CN115301866A - 一种实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钛合金塑性加工技术领域，具体公开了一种实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，具体是将TC18钛合金铸锭在1150~1250℃进行第1火次开坯锻造，随后将锻坯加热至β转变温度以下（30~50）℃进行1火次锻造，再将坯料加热至β转变温度以下（300~400）℃进行1火次冷变形，随后再将坯料加热至β转变温度以上（30~50）℃进行再结晶细化与均匀化处理。本发明能够达到以较少火次实现晶粒显著细化的目的，且晶粒细化效果要较传统多火次反复镦拔锻造的效果要更佳。

Description

一种实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺

技术领域

本发明涉及钛合金塑性加工领域，具体涉及一种快速实现TC18钛合金大规格锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺。

背景技术

TC18钛合金是一种典型的高强韧近β型钛合金，因其具有优良的强度-塑性-韧性匹配，被广泛用于制造飞机起落架、框、梁等大型承力构件，具有广泛的应用前景。目前国内针对航空用高端钛合金铸锭的的主要熔炼方式为真空自耗电弧熔炼（VAR熔炼），该方法熔炼过程中液态熔池维持时间短，熔池搅拌不充分，使得钛合金铸锭从外至内呈现出典型的细晶、柱状晶、等轴晶区，其中柱状晶的晶粒尺寸通常达到几十甚至上百毫米，且具有明显的方向性。这种原始粗大、不均匀的铸态晶若得不到有效改善，极易遗传至最终锻件中，造成锻件存在局部粗大组织，给锻件服役埋下质量隐患，因而需要采用锻造的方式对铸态晶粒进行破碎细化。

TC18钛合金相转变温度较低，锻造过程具有锻造工艺窗口窄、变形抗力大、对变形参数极为敏感等特点。为了破碎β型钛合金铸态晶粒，传统方法通常为将铸锭在高温条件下进行多火次反复镦拔锻造，因锻造火次均在再结晶温度以上进行，热变形过程材料发生加工硬化的同时，会伴随回复与再结晶发生，变形过程形成的晶格畸变难以保存至室温，再结晶形核率低，且晶粒长大速度快，再结晶细化与均匀化效果有限，因而通常也需要多火次反复镦拔，但易造成生产周期长，成本居高不下，且当晶粒细化至一定程度后就难以通过增加镦拔锻造火次进一步细化，变形的不均匀性也决定着单纯通过变形的方式破碎细化晶粒的均匀性相对较差，晶粒细化与均匀化效果均存在局限性。

冷变形可提升钛合金中的位错密度，从而对钛合金热处理组织及性能产生影响。公开号为CN201810521142、名称为“一种提高TC4钛合金强度和塑性的热处理方法”的专利申请公开了一种TC4钛合金热处理方法，该方法目的是使用冷变形+时效的形变热处理方式细化时效析出的次生α相，从而提高合金的强度与塑性，然而，其冷变形具体工艺参数并不适用于β晶粒的再结晶细化与均匀化，且TC4为（α+β）型钛合金，相转变温度较高（约1000℃），合金发生明显再结晶所需温度也相对较高，高温条件下晶粒长大速度较快，因而对于相转变温度较高的（α+β）型和α型钛合金，难以通过再结晶实现β晶粒的显著细化。公开号为CN202011229602 .6、名称为“一种提高含铜钛合金强度和塑性的加工方法”的专利申请公开了一种提高含铜钛合金强度和塑性的加工方法，该方法目的是使用冷变形+中低温退火方式细化时效析出的亚微米或纳米级含铜析出物，从而提高合金的强度与塑性，其冷变形具体温度在400℃以下进行，该温度使用于塑性加工性能较好的含铜钛合金，但对于变形抗力极大的厚截面β型合金，该温度条件下难以发生塑性变形。

针对TC18钛合金的塑性加工特点，寻求更加简洁高效的塑性加工工艺，以快速实现TC18钛合金粗大柱状晶的细化与均匀化，对该钛合金材料的进一步推广应用具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种快速实现TC18钛合金大规格锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，通过少量的火次即可完成大规格钛合金铸锭晶粒的快速细化与均匀化，不仅锻造火次较传统工艺大幅缩减，且晶粒细化和均匀化程度显著高于现有技术。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，其特征在于，将TC18钛合金铸锭在1150~1250℃进行第1火次开坯锻造，随后将锻坯加热至β转变温度以下（30~50）℃进行1火次锻造，再将坯料加热至β转变温度以下（300~400）℃进行1火次冷变形，随后再将坯料加热至T_β+（30~50）℃进行再结晶细化与均匀化处理。

在开坯锻造后将锻坯加热至β转变温度以下（30~50）℃进行1火次锻造，目的是适当破碎初生α相，增加坯料的工艺塑性，并且积累部分变形储能，再将坯料加热至Tβ-（300~400）℃进行1火次冷变形，以在坯料内部形成大量变形缺陷，为下一步再结晶细化提供大量形核点。发明人经过大量实验发现，当冷变形温度较低（尤其是常温）时，冷变形的变形抗力极大，变形难以进行且极易开了，但若冷变形温度过高或锻比过大，又极易使局部温度升至再结晶温度以上，加剧随后再结晶组织的不均匀性。

进一步，上述实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，具体通过如下步骤来实现：

步骤1）、将钛合金铸锭加热至1150~1250℃进行1火次锻造，该火次累计锻比控制在3~6之间，将圆柱形铸锭锻造至截面为四方的锻坯；

步骤2）、将步骤1所得的锻坯加热至T_β-（30~50）℃进行1火次锻造，该火次累计锻比控制在1.5~2.5之间；

步骤3）、将步骤2所得的锻坯加热至T_β-（300~400）℃，沿锻坯截面厚度方向进行1火次冷变形，冷变形锻比控制在1.1~1.3之间，冷变形完成后坯料最小截面尺寸不超过450mm；

步骤4）、将步骤3所得的锻坯加热至T_β+（30~50）℃进行保温，再结晶保温时间按t=k·h进行计算，其中k为再结晶保温系数，k值控制在1.0 ~1.5min/mm之间，h为坯料最小截面尺寸，保温结束后出炉进行1火次整形锻造，锻比控制在1.1~1.3之间，锻后空冷至室温，即完成铸锭的充分细化与均匀化。

进一步，上述步骤1）至步骤4）中的加热均采用到温装炉，完成装炉并且炉温重新恢复至设定温度±10℃时开始计时。

进一步，上述步骤1）的加热保温系数控制为0.60~0.80，锻造时间不超过15min，锻后倒棱并空冷至室温。

进一步，上述步骤2）的加热保温系数控制为0.65~0.85，锻造时间不超过10min，锻后采用循环水冷却至室温，其中出水口水温不超过50℃。

进一步，上述步骤3）中的冷变形采用冷锻、冷轧这些常规塑性加工方式中的任意一种，冷变形完成后空冷至室温。

本发明的作用原理如下：

晶粒细化的过程是合金再结晶的过程，再结晶晶粒尺寸受形核率与晶粒长大速率的影响，通常形核率越高或晶粒长大速率越慢，则再结晶晶粒越小。在合金成分确定的前提下，再结晶形核率主要与再结晶前预变形存储的畸变能有关，预变形保存的亚稳相越多，畸变能越大，则为再结晶过程提供的形核点越多，形核率也越高。晶粒长大速率主要受再结晶温度与时间的影响，再结晶加热温度越高，晶粒长大速率越快，再结晶晶粒尺寸也越大。

常规锻造工艺通常选择在再结晶温度以上进行加热变形，变形产生加工硬化的同时会伴随回复与再结晶的进行，使得变形过程中产生的空位、位错等晶体缺陷大幅减少甚至消失，冷却后能保留至室温的晶体缺陷极少，造成再结晶形核率较低。在再结晶以下温度进行冷变形可大幅提升畸变能，且再结晶温度以下形成的晶体缺陷不会因发生回复与再结晶而消失，保存下来的大量缺陷可为随后再结晶形核提供了大量的形核点，从而提升再结晶形核率。但对β型厚截面钛合金采用常温进行冷变形的变形抗力极大，变形难以进行，且极易开裂，冷变形温度过高或锻比过大又极易使局部温升至再结晶温度以上，加剧随后再结晶的不均匀性。本申请是针对TC18钛合金特点，通过大量实验摸索出适合该类型合金的冷变形加工窗口，以显著提升再结晶形核率的难题，从而快速实现TC18钛合金的晶粒细化。

除了摸索适合TC18钛合金的冷变形窗口以提升再结晶形核率以外，本申请对再结晶工艺窗口也进行了严格控制。再结晶工艺参数对再结晶后β晶粒尺寸与均匀性均有重要影响，不同截面厚度的坯料需要匹配不同的再结晶温度和时间，再结晶温度过高或时间过长，晶粒会粗化甚至发生二次再结晶长大，再结晶温度太低或时间太短使得再结晶过长不充分，也达不到晶粒细化与均匀化的目的。对于TC18钛合金，其相转变温度相对较低（不超过900℃），再结晶温度也相应较低。针对TC18型钛合金再结晶特点，本申请通过大量实验发现，将该类型钛合金再结晶温度控制在T_β+（30~50）℃进行保温，晶粒发生完全再结晶后不会明显长大，因而本申请将再结晶温度控制在T_β+（30~50）℃范围，通过大量实验摸索出不同截面厚度坯料完成充分再结晶所需要的时间，以确保坯料不同截面深度部位晶粒均完成充分再结晶，同时严格控制再结晶均匀化时坯料截面厚度，以尽可能减少截面厚度带来的不同部位再结晶保温时间的差异，从而达到实现晶粒细化的同时，确保坯料不同部位实现晶粒均匀化的目的。

与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：

1、本发明通过在再结晶均匀化之前选择合适的冷变形加工窗口进行一火次的冷变形，大幅提升了再结晶核率，从而达到以较少火次实现晶粒显著细化的目的，且晶粒细化效果要较传统多火次反复镦拔锻造的效果要更佳；

2、本发明针对TC18钛合金再结晶温度较低的特点，通过严格控制再结晶均化温度，且适当延长在该再结晶温度条件下的保温时间，确保料在该温度条件下发生完全再结晶的同时，不出现明显晶粒长大现象，同时采用扁方进行再结晶均匀化，以进一步减少坯料不同部位再结晶保温时间，从而大幅提升坯料不同部位晶粒均匀性；

3、本发明通过冷变形显著提升再结晶核率的方式快速实现晶粒细化，避免了传统采用大量镦拔锻造的方式进行晶粒细化，大幅缩减了锻造火次，降低了锻造生产成本，且由于缩短了生产周期，过程可控性进一步增强。

附图说明

图1为TC18钛合金铸锭宏观低倍组织图；

图2为本发明提及到的方案1对应的宏观晶粒图；

图3为本发明提及到的方案2对应的宏观晶粒图；

图4为本发明提及到的方案3（即本申请实施例一）对应的宏观晶粒图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。任何在不脱离本发明构思前提下的相同或相似方案均应落在本发明的保护范围内。且文中未详述部分，均按本领域常规方式进行。且下文中：“Φ”指代的是横截面为圆形的坯料的直径；T_β为相变点温度。

材料：TC18，相变点：865℃，铸锭规格为Φ680×1400mm，铸锭经3次真空自耗电弧熔炼获得，铸锭横向晶粒尺寸达15~20mm，宏观低倍组织如图1所示。

本发明实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，具体通过如下步骤来实现：

步骤1）、将钛合金铸锭加热至1150~1250℃，到温装炉，待炉温重新恢复至设定温度±10℃时开始计时，保温系数控制为0.60~0.80，保温结束后出炉进行1火次锻造，该火次累计锻比控制在3~6之间，将圆柱形铸锭锻造至截面为四方的锻坯，锻造时间不超过15min，锻后倒棱并空冷至室温。

步骤2）、将步骤1所得的锻坯加热至T_β-（30~50）℃，到温装炉，待炉温重新恢复至设定温度±10℃时开始计时，保温系数0.65~0.85，保温结束后出炉进行1火次锻造，该火次累计锻比控制在1.5~2.5之间，锻造时间不超过10min，锻后采用循环水冷却至室温，其中出水口水温不超过50℃；

发明人发现，在冷变形之前对锻坯在β转变温度以下30~50℃进行1火次锻造，并控制合理的锻比，能够适当破碎初生α相，增加坯料的工艺塑性，并积累部分变形储能。

步骤3）、将步骤2所得的锻坯加热至T_β-（300~400）℃，到温装炉，充分保温后出炉，沿锻坯截面厚度方向进行1火次冷变形，冷变形具体采用冷锻、冷轧这些常规塑性加工方式中的任意一种，冷变形锻比控制在1.1~1.3之间，冷变形完成后坯料为最小截面尺寸不超过450mm的扁方，锻后空冷；

发明人发现，对于β型厚截面钛合金而言，采用冷变形的温度较低时其变形抗力极大，变形很难进行，且非常容易开裂，但若将冷变形温度设计过高或锻比设计过大，又极易使局部温升至再结晶温度以上，加剧随后再结晶的不均匀性。本申请通过大量实验摸索出，当将冷变形温度控制在β转变温度以下300~400℃范围内时，并有效控制其锻比在1.1~1.3之间时，能够显著提升再结晶形核率。

步骤4）、将步骤3所得的锻坯加热至T_β+（30~50）℃进行保温，再结晶保温时间按t=k·h进行计算，其中k为再结晶保温系数，k值控制在1.0 ~1.5min/mm之间，h为坯料最小截面尺寸，保温结束后出炉进行1火次整形锻造，锻比控制在1.1~1.3之间，锻后空冷至室温，即完成铸锭的充分细化与均匀化；

再结晶工艺参数对再结晶后β晶粒尺寸与均匀性均有重要影响。TC18再结晶温度较低，较低再结晶温度控制或是再结晶时间过短，再结晶过长不充分，也达不到晶粒细化和均匀化的目的。发明人通过大量实验摸索出，当将β类型钛合金再结晶温度控制在T_β+（30~50）℃时进行保温，且控制不同截面厚度坯料的再结晶所需时间，并严格控制再结晶均匀化时坯料截面厚度（不超过450mm），能够有效实现晶粒细化的同时，确保坯料不同部位实现晶粒均匀化。

下面对本发明加工工艺与现有技术中加工工艺进行对比：

一、现有技术中的短流程开坯锻造方法（简称方案1）

通过4火次塑性工艺快速完成铸态开坯锻造工艺，具体通过如下步骤来实现：

步骤1：将规格为Φ680×1400mm的TC18钛合金铸锭加热至1150℃进行1火次镦拔锻造，该火次锻比6.5，锻后空冷；

步骤2：使用电炉将步骤1所得到得坯料加热到1050℃，进行第2火次镦拔锻造，该火次锻比6.0，锻后空冷；

步骤3：使用电炉将步骤2所得到得坯料加热到830℃，进行第3火次镦拔锻造，该火次锻比1.6，锻后水冷；

步骤4：将步骤3所得的锻坯加热至960℃进行保温进行再结晶处理，保温系数控制在0.7，保温结束后出炉进行1火次整形锻造，锻比1.2，锻后空冷至室温。

二、现有技术中的常规开坯锻造方法（简称方案2）

通过8火次锻造完成铸态晶的细化与均匀化，具体通过如下步骤来实现：

步骤1：将规格为Φ680×1400mm的TC18钛合金铸锭加热至1150℃进行1火次镦拔锻造，该火次锻比9.2，锻后空冷；

步骤2：使用电炉将步骤1所得到得坯料加热到1100℃~950℃，进行第2~5火次镦拔锻造，每火次锻比控制在9.5~10.5范围，每火次锻后均采用空冷；

步骤3：使用电炉将步骤2所得到得坯料加热到830℃进行第6火次镦拔锻造，该火次锻比为1.7，锻后空冷；

步骤4：使用电炉将步骤3所得到得坯料加热到1000℃~950℃，使用45MN快锻机进行第7~8火次镦拔锻造，每火次锻比控制在5.0~7.5范围，锻后空冷，完成铸态晶细化与均匀化。

三、本申请实施例一的锻造方法（简称方案3）

通过4火次塑性工艺快速实现铸态晶粒的细化与均匀化。具体包含如下步骤：

步骤1：将规格为Φ680×1400mm的TC18钛合金铸锭加热至1200℃，到温装炉，待炉温重新恢复至1200±10℃开始计时，保温系数0.75，保温结束后出炉进行第1火次锻造，该火次锻比5.2，锻造时间小于15min，锻后倒棱并空冷至室温；

步骤2：将步骤1所得的坯料加热至830℃，到温装炉，待炉温重新恢复至830±10℃开始计时，保温系数0.7，保温结束后出炉进行第2火次锻造，该火次锻比1.7，锻造时间小于10min，锻后采用循环水冷却至室温，其中出水口水温不超过50℃；

步骤3：将步骤2所得的坯料加热至550℃，到温装炉，充分保温后出炉进行第3火次冷变形，冷变形锻比为1.2，将坯料锻至截面为400mm的扁方，锻后空冷；

步骤4：将步骤3所得的锻坯加热至910℃进行保温，保温系数控制在1.2，保温结束后出炉进行1火次整形锻造，锻比1.1，锻后空冷至室温，即可完成铸锭的充分细化与均匀化。

相同的TC18钛合金铸锭经三种不同方案完成开坯锻造后的宏观组织照片如图2、3、4所示。其中图2为TC18铸锭按常规短流程工艺经4火次锻造后得到的宏观低倍组织，图3为TC18铸锭按传统工艺经8火次锻造后得到的宏观低倍组织，图4为按本申请实施例一技术进行4火次塑性加工后的宏观低倍组织。从图2和图4对比可知，在相同锻造火次的情况下，按现有短流程工艺得到的锻坯心部平均晶粒尺寸为3~5mm，边部达4~8mm，晶粒尺寸粗大，且从心部至边部晶粒尺寸逐渐增大，整体均匀性相对较差，而按本申请实施例一得到的β锻坯不同部位β晶粒尺寸为1~2mm，晶粒细化及均匀化程度均明显比传统短流程工艺更优。从图3和图4对比可知，按传统工艺锻造后的宏观低倍心部晶粒明显较边部偏粗大，且存在明显变形流线，组织均匀性相对较差，而按本申请实施例一实施，在火次减少一半的前提下，晶粒细化程度与传统工艺基本相当，但心部晶粒细化程度优于传统工艺，且不同部位晶粒均匀性明显由于传统工艺。

Claims (6)

1.一种实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，其特征在于，将TC18钛合金铸锭在1150~1250℃进行第1火次开坯锻造，随后将锻坯加热至β转变温度以下（30~50）℃进行1火次锻造，再将坯料加热至β转变温度以下（300~400）℃进行1火次冷变形，随后再将坯料加热至β转变温度以上（30~50）℃进行再结晶细化与均匀化处理。

2.根据权利要求1所述的实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，其特征在于，具体通过如下步骤来实现：

步骤1）、将钛合金铸锭加热至1150~1250℃进行1火次锻造，该火次累计锻比控制在3~6之间，将圆柱形铸锭锻造至截面为四方的锻坯；

步骤2）、将步骤1所得的锻坯加热至T_β-（30~50）℃进行1火次锻造，该火次累计锻比控制在1.5~2.5之间；

步骤3）、将步骤2所得的锻坯加热至T_β-（300~400）℃，沿锻坯截面厚度方向进行1火次冷变形，冷变形锻比控制在1.1~1.3之间，冷变形完成后坯料最小截面不超过450mm；

步骤4）、将步骤3所得的锻坯加热至T_β+（30~50）℃进行保温，再结晶保温时间按t=k·h进行计算，其中k为再结晶保温系数，k值控制在1.0 ~1.5min/mm之间，h为坯料最小截面尺寸；保温结束后出炉进行1火次整形锻造，锻比控制在1.1~1.3之间，锻后空冷至室温，即完成铸锭的充分细化与均匀化。

3.根据权利要求2所述的实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，其特征在于，上述步骤1）至步骤4）中的加热均采用到温装炉，完成装炉并且炉温重新恢复至设定温度±10℃时开始计时。

4.根据权利要求2所述的实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，其特征在于，上述步骤1）的加热保温系数控制为0.60~0.80，锻造时间不超过15min，锻后倒棱并空冷至室温。

5.根据权利要求2所述的实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，其特征在于，上述步骤2）的加热保温系数控制为0.65~0.85，锻造时间不超过10min，锻后采用循环水冷却至室温，其中出水口水温不超过50℃。

6.根据权利要求2所述的实现钛合金锻坯晶粒细化与均匀化的塑性加工工艺，其特征在于，上述步骤3）中的冷变形采用冷锻、冷轧这些常规塑性加工方式中的任意一种，冷变形完成后空冷至室温。

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