CN116770204A

CN116770204A - 一种超高强钛合金锻件制备方法

Info

Publication number: CN116770204A
Application number: CN202310618738.3A
Authority: CN
Inventors: 周伟; 辛社伟; 王晓; 张思远; 侯红苗; 赵圣泽; 杨海瑛
Original assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Current assignee: Northwest Institute for Non Ferrous Metal Research
Priority date: 2023-05-30
Filing date: 2023-05-30
Publication date: 2023-09-19

Abstract

本发明公开了一种超高强钛合金锻件制备方法，该方法包括：一、将超高强钛合金的铸锭进行开坯镦拔锻造得到锻坯；二、将锻坯在相变点之上进行多火次改锻；三、将经多火次改锻后的锻坯在相变点之下进行成型锻造得到钛合金锻件；四、将钛合金锻件进行固溶时效处理。本发明通过高温大变形锻造加工及减少锻造火次，结合(α+β)区固溶和时效处理工艺，实现组织均匀性及性能匹配性，使得钛合金锻件获得良好的强韧性匹配，且锻造周期及成本显著降低，过程可控性增强，满足了航空高承力锻件的需求。

Description

一种超高强钛合金锻件制备方法

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种超高强钛合金锻件制备方法。

背景技术

高强韧钛合金指热处理后室温强度大于1100MPa，断裂韧性在55MPa.m^1/2以上的钛合金，是钛合金发展和应用的重要领域之一。合金类型包括热处理强化马氏体α+β型钛合金、近β型和亚稳β型钛合金3类，主要用来代替飞行器结构中强度要求较高的承力构件，替代高强钢，减轻结构重量。

进入21世纪，航空航天飞行器向着高速化发展，以及材料破损-安全设计概念和损伤容限设计准则的建立，高强钛合金朝着两个方向发展，一个是追求更高断裂韧性的高强韧损伤容限型钛合金，另一个是追求更高强度的超高强钛合金。

国外对具有更高强度水平的可用于航空大型结构件的超高强钛合金的研究非常重视。其代表性的合金是在VT22合金的基础上改进设计的Ti-5553(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr，美国)及VST-55531(Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，俄罗斯)合金，合金抗拉强度达到了1250～1400MPa，以满足新一代大型喷气式飞机高强度和在更恶劣的应用条件下的高断裂韧性需求。国内密跟踪国际研究前沿，研制开发了1300MPa～1600MPa的不同强度级别超高强钛合金。

就高强度和高韧性钛合金而言，其强度与韧性是两种完全相反的特征，韧性通常是随高强度化而降低。通过合金化提高合金的强度并不太困难,但要同时具有高韧性却非易事。钛合金的组织形态对其力学性能会产生很大的影响，组织结构的微小变化往往导致合金性能的巨大差异。如何通过组织最佳化获得强度、塑性、韧性的良好匹配的综合性能是超高强钛合金研究的技术关键。

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，提供一种超高强钛合金锻件制备方法。本发明通过采用高温大变形锻造加工及减少锻造火次，结合(α+β)区固溶和时效处理工艺，实现组织均匀性及性能匹配性，使得钛合金锻件获得良好的强韧性匹配，解决了超高强钛合金的高强度和高韧性难以兼备的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将超高强钛合金的铸锭进行开坯镦拔锻造，得到锻坯；

步骤二、将步骤一中得到的锻坯在相变点之上进行多火次改锻；

步骤三、将步骤二中经多火次改锻后的锻坯在相变点之下进行成型锻造，得到钛合金锻件；

步骤四、将步骤三中得到的钛合金锻件进行固溶时效处理。

上述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤一中所述超高强钛合金为抗拉强度大于1450MPa的钛合金。

上述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤一中所述开坯镦拔锻造的温度为1100℃～1150℃，保温时间t₁＝0.8D₁，其中D₁为超高强钛合金的铸锭的横截面直径或厚度，单位为mm，t₁的单位为min，且开坯镦拔锻造采用三镦三拔锻造工艺，镦粗和拔长的道次变形量为50％。

上述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤二中所述多火次改锻为3～4火次改锻，温度为940℃～1050℃，保温时间t₂＝0.6D₂，其中D₂为锻坯的横截面直径或厚度，单位为mm，t₂的单位为min，所述多火次改锻采用三镦三拔锻造-回火-两镦两拔锻造工艺，镦粗和拔长道次变形量为50％，回火时间t₀＝0.3D₀，其中D₀为待回火锻坯的横截面直径或厚度，单位为mm，t₀的单位为min。

上述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤三中所述成型锻造的温度为790℃～800℃，保温时间t₃＝0.6D₃，其中D₃为经多火次改锻后的锻坯的横截面直径或厚度，单位为mm，t₃的单位为min，变形量不小于50％。

上述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤四中所述固溶时效处理为(α+β)区固溶和时效处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明首先采用高温大变形锻造加工，并严格控制保温时间防止晶粒异常长大，利用钛合金β相体心立方优异的变形协调能力使得锻坯组织均匀，然后采用高的变形温度并减少锻造火次，使得β晶粒尺寸显著大于常规工艺，随后在相变点之下大变形破碎β晶粒，降低了组织中遗留的β晶界痕迹由于晶界软区的存在对性能带来的不利影响，实现组织均匀性及性能匹配性，从而钛合金锻件获得良好的强韧性匹配，满足了航空高承力锻件的需求。

2、本发明采用(α+β)区固溶和时效处理工艺，使得钛合金锻件获得细小初生α和相互交错的次生α片层组织结构，实现钛合金锻件优良的强韧性匹配。

3、本发明的锻造火次大幅减少，从铸锭至成品锻件的总锻造火次仅需5～6火，锻造周期及成本显著降低，过程可控性增强。

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将直径Φ510mm的Ti1500超高强钛合金的铸锭在1150℃温度下保温408min后进行开坯镦拔锻造，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后制备成□450mm棒材；

步骤二、将步骤一中得到的□450mm棒材在相变点之上进行多火次改锻，具体过程为：

(1)一火锻造：在1050℃温度下保温270min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温135min，再进行两镦两拔变形，得到□450mm棒材；

(2)二火锻造：在1000℃温度下保温270min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温135min，再进行两镦两拔变形，得到□450mm棒材；

(3)三火锻造：在960℃温度下保温270min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温135min，再进行两镦两拔变形，得到□450mm棒材并锯切分料；

(4)四火锻造：在940℃温度下保温270min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温135min，再进行两镦两拔变形，得到□240mm棒材并锯切分料；

步骤三、将步骤二中经多火次改锻后的锻坯在800℃温度下保温144min后拔长变形进行成型锻造，得到直径Φ150mm钛合金锻棒；

步骤四、将步骤三中得到的钛合金锻棒进行770℃/1h，AC的固溶处理和510℃/4h，AC的时效处理。

经检测，本实施例的钛合金锻棒经固溶时效处理后的性能达到：抗拉强度Rm＝1510MPa，延伸率A＝8％，断裂韧性K_IC＝49.5MPa.m^1/2，具有良好的强-塑-韧性匹配。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将直径Φ610mm的Ti1500超高强钛合金的铸锭在1100℃温度下保温488min后进行开坯镦拔锻造，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后制备成□640mm棒材；

步骤二、将步骤一中得到的□640mm棒材在相变点之上进行多火次改锻，具体过程为：

(1)一火锻造：在1050℃温度下保温384min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温192min，再进行两镦两拔变形，得到□640mm棒材；

(2)二火锻造：在970℃温度下保温384min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温192min，再进行两镦两拔变形，得到□640mm棒材；

(3)三火锻造：在940℃温度下保温384min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温192min，再进行两镦两拔变形，得到□440mm棒材并锯切分料；

步骤三、将步骤二中经多火次改锻后的锻坯在790℃温度下保温264min后拔长变形进行成型锻造，得到直径Φ250mm钛合金锻棒；

经检测，本实施例的钛合金锻棒经固溶时效处理后的性能达到：抗拉强度Rm＝1476MPa，延伸率A＝10％，断裂韧性K_IC＝58.5MPa.m^1/2，具有良好的强-塑-韧性匹配。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将直径Φ610mm的Ti1500超高强钛合金的铸锭在1080℃温度下保温488min后进行开坯镦拔锻造，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后制备成□640mm棒材；

(1)一火锻造：在990℃温度下保温384min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温192min，再进行两镦两拔变形，得到□640mm棒材；

(2)二火锻造：在970℃温度下保温384min后进行镦拔变形，镦粗和拔长道次变形量为50％，三镦三拔变形后回火保温192min，再进行两镦两拔变形，得到□640mm棒材并锯切分料；

步骤三、将步骤二中经多火次改锻后的锻坯在795℃温度下保温264min后拔长变形进行成型锻造，得到直径Φ200mm钛合金锻棒；

经检测，本实施例的钛合金锻棒经固溶时效处理后的性能达到：抗拉强度Rm＝1495MPa，延伸率A＝9.5％，断裂韧性K_IC＝56.5MPa.m^1/2，具有良好的强-塑-韧性匹配。

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。

Claims

1.一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤四、将步骤三中得到的钛合金锻件进行固溶时效处理。

2.根据权利要求1所述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤一中所述超高强钛合金为抗拉强度大于1450MPa的钛合金。

3.根据权利要求1所述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤一中所述开坯镦拔锻造的温度为1100℃～1150℃，保温时间t₁＝0.8D₁，其中D₁为超高强钛合金的铸锭的横截面直径或厚度，单位为mm，t₁的单位为min，且开坯镦拔锻造采用三镦三拔锻造工艺，镦粗和拔长的道次变形量为50％。

4.根据权利要求1所述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤二中所述多火次改锻为3～4火次改锻，温度为940℃～1050℃，保温时间t₂＝0.6D₂，其中D₂为锻坯的横截面直径或厚度，单位为mm，t₂的单位为min，所述多火次改锻采用三镦三拔锻造-回火-两镦两拔锻造工艺，镦粗和拔长道次变形量为50％，回火时间t₀＝0.3D₀，其中D₀为待回火锻坯的横截面直径或厚度，单位为mm，t₀的单位为min。

5.根据权利要求1所述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤三中所述成型锻造的温度为790℃～800℃，保温时间t₃＝0.6D₃，其中D₃为经多火次改锻后的锻坯的横截面直径或厚度，单位为mm，t₃的单位为min，变形量不小于50％。

6.根据权利要求1所述的一种超高强钛合金锻件制备方法，其特征在于，步骤四中所述固溶时效处理为(α+β)区固溶和时效处理。