航空用TC4合金及其Ф350~450mm大规格棒材及其制备方法与流程

本发明涉及钛合金材料，尤其涉及一种航空用tc4合金及其ф350～450mm大规格棒材及其制备方法。

背景技术：

1、ti-6ai-4v(以下简称tc4)是美国于1945年开发出的一种α+β两相钛合金，由于其良好的综合性能及工艺特性,成为钛工业中的王牌合金，被广泛的应用于军工、航空航天、化工等领域一。因航空领域对合金材料使用环境苛刻，故对其组织均匀性和力学性能一致性等提出更高的要求，行业内对于ф200mm～ф300mm满足gjb2218a的棒材，采用常规的β→α+β两相区多火次镦拔锻造，可以满足标准要求，具备了相对比较成熟的技术，并具有一定的生产能力。但对于ф350-450mm大规格棒材采用常规β→α+β多火次镦拔锻造工艺生产的棒材普遍存在晶粒粗大、整个截面组织不均匀、初生α相含量≥80％，导致ф350-450mm棒材探伤无法满足a1级，组织评级及室温纵向力学性能不达标，棒材力学性能一致性差方面的问题。

2、申请号为202210075927.6，名称为“一种细晶组织tc4钛合金棒材及其制备方法”的中国发明专利申请公开的技术方案通过在现有tc4钛合金的基础上添加微量p元素和s元素，并控制两者的质量比为(1～4)：(1～10)，利用p元素和s元素削弱钛合金晶界结合力，为后续制备的镦拔锻造工艺带来便利。尽管p元素通常被视为有害的杂质，但本发明通过将p元素控制在一定的含量范围内，可提高钛合金的持久和蠕变性能。另外，如果要达到相同尺寸的β晶粒平均晶粒度，添加微量p元素和s元素细晶组织tc4钛合金棒材所需的锻造总变形量比无添加时减少25％～50％，且经过相同的锻造变形量，其β晶粒平均晶粒度较无添加时提高4～5级，β晶粒平均晶粒尺寸减小50～80％，适用于φ280mm～φ920mm规格细晶组织tc4钛合金铸锭的工业化生产。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种不需要添加p元素和s元素的、棒材组织细小、均匀，晶粒度≥8级的航空用tc4合金。

2、还有必要提供一种tc4合金的ф350～450mm大规格棒材的制备方法。

3、一种航空用tc4合金包括以下质量百分比组分：a15.50％～6.75％，v3.5％～4.5％，fe≤0.3％，0≤0.2％，c≤0.08％，n≤0.04％，h≤0.01％；杂质中，单一元素＜0.1％，杂质总和＜0.4％。

4、一种tc4合金的ф350～450mm大规格棒材的制备方法包括以下步骤：

5、步骤s1：铸锭开坯，包括以下步骤：

6、步骤s101，将铸锭升温至700～850℃并保温6～10h；

7、步骤s102，将铸锭升温至1100～1170℃并保温6～10h；

8、步骤s103，将铸锭八方滚圆，控制高径比为1.5～2.5；

9、步骤s104，将铸锭镦粗，拔长，镦粗或拔长的铸锭变形量控制在70～80％；

10、步骤s105，将铸锭热态回炉，即在1100～1150℃的温度下保温180～360分钟；

11、步骤s106，循环镦拔锻造，打磨修除裂纹缺陷，终锻温度大于或等于950℃，之后空冷，形成棒坯；

12、步骤s2：中间棒坯锻造，包括以下步骤：

13、步骤s201，将棒坯升温至700～850℃，保温120～150min；

14、步骤s202，将棒坯在120～180min内升温至950～990℃，保温150～300min；

15、步骤s203，将棒坯八方滚圆，控制高径比为1.5～2.5；

16、步骤s204，将棒坯2～8火次镦拔锻造，火次变形量控制在70～80％，直至坯料直径为600～850mm，且终锻温度大于或等于930℃，之后空冷；

17、在镦拔锻造期间，在α+β相区镦拔锻造1～2火次后，回炉加热至tβ+(10～30)℃，持续60～180分钟，之后进行出炉水冷的β热处理；

18、在镦拔锻造期间，在α+β相区镦拔锻造3～4火次后，回炉加热至tβ-(200～250)℃，持续120～240分钟，之后进行出炉空冷的再结晶热处理；

19、步骤s3：制备φ400～500mm预成型径锻坯料，包括以下步骤：

20、步骤s301，将棒坯升温至700～850℃，保温120～150min；

21、步骤s302，将棒坯在120～180min内将坯料继续升温至950～970℃，保温150～300min；

22、步骤s303，将棒坯八方滚圆，控制高径比为1.5～2.5；

23、步骤s304，将棒坯进行1～2火次镦拔锻造，火次变形量控制在55％～65％，直至坯料直径为400～500mm，终锻温度大于或等于900℃，之后空冷，形成预成型坯料；

24、步骤s4：预成型坯料径锻，包括以下步骤：

25、步骤401，将预成型坯料升温至700～850℃，保温90～150min；

26、步骤402，将预成型坯料在120～180min内升温至950～970℃，保温120～210min；

27、步骤403，将预成型坯料径向锻造1火次，火次变形量为10％～20％，终锻温度大于或等于900℃，之后空冷；

28、步骤s5：预成型坯料热处理：将经过径锻的预成型坯料加热至tβ-(35～45)℃，并保温4～8h；水冷棒材；将棒材加热至tβ-(240～300)℃，并保温4～8h；将棒材炉冷至300～500℃，出炉空冷，得到tc4合金的ф350～450mm大规格棒材。

29、上述tc4合金的ф350～450mm大规格棒材的制备方法中，在步骤s204中，棒坯镦拔锻造8次，火次变形量为75％，其中第2火次和第5次镦拔后回炉加热至tβ+(10～30)℃，持续60～180分钟；第6火次和第8火次镦拔后回炉加热至tβ-(120～240)℃，持续120～240分钟。

30、上述tc4合金的ф350～450mm大规格棒材的制备方法中，在步骤s104或s204中，每次镦粗均使用凹型盖板，拔长采用四方→对角拔长→八方→圆的变形方式。

31、上述tc4合金的ф350～450mm大规格棒材的制备方法中，在步骤s101中，所述铸锭直径为为ф700mm～ф800mm。

32、有益效果：与现有技术相比，本发明的航空用tc4合金杂质成分较少，在保证棒材力学性能优异的前提下能够更好的避免铁的偏析。按照本发明的方法制备出的ф350～450mmtc4合金棒材，在不需要添加p元素和s元素的情况下，内部组织均匀性好，且初生α相和β相含量各占50％，晶粒度≤22um，热处理后的棒材具有良好的室温和高温性能。

技术特征：

1. 一种航空用tc4合金，其特征在于：包括以下质量百分比组分：a1 5.50%~6.75%，v3.5%~4.5%，fe≤0.3%，0≤0.2%，c≤0.08%，n≤0.04%，h≤0.01%；杂质中，单一元素＜0.1%，杂质总和＜0.4%。

2.如权利要求1所述的航空用tc4合金的ф350~450mm大规格棒材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

3.如权利要求2所述的ф350~450mm大规格棒材的制备方法，其特征在于：在步骤s204中，棒坯镦拔锻造8次，火次变形量为75%，其中第2火次和第5次镦拔后回炉加热至tβ+（10~30）℃，持续60~180分钟；第6火次和第8火次镦拔后回炉加热至tβ-（120~240）℃，持续120~240分钟。

4.如权利要求2所述的ф350~450mm大规格棒材的制备方法，其特征在于：在步骤s104或s204中，每次镦粗均使用凹型盖板，凹型盖板设有弧形的凹槽。

5.如权利要求2所述的ф350~450mm大规格棒材的制备方法，其特征在于：在步骤s104或s204中，拔长采用四方→对角拔长→八方→圆的变形方式。

6.如权利要求2所述的ф350~450mm大规格棒材的制备方法，其特征在于：在步骤s101中，所述铸锭直径为为ф700mm～ф800mm。

技术总结
本发明的航空用TC4合金杂质成分较少，在保证棒材力学性能优异的前提下能够更好的避免铁的偏析。按照本发明的方法制备出的Ф350~450mmTC4合金棒材的内部为细小均匀的等轴组织，且初生α相和β相含量各占50%，晶粒度≤22um，热处理后的棒材具有良好的室温和高温性能，室温拉伸强度940MPa以上，400℃下高温抗拉强度780MPa以上，400℃×100h的AC热稳定抗拉强度980MPa以上，延伸率均为15%以上，面缩40%以上。

技术研发人员：韩伟松,朱宝辉,袁红军,沈立华,李小飞,吴俊泽
受保护的技术使用者：宁夏中色金航钛业有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15