一种tc21钛合金大规格棒材的制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，包括以下步骤：一、将TC21钛合金铸锭进行开坯锻造，得到初级锻坯；二、将初级锻坯进行镦拔锻造，得到中间锻坯；三、进行均匀化处理；四、将中间锻坯进行成形锻造，得到截面直径为160mm～400mm的圆柱形TC21钛合金大规格棒材。本发明通过进行均匀化处理，并对锻造工艺进行优化，能够实现合金等轴组织至三态组织的控制，从而实现强度、塑性、韧性及疲劳性能的综合调控。本发明工艺简单可行，制备的TC21合金大规格棒材组织均匀细小，力学性能高，适于大规模工业化生产，满足航空、航天工业对高品质大规格TC21钛合金棒材的发展要求。
【专利说明】一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钛合金材料加工【技术领域】，具体涉及一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法。
【背景技术】
[0002]TC21合金是我国具有自主知识产权的一种新型钛合金，其强度、塑性、韧性可以达到:Rm≤IlOOMPa, Z ^ 10%, Kic≤70MPa *m1/2,同时具有低的裂纹扩展速率等，具有国际先进性能水平，是一种具有良好应用前景的高强、高韧及高损伤容限型钛合金。由于其出色的综合力学性能匹配，是我国重要的航空、航天用主承力结构件材料。随着我国航空、航天工业的发展，对TC21合金棒材提出了更高的规格及品质要求。
[0003]由于含有较高β稳定元素，TC21合金的热加工塑性较好，但是变形抗力较大，受锻机压力的限制，目前对该合金小规格棒材研究很多，但是对该合金大规格棒材的加工方法报道较少。由于锻透性的问题，对于直径为160_以上的大规格棒材，尤其是直径超过300mm的超大规格棒材，采用常规的锻造方法极易在径向产生高、低倍组织的不均匀，为了改善TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性，满足航空、航天工业的发展要求，亟需研制出一种新的TC21钛合金大规格棒材的制备方法。
【发明内容】
[0004]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TC21钛合金大规格棒材的制备方法。该方法制备工艺简单可行，产品质量优良，合格率高，适于大规模工业化生产；采用该方法制 备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好，力学性能高，满足航空、航天工业的发展要求。
[0005]为解决上述技术问题，本 发明采用的技术方案是:一种TC21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:
[0006]步骤一、将TC21钛合金铸锭在始锻温度为1000°C~1150°C的条件下进行3火次的开坯锻造，每火次开坯锻造的锻造比均为5.6~8.4，得到初级锻坯；
[0007]步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6~7.5，得到中间锻坯；
[0008]步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上5°C~50°C的条件下保温2h~3h进行均匀化处理；
[0009]步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的成形锻造，每火次成形锻造的锻造比均为4.5~8.4，得到TC21钛合金大规格棒材；所述TC21钛 合金大规格棒材为圆柱形棒材，其截面直径为160mm ~400mmo
[0010]上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC21钛合金铸锭为圆柱形铸锭，其截面直径为420mm~720mm。[0011]上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
[0012]上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中均匀化处理后的中间锻坯采用水冷方式进行冷却。
[0013]上述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理，步骤二中每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理。
[0014]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0015]1、可实现TC21钛合金大规格棒材的组织调控。本发明通过控制锻造温度及锻造比，并进行均匀化处理，可以实现等轴组织到三态组织的调控，达到对TC21合金大规格棒材综合力学性能的调控。等轴组织大规格棒材的延伸率可以达到20%，但断裂韧性相对降低。与等轴及双态组织相比，三态组织塑性有一定的下降，但是断裂韧性可以达到70MPa.m1/2 以上。
[0016]2、棒材组织均匀性好。与常规的锻造工艺相比，本发明在两相区镦拔锻造后增加了 β相区均匀化处理，可以改善因相变点以下多火次变形，变形不均匀累积导致的严重组织不均匀，经过均匀化热处理后的锻坯通过相变点之下的有限变形，能够制备出高、低倍组织均匀的截面直径为160mm~400mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0017]3、本发明制备工艺简单可行，产品质量优良，合格率高，适于大规模工业化生产。
[0018]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0020]图2为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0021]图3为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0022]图4为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图。
[0023]图5为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0024]图6为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
[0025]图7为本发明实施例1制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
[0026]图8为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0027]图9为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
[0028]图10为本发明实施例2制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
[0029]图11为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0030]图12为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
[0031]图13为本发明实施例3制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
[0032]图14为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材芯部的高倍组织图。
[0033]图15为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材1/2R处的高倍组织图。
`[0034]图16为本发明实施例4制备的TC21钛合金大规格棒材边部的高倍组织图。
【具体实施方式】[0035]本发明TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括将TC21合金铸锭在β相变点之上开坯锻造，再在β相变点之下镦拔变形，然后在β相变点之上进行均匀热处理，最后在β相变点之下锻造成形。所涉及的开坯锻造、镦拔锻造和成形锻造均采用的是本【技术领域】的常规锻造方式。
[0036]实施例1
[0037]本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0038]步骤一、将规格为Φ720πιπιΧ 1030mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造，其中第一火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为11501:，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1100°C，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1050°C，锻造比为8.4，开坯锻造后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理；
[0039]步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下20°C的条件下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造均为两镦两拔，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理；
[0040]步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上20°C的条件下保温2h进行均匀化处理，然后水冷至25°C室温；
[0041]步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下25°C的条件下进行2火次的成形锻造，其中第一火次成形锻造为两镦两拔，锻造比为6，第二火次成形锻造为一缴两拔然后滚圆，锻造比为4.6,机械加工后得到规格为Φ400ηιηιΧ 580mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0042]本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图1,棒材芯部的高倍组织图见图5，棒材1/2R处的高倍组织图见图6，棒材边部的高倍组织图见图7。由图1、图5、图6和图7可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0043]实施例2
[0044]本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0045]步骤一、将规格为Φ 720mm X 930mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造，其中第一火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1150°C，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1100°C，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1050°C，锻造比为8.4，开坯锻造后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理；
[0046]步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C的条件下进行2火次的镦拔锻造，第一火次镦拔锻造为二镦三拔，第二火次镦拔锻造为三镦二拔，每火次镦拔锻造的锻造比均为7.5，得到中间锻坯；
[0047]步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上5°C的条件下保温3h进行均匀化处理，然后水冷至25°C室温；
[0048]步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下40°C的条件下进行2火次的成形锻造，其中第一火次成形锻造为两镦三拔，锻造比为7，第二火次成形锻造为一缴一拔然后滚圆，锻造比为4.8,机械加工后得到规格为Φ260πιπιΧ 1000mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0049]本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图2，棒材芯部的高倍组织图见图8，棒材1/2R处的高倍组织图见图9，棒材边部的高倍组织图见图10。由图2、图8、图9和图10可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0050]实施例3
[0051]本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0052]步骤一、将规格为Φ 560mm X 700mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造，其中第一火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1150°C，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1100°C，锻造比为8.4，第三火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1050°C，锻造比为8.4，开坯锻造后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理；
[0053]步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下50°C的条件下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造均为两镦两拔，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6，得到中间锻坯；
[0054]步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上10°C的条件下保温
2.5h进行均匀化处理，然后水冷至25°C室温；
[0055]步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C的条件下进行2火次的成形锻造，其中第一火次成形锻造为三镦三拔，锻造比为8.4，第二火次成形锻造为一镦一拔然后滚圆，锻造比为4.4，机械加工后得到规格为Φ 350mm X 830mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0056]本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图3，棒材芯部的高倍组织图见图11，棒材1/2R处的高倍组织图见图12，棒材边部的高倍组织图见图13。由图3、图11、图12和图13可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0057]实施例4
[0058]本实施例TC21钛合金大规格棒材的制备方法包括以下步骤:
[0059]步骤一、将规格为Φ 420mm X 600mm的TC21钛合金铸锭进行3火次的开坯锻造，其中第一火次开坯锻造为两镦两拔，始锻温度为1150°C，锻造比为6.0，第二火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1080°C，锻造比为8.0，第三火次开坯锻造为三镦三拔，始锻温度为1000°C，锻造比为8.0，开坯锻造后分切下料，得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理；
[0060]步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下40°C的条件下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造均为两镦两拔，每火次镦拔锻造的锻造比均为6.0，得到中间锻坯；
[0061]步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上50°C的条件下保温2h进行均匀化处理，然后水冷至25°C室温；
[0062]步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下50°C的条件下进行2火次的成形锻造，其中第一火次成形锻造为两镦两拔，锻造比为5.6，第二火次成形锻造为一镦一拔然后滚圆，锻造比为3.8，机械加工后得到规格为Φ 160mmX 350mm的TC21钛合金大规格棒材。
[0063]本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的低倍组织图见图4，棒材芯部的高倍组织图见图14，棒材1/2R处的高倍组织图见图15，棒材边部的高倍组织图见图16。由图4、图14、图15和图16可知本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材的组织均匀性良好。本实施例制备的TC21钛合金大规格棒材经常规热处理(890°C /lh, AC+610°C /4h, AC)后的力学性能数据见表1。
[0064]表1本发明实施例1至4制备的TC21钛合金大规格棒材的力学性能数据
[0065]
【权利要求】
1.一种TC21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、将TC21钛合金铸锭在始锻温度为1000°C~1150°C的条件下进行3火次的开坯锻造，每火次开坯锻造的锻造比均为5.6~8.4，得到初级锻坯； 步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的镦拔锻造，每火次镦拔锻造的锻造比均为5.6~7.5，得到中间锻坯； 步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在温度为β相变点以上5°C~50°C的条件下保温2h~3h进行均匀化处理； 步骤四、将步骤三中均匀化处理后的中间锻坯在始锻温度为β相变点以下15°C~50°C的条件下进行2火次的成形锻造，每火次成形锻造的锻造比均为3.8~8.4，得到TC21钛合金大规格棒材；所述TC21钛合金大规格棒材为圆柱形棒材，其截面直径为160mm~400mm。
2.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC21钛合金铸锭为圆柱形铸锭，其截面直径为420mm~720mm。
3.根据权利要 求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造的始锻温度均随火次数的增加而降低。
4.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中经均匀化处理后的中间锻坯采用水冷方式进行冷却。
5.根据权利要求1所述的一种TC21钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造后均对TC21钛合金铸锭进行表面修磨处理，步骤二中每火次镦拔锻造后均对初级锻坯进行表面修磨处理。
【文档编号】C22F1/18GK103510030SQ201310440293
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】侯智敏, 毛小南, 赵永庆, 雷文光, 张鹏省, 洪权, 于兰兰 申请人:西北有色金属研究院