CN104451491B - 一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，该方法为：一、将Ti12LC钛合金铸锭开坯锻造，分切下料得到初级锻坯；二、将初级锻坯进行镦拔锻造，水冷后得到中间锻坯；三、将中间锻坯成形锻造，水冷后分切下料得到半成品锻件；四、将所述半成品锻件进行固溶处理；五、对经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到Ti12LC钛合金锻件。本发明采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺过程，能够在保证Ti12LC钛合金锻件质量的同时降低制备成本，另外，采用分段固溶处理+时效处理的热处理方法能够获得组织均匀性良好，综合力学性能匹配良好的Ti12LC钛合金锻件。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料加工制备领域，具体涉及一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、无磁性、热膨胀系数低、耐腐蚀、中温性能好等一系列优点，不仅作为一种重要的金属结构材料被大量应用于航空航天工业及海洋化工工业中，而且作为汽车用材很早就引起人们的重视。然而钛合金的制造成本相对于钢铁、铝合金等大量使用的传统金属材料而言要高出许多，较高的成本在一定程度上阻碍了其在民用领域的应用，因此如何降低钛合金材料的成本成为材料科学工作者研究的热点和重点。
Ti12LC合金是西北有色金属研究院采用廉价中间合金Mo-Fe自行研制的一种低成本钛合金，其性能与TC11钛合金相当，但其成本可降低10％以上，然而，在生产过程中Ti12LC合金的锻造工艺往往采用常规的钛合金锻造方法，制备成本高，同时，经常规制备工艺生产的Ti12LC合金性能虽然基本满足航空航天常用钛合金的性能需求，但是其微观组织均匀性较差，性能可调控空间小，强度与塑韧性匹配不佳。
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中的不足，提供一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，该方法采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺过程，能够在保证Ti12LC钛合金锻件质量的同时降低制备成本，另外，采用分段固溶处理+时效处理的热处理方法能够获得组织均匀性良好，综合力学性能匹配良好的Ti12LC钛合金锻件。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将Ti12LC钛合金铸锭在始锻温度为950℃～1150℃的条件下进行两火次的开坯锻造，分切下料得到初级锻坯；每火次所述开坯锻造的锻造比均为7.8～8.4；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下30℃～50℃的条件下进行1火次的镦拔锻造，水冷后得到中间锻坯；所述镦拔锻造的锻造比为6～7.2；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下10℃～30℃的条件下进行1火次的成形锻造，水冷后分切下料得到半成品锻件；所述成形锻造的锻造比为6～7.2；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下10℃～30℃的条件下保温60min～120min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下60℃～100℃的条件下保温60min～120min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；所述第一固溶处理的温度与步骤三中所述成形锻造的始锻温度之差为-5℃～5℃；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为520℃～580℃的条件下保温6h～10h，然后空冷至室温。
上述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中第一火次开坯锻造的始锻温度大于第二火次开坯锻造的始锻温度。
上述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中第一火次开坯锻造后采用水冷方式进行冷却，第二火次开坯锻造后采用空冷方式进行冷却。
上述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理。
上述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤二中镦拔锻造后对所述初级锻坯进行表面修磨处理。
上述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤三中成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理。
上述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤四中所述第一固溶处理的温度与步骤三中所述成形锻造的始锻温度相同。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺过程，能够在保证Ti12LC钛合金锻件质量的同时降低制备成本，另外，采用分段固溶处理+时效处理的热处理方法能够获得组织均匀性良好，综合力学性能匹配良好的Ti12LC钛合金锻件。
2、本发明通过协调控制成形锻造的始锻温度和第一固溶处理的温度相同或相近，能够调节制备得到的Ti12LC钛合金的金相组织中初生等轴α相的体积分数在5％～30％之间，等轴α相的体积分数越高，Ti12LC钛合金强度降低、塑性提高、韧性变化不明显；通过协调控制第一固溶处理和第二固溶处理的温度差能够调节制备得到的Ti12LC钛合金的金相组织中次生板条α相的体积分数在10％～20％之间，次生板条α相的体积分数越高，则Ti12LC钛合金韧性提高，强度和塑性变化不明显；具有这种由5％～30％体积分数初生等轴α相，10％～20％体积分数次生板条α相，和层片状或细针状β转变组织组成的双态组织的Ti12LC钛合金锻件，能够获得较大的力学性能可调控空间，进一步使其强韧性匹配良好，改善其综合力学性能。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图。
图2为对比例1制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图。
图3为对比例2制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图。
图4为本发明实施例2制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图。
图5为本发明实施例3制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图。
图6为本发明实施例4制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图。
图7为本发明实施例5制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例制备Ti12LC钛合金锻件的方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ420mm×560mm的Ti12LC钛合金铸锭进行两火次的开坯锻造，分切下料得到初级锻坯，其中第一火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1150℃，锻造比为7.8，锻后水冷，第二火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为950℃，锻造比为8.4，锻后空冷；每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下40℃的条件下进行1火次的镦拔锻造，所述镦拔锻造为三墩三拔，锻造比为7.2，水冷后得到中间锻坯；镦拔锻造后对所述初级锻坯进行表面修磨处理；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下20℃的条件下进行1火次的成形锻造，所述成形锻造为两墩三拔，锻造比为7.0，水冷后分切下料得到半成品锻件；成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下20℃的条件下保温90min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下100℃的条件下保温90min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到规格为130mm×130mm×300mm的Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为560℃的条件下保温8h，然后空冷至室温。
图1为实施例1制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图，从图1中可以看出本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的微观组织均匀性良好，约含有体积分数为20％的次生板条α相，本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的抗拉强度为1105MPa，屈服强度为1012MPa，断后伸长率为14.6％，断面收缩率为48％，冲击吸收功为39.2J/cm2。
对比例1
对比例1制备Ti12LC钛合金锻件的方法与实施例1相同，其中不同之处在于：步骤四中所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件在Ti12LC钛合金β相变点以下100℃的条件下保温90min，然后空冷至室温。
图2为对比例1制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图，从图2中可以看出本对比例制备的Ti12LC钛合金锻件的微观组织由约20％初生等轴α相和层片状β转变组织组成，无次生板条α相；本对比例制备的Ti12LC钛合金锻件的抗拉强度为1081MPa，屈服强度为993MPa，断后伸长率为12.0％，断面收缩率为41％，冲击吸收功为32.3J/cm2。
对比例2
对比例2制备Ti12LC钛合金锻件的方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ420mm×560mm的Ti12LC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墩两拔，始锻温度为1150℃，锻造比为5.6，第二火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1050℃，锻造比为7.8，第二火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为950℃，锻造比为7.8，开坯锻造后分切下料，分切下料得到初级锻坯；每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下20℃的条件下进行两火次的镦拔锻造，每火次所述镦拔锻造均为两墩两拔，锻造比均为5.2，锻后水冷；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下40℃的条件下进行1火次的成形锻造，所述成形锻造为两墩两拔，锻造比为5.6，水冷后分切下料得到半成品锻件；成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下20℃的条件下保温90min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下100℃的条件下保温90min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到规格为130mm×130mm×300mm的Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为540℃的条件下保温8h，然后空冷至室温。
图3为对比例2制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图，从图3中可以看出本对比例制备的Ti12LC钛合金锻件的微观组织由约体积分数35％的初生等轴α相、体积分数5％的次生板条α相和细针状β转变组织组成，但次生板条α相的分布不均匀。本对比例制备的Ti12LC钛合金锻件的抗拉强度为1090MPa，屈服强度为998MPa，断后伸长率为12.4％，断面收缩率为40％，冲击吸收功为33.0J/cm2。
对比分析图1、图2、图3以及实施例1、对比例1和对比例2制备的Ti12LC钛合金锻件的力学性能测试结果，说明实施例1采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺结合分段固溶处理+时效处理的热处理方法制备Ti12LC钛合金锻件的微观组织含有更高体积分数的次生板条α相，增强了合金强度、明显改善了合金的冲击韧性，且合金微观组织均匀性更好，综合力学性能匹配更佳。
实施例2
本实施例制备Ti12LC钛合金锻件的方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ420mm×580mm的Ti12LC钛合金铸锭进行两火次的开坯锻造，分切下料得到初级锻坯，其中第一火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1100℃，锻造比为8.4，锻后水冷，第二火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1000℃，锻造比为7.8，锻后空冷；每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下30℃的条件下进行1火次的镦拔锻造，所述镦拔锻造为两墩三拔，锻造比为6.5，水冷后得到中间锻坯；镦拔锻造后对所述初级锻坯进行表面修磨处理；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下10℃的条件下进行1火次的成形锻造，所述成形锻造为三墩三拔，锻造比为7.2，水冷后分切下料得到半成品锻件；成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下15℃的条件下保温60min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下60℃的条件下保温60min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到规格为120mm×120mm×270mm的Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为520℃的条件下保温6h，然后空冷至室温。
图4为实施例2制备的Ti12LC钛合金锻件的高倍组织图，从图4中可以看出本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的微观组织均匀性良好，约含有体积分数为10％的次生板条α相，本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的抗拉强度为1132MPa，屈服强度为1038MPa，断后伸长率为12.9％，断面收缩率为45％，冲击吸收功为35.5J/cm2。
本实施例采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺结合分段固溶处理+时效处理的热处理方法能够获得合金微观组织均匀性良好，综合力学性能匹配良好的Ti12LC钛合金。
实施例3
本实施例制备Ti12LC钛合金锻件的方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ420mm×580mm的Ti12LC钛合金铸锭进行两火次的开坯锻造，分切下料得到初级锻坯，其中第一火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1150℃，锻造比为8.1，锻后水冷，第二火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为970℃，锻造比为8.4，锻后空冷；每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下50℃的条件下进行1火次的镦拔锻造，所述镦拔锻造为两墩两拔，锻造比为6.0，水冷后得到中间锻坯；镦拔锻造后对所述初级锻坯进行表面修磨处理；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下30℃的条件下进行1火次的成形锻造，所述成形锻造为两墩三拔，锻造比为7.0，水冷后分切下料得到半成品锻件；成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下25℃的条件下保温110min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下80℃的条件下保温120min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到规格为140mm×140mm×330mm的Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为580℃的条件下保温10h，然后空冷至室温。
本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的微观组织均匀性良好，约含有15％的板条状α相，本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的抗拉强度为1108MPa，屈服强度为1005MPa，断后伸长率为14.2％，断面收缩率为47％，冲击吸收功为38.8J/cm2。
本实施例采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺结合分段固溶处理+时效处理的热处理方法能够获得合金微观组织均匀性良好，综合力学性能匹配良好的Ti12LC钛合金。
实施例4
本实施例制备Ti12LC钛合金锻件的方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ420mm×570mm的Ti12LC钛合金铸锭进行两火次的开坯锻造，分切下料得到初级锻坯，其中第一火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1150℃，锻造比为7.8，锻后水冷，第二火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1000℃，锻造比为8.1，锻后空冷；每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下45℃的条件下进行1火次的镦拔锻造，所述镦拔锻造为三墩三拔，锻造比为7.2，水冷后得到中间锻坯；镦拔锻造后对所述初级锻坯进行表面修磨处理；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下30℃的条件下进行1火次的成形锻造，所述成形锻造为两墩三拔，锻造比为6.5，水冷后分切下料得到半成品锻件；成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下30℃的条件下保温110min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下70℃的条件下保温95min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到规格为130mm×130mm×310mm的Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为530℃的条件下保温9h，然后空冷至室温。
本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的微观组织均匀性良好，约含有10％的板条状α相，本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的抗拉强度为1123MPa，屈服强度为1020MPa，断后伸长率为13.4％，断面收缩率为44％，冲击吸收功为36.8J/cm2。
本实施例采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺结合分段固溶处理+时效处理的热处理方法能够获得合金微观组织均匀性良好，综合力学性能匹配良好的Ti12LC钛合金。
实施例5
本实施例制备Ti12LC钛合金锻件的方法包括以下步骤：
步骤一、将规格为Φ420mm×580mm的Ti12LC钛合金铸锭进行两火次的开坯锻造，分切下料得到初级锻坯，其中第一火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为1150℃，锻造比为8.4，锻后水冷，第二火次开坯锻造为三墩三拔，始锻温度为950℃，锻造比为7.8，锻后空冷；每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下35℃的条件下进行1火次的镦拔锻造，所述镦拔锻造为两墩三拔，锻造比为7.0，水冷后得到中间锻坯；镦拔锻造后对所述初级锻坯进行表面修磨处理；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下10℃的条件下进行1火次的成形锻造，所述成形锻造为两墩两拔，锻造比为6.0，水冷后分切下料得到半成品锻件；成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下10℃的条件下保温120min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下80℃的条件下保温100min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到规格为120mm×120mm×310mm的Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为580℃的条件下保温7h，然后空冷至室温。
本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的微观组织均匀性良好，约含有18％的板条状α相，本实施例制备的Ti12LC钛合金锻件的抗拉强度为1119MPa，屈服强度为1018MPa，断后伸长率为13.7％，断面收缩率为47％，冲击吸收功为37.6J/cm2。
本实施例采用少火次高锻造比的开坯锻造工艺结合分段固溶处理+时效处理的热处理方法能够获得合金微观组织均匀性良好，综合力学性能匹配良好的Ti12LC钛合金。
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，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将Ti12LC钛合金铸锭在始锻温度为950℃～1150℃的条件下进行两火次的开坯锻造，分切下料得到初级锻坯；每火次所述开坯锻造的锻造比均为7.8～8.4，其中，第一火次开坯锻造的始锻温度大于第二火次开坯锻造的始锻温度；
步骤二、将步骤一中所述初级锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下30℃～50℃的条件下进行1火次的镦拔锻造，水冷后得到中间锻坯；所述镦拔锻造的锻造比为6～7.2；
步骤三、将步骤二中所述中间锻坯在始锻温度为Ti12LC钛合金β相变点以下10℃～30℃的条件下进行1火次的成形锻造，水冷后分切下料得到半成品锻件；所述成形锻造的锻造比为6～7.2；
步骤四、将步骤三中所述半成品锻件进行固溶处理，所述固溶处理的具体工艺为：将所述半成品锻件先在Ti12LC钛合金β相变点以下10℃～30℃的条件下保温60min～120min进行第一固溶处理，再随炉冷却至Ti12LC钛合金β相变点以下60℃～100℃的条件下保温60min～120min进行第二固溶处理，然后空冷至室温；
步骤五、对步骤四中经固溶处理后的半成品锻件进行时效处理，得到Ti12LC钛合金锻件；所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品锻件在温度为520℃～580℃的条件下保温6h～10h，然后空冷至室温；
步骤四中所述第一固溶处理的温度与步骤三中所述成形锻造的始锻温度相同。
2.按照权利要求1所述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中第一火次开坯锻造后采用水冷方式进行冷却，第二火次开坯锻造后采用空冷方式进行冷却。
3.按照权利要求1所述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤一中每火次开坯锻造后均对所述Ti12LC钛合金铸锭进行表面修磨处理。
4.按照权利要求1所述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤二中镦拔锻造后对所述初级锻坯进行表面修磨处理。
5.按照权利要求1所述的一种Ti12LC钛合金锻件的制备方法，其特征在于，步骤三中成形锻造后对所述中间锻坯进行表面修磨处理。
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