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为870°C，第三火次和第四火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下20°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为 850 0C ；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1900吨的锻造液压机将锯切下料后的半成品锻坯进行3火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为 Φ 250mm，长度为2700mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造的总锻造比为3. 28，其中第一火次和第二火次的成形锻造均在始锻温度为β相变点以下40°C的条件下进行轴向拔长，锻造比均为1. 48，终锻温度均为 840°C，第三火次的成形锻造在始锻温度为β相变点以下60°C的条件下进行倒棱滚圆，锻造比为1. 50，终锻温度为820°C。
采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材在室温(20°C)条件下的拉伸强度高达830MPa 840MPa，屈服强度高达760MPa 800MPa，延伸率彡16%,断面收缩率彡38%，U型缺口的冲击韧性(aKU)彡40J/cm2 ;在高温(350°C )条件下的拉伸强度高达550MPa 560MPa ;超声波探伤符合国家标准GB5193-85 “钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求；由此说明采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良。
实施例3
本实施例TC2钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤
步骤一、将TC2钛合金自耗电极先在真空条件下熔炼一次，再在惰性气体保护下自耗熔炼一次，得到截面直径为Φ 700mm的TC2钛合金铸锭，然后切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为5. 0%，锰的质量百分含量为2. 0%，氧的质量百分含量为O. 12%，余量为钛和不可避免的杂质；
步骤二、采用额定压力为2100吨的锻造液压机将步骤一中去除表面缺陷的TC2钛合金铸锭进行5火次的开坯锻造，空冷后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为97. 7 ;其中第一火次和第二火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上100°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为900°C，第三火次和第四火次的开坯锻造均在始锻温度为β相变点以上90°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为880°C，第五火次开坯锻造在始锻温度为β相变点以上70°C的条件下进行，锻造比为2. 5，终锻温度为850°C ；
步骤三、采用额定压力为2100吨的锻造液压机将步骤二中所述初级锻坯进行5 火次的中间锻造，水冷后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，总锻造比为97. 7;其中第一火次和第二火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下10°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为870°C，第三火次和第四火次的中间锻造均在始锻温度为β相变点以下20°C的条件下进行，锻造比均为2. 5，终锻温度均为 8600C ;第五火次中间锻造在始锻温度为β相变点以下30°C的条件下进行，锻造比为2. 5， 终锻温度为850°C ；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为2100吨的锻造液压机将锯切下料后的半成品锻坯进行4火次的成形锻造，空冷后得到截面直径为 Φ 300mm，长度为3000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造的总锻造比为4. 87 ;其中第一火次、第二火次和第三火次的成形锻造均在始锻温度为β相变点以下50°C的条件下进行轴向拔长，锻造比均为1. 48，终锻温度均为830°C，第四火次的成形锻造在始锻温度为 β相变点以下80°C的条件下进行倒棱滚圆，锻造比为1.50，终锻温度为8001。
采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材在室温(20°C)条件下的拉伸强度高达830MPa 840MPa，屈服强度高达760MPa 800MPa，延伸率彡16%,断面收缩率彡38%，U型缺口的冲击韧性(aKU)彡40J/cm2 ;在高温(350°C )条件下的拉伸强度高达550MPa 560MPa ;超声波探伤符合国家标准GB5193-85 “钛及钛合金加工产品超声波探伤方法”中A级标准要求；由此说明采用本实施例制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更 以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；所述TC2钛合金铸锭的截面为直径为Φ600mm~Φ700_的圆形；步骤二、采用额定压力为1700吨 2100吨的锻造液压机对步骤一中去除表面缺陷后的TC2钛合金铸锭进行开坯锻造，冷却后得到初级锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3飞火次完成，每火次开坯锻造的始锻温度均在β相变点以上 500C 100。。;所述开坯锻造的总锻造比为15. 6 97. 7 ；步骤三、采用额定压力为1700吨 2100吨的锻造液压机对步骤二中所述初级锻坯进行中间锻造，冷却后得到半成品锻坯；所述中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分3飞火次完成，每火次中间锻造的始锻温度均在β相变点以下10°C 30°C ;所述中间锻造的总锻造比为15. 6^97. 7 ；步骤四、将步骤三中所述半成品锻坯进行锯切下料，然后采用额定压力为1700吨 2100吨的锻造液压机对锯切下料后的半成品锻坯进行成形锻造，冷却后得到截面直径为 Φ200ι πΓΦ300mm,长度为2000mnT3000mm的TC2钛合金大规格棒材；所述成形锻造共分 2 4火次完成，每火次成形锻造的始锻温度均在β相变点以下30η0 ，其中最后一火次成形锻造采用倒棱滚圆的锻造方式，其余火次成形锻造均采用轴向拔长的锻造方式；所述成形锻造的总锻造比为2. 2(Γ4. 87。
2.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于， 步骤一中所述TC2钛合金铸锭中铝的质量百分含量为4. 09Γ5. 0%，锰的质量百分含量为1. 09Γ2. 0%，氧的质量百分含量为O. 089Γ0. 12%，余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法,其特征在于，步骤一中所述TC2钛合金铸锭由TC2钛合金自耗电极经两次自耗电弧熔炼得到，其中第一次自耗电弧熔炼在真空条件下进行，第二次自耗电弧熔炼在惰性气体保护下进行。
4.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中每火次开坯锻造的锻造比均为2. 5，每火次开坯锻造的终锻温度均不低于850°C，且开坯锻造后冷却的方式为空冷。
5.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中每火次中间锻造的锻造比均为2. 5，每火次中间锻造的终锻温度均不低于850°C，且中间锻造后冷却的方式为水冷。
6.根据权利要求1所述的一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤四中每火次成形锻造的锻造比均为1. 48^1. 50，每火次成形锻造的终锻温度均不低于800°C， 且成形锻造后冷却的方式为空冷。
全文摘要
本发明提供了一种TC2钛合金大规格棒材的制备方法，包括以下步骤一、切除TC2钛合金铸锭的冒口和锭底，并去除TC2钛合金铸锭的表面缺陷；二、进行开坯锻造，得到初级锻坯；三、将初级锻坯进行中间锻造，得到半成品锻坯；四、将半成品锻坯进行成形锻造，得到截面直径为200mm～300mm，长度为2000mm～3000mm的TC2钛合金大规格棒材。本发明采用中小型锻造液压机制备TC2钛合金大规格棒材，并通过对锻造温度、锻造比等工艺参数的选取和优化，制备的TC2钛合金大规格棒材显微组织均匀，机械性能优良，批次稳定性好，产品质量能与大型锻压机锻造的棒材产品的质量相媲美，可广泛应用于各领域。
文档编号C22C14/00GK103060733SQ201310000069
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月1日 优先权日2013年1月1日
发明者吴华, 李长亮, 杨建朝, 杨永福, 李维, 高文超, 舒滢, 蒲宣, 郭征 申请人:西部钛业有限责任公司