一种采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法技术

本发明专利技术涉及一种采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法，包括将钛合金铸锭加热至T1温度进行A镦拔变形处理，A镦拔变形处理结束后将钛合金铸锭空冷至室温，然后再将钛合金铸锭加热至T3温度进行B镦拔变形处理，B镦拔变形处理结束后获得钛合金锻棒并将钛合金锻棒快速吹风冷至室温，将获得的钛合金锻棒在脉冲电流辅助挤压设备上依次进行A挤压变形处理、B挤压变形处理和C挤压变形处理，C挤压变形处理后空冷至室温制得钛合金棒材。通过将自由锻和脉冲电流辅助挤压复合相结合，制备出均质高强的钛合金棒材，提高棒材的微观组织均匀分布和力学性能，用以满足航空航天紧固件性能需求。用以满足航空航天紧固件性能需求。用以满足航空航天紧固件性能需求。

【技术实现步骤摘要】
一种采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法


[0002]本专利技术涉及钛合金材料制备领域，具体涉及一种采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法。

技术介绍

[0003]钛合金紧固件作为高端零件，在飞机、卫星、火箭等飞行器的热控系统和结构系统的连接部位发挥着无可替代的作用。当前，我国钛合金紧固件棒坯主要依靠进口。主要原因是，传统锻造、轧制或挤压方法制备钛合金棒坯的晶粒尺寸、相体积分数和织构等微观均匀性差(如图1所示，Vacuum,2019,160:81
‑
88)，严重的降低了力学性能，使得质量不达标，无法满足航空航天的标准。此问题已成为制约国产钛合金紧固件质量提升的一大瓶颈，如何破解这一技术难题，对国内研究机构和制造企业提出了严峻挑战。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法。
[0005]本专利技术采取的技术方案具体如下。
[0006]一种采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法，其特征在于：包括如下操作：
[0007]将钛合金铸锭加热至T1温度进行A镦拔变形处理，控制A镦拔变形处理结束时钛合金铸锭的温度不低于T2，A镦拔变形处理结束后将钛合金铸锭空冷至室温，然后再将钛合金铸锭加热至T3温度进行B镦拔变形处理，控制B镦拔变形处理结束时钛合金铸锭的温度不低于T4，B镦拔变形处理结束后获得钛合金锻棒并将钛合金锻棒快速吹风冷至室温，将获得的钛合金锻棒在脉冲电流辅助挤压设备上依次进行A挤压变形处理、B挤压变形处理和C挤压变形处理，B挤压变形处理后空冷至室温制得钛合金棒材，A挤压变形处理时控制挤压温度为T5，B挤压变形处理时控制挤压温度为T6，C挤压变形处理时控制挤压温度为T7，其中：T1∈[1050℃，1150℃]，T2＝T
β
+50℃，T3∈[1050℃，1100℃]，T4＝T
β
+50℃，T5∈[T
β
+20℃，T
β
+100℃]，T6∈[T
β
+20℃，T
β
+100℃]，T7∈[T
β
‑
120℃，T
β
‑
20℃]，，其中T
β
为钛合金相变温度。
[0008]具体的方案为：
[0009]A镦拔变形处理包括依序进行的A1镦拔阶段和A2镦拔阶段：
[0010]其中A1镦拔阶段为：将钛合金铸锭移至压机上，进行60％压下量的镦粗，压下速率控制在5mm/s～10mm/s，然后翻转90
°
拔长至原来铸锭高度；
[0011]A2镦拔阶段为：进行50％压下量的镦粗，压下速率控制在2mm/s～7mm/s，然后翻转90
°
拔长至原来铸锭高度的2倍。
[0012]B镦拔变形处理包括依序进行的B1镦拔阶段和B2镦拔阶段：
[0013]其中B1镦拔阶段为：将钛合金铸锭移至压机上，进行60％压下量的镦粗，压下速率
控制在5mm/s～10mm/s，然后翻转90
°
拔长至原来铸锭高度；
[0014]B2镦拔阶段为：进行50％压下量的镦粗，压下速率控制在2mm/s～7mm/s，然后翻转90
°
拔长至原来铸锭高度的2倍。
[0015]A、B镦拔处理时，将上、下压模预热至300℃。
[0016]A、B、C挤压处理时按照公式(Ⅰ)调控钛合金锻棒的温度T：
[0017]式中，ρ为材料电阻率，j为电流密度，r
w
为占空比，f为频率，C
p
为比热，d为材料密度。
[0018]钛合金铸锭采用真空自耗电弧炉熔炼获得。
[0019]钛合金铸锭经真空自耗电弧炉三次熔炼得到，熔炼结束后铸锭在水冷铜坩埚中进行冷却，控制冷却水进水温度控制在25～28℃之间，冷却水出水温度在28～31℃之间，调整冷却水水流速度使得冷却水出水温度与冷却水进水温度差值小于3℃，冷却时间为t1，t1＝k1D，其中k1为冷却系数，D为铸锭直径，铸锭冷却结束后，将铸锭从水冷铜坩埚中取出，采用石棉进行包裹或放入温度≤400℃电炉中随炉冷却至室温。
[0020]钛合金铸锭进行镦拔处理前，先进行保温处理，保温处理的时间为t2，t2＝k2D：其中，k2为保温系数，D为铸锭直径大小。
[0021]A挤压处理时挤压比控制在2～4.5，挤压速率50mm/s，棒材表层涂刷玻璃润滑剂以减小摩擦。B挤压处理时挤压比控制在2.5～5，挤压速率50mm/s，棒材表层涂刷玻璃润滑剂以减小摩擦。C挤压处理时挤压比控制在2.5～5，挤压速率50mm/s，棒材表层涂刷玻璃润滑剂以减小摩擦。
[0022]本专利技术将脉冲电流引入到挤压工艺中，一方面，利用材料自阻发热升温软化材料，提高材料流动性；另一方面，利用材料内部缺陷区域的局部焦耳热效应，弥补由于钛合金导热性差和表层热量损失而造成的温度场不均匀分布；另外，利用电流电子与空位、原子的碰撞作用，提高元素原子扩散速率和位错迁移速率，以促进微观组织演化分布的均匀性。因此，本专利技术提供的技术方案，可大幅度提高微观组织分布的均匀性，以打破钛合金紧固件质量提升的技术瓶颈。
[0023]具体有如下优势：
[0024]1、与钛合金铸锭传统自由锻开坯工艺相比，自由锻开坯采用两火次，少于传统自由锻开坯的4～5火次；本专利技术自由锻开坯温度窗口大，而传统锻造开坯温度窗口窄，不易控温。
[0025]2、与传统挤压工艺相比，挤压处理中引入脉冲电流可显著降低成形载荷，提高设备挤压比；引入脉冲电流，可降低钛合金材料α片层结构碎化和球化所需温度，节约了能耗；引入脉冲电流，可以减小棒材心部与表层区域温度的差，提高微观组织的均匀性程度；引入脉冲电流后制备钛合金棒材的力学性能指标可以大幅度提高。
[0026]3、与传统的自由锻、轧制或挤压工艺相比，本专利技术提出的自由锻开坯与脉冲电流辅助挤压工艺相结合方法制备钛合金棒坯，可以减少制备工序和火次、降低载荷、提高设备成形能力、降低能耗、节约成本、提高产品性能。
附图说明
[0027]图1为常规工艺制备的钛合金棒坯的微观组织结构图；
[0028]图2为本专利技术所用脉冲电流辅助挤压过程示意简图；
[0029]图3为本专利技术制备钛合金棒材流程；
[0030]图4为常规制备与实施例1制备Ti6554棒材组织金相对比图；
[0031]图5为常规制备与实施例2制备Ti55531棒材组织金相对比图。
具体实施方式
[0032]为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本专利技术的一种或几种具体的实施方式，并不对本专利技术具体请求的保护范围进行严格限定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法，其特征在于：包括如下操作：将钛合金铸锭加热至T1温度进行A镦拔变形处理，控制A镦拔变形处理结束时钛合金铸锭的温度不低于T2，A镦拔变形处理结束后将钛合金铸锭空冷至室温，然后再将钛合金铸锭加热至T3温度进行B镦拔变形处理，控制B镦拔变形处理结束时钛合金铸锭的温度不低于T4，B镦拔变形处理结束后获得钛合金锻棒并将钛合金锻棒快速吹风冷至室温，将获得的钛合金锻棒在脉冲电流辅助挤压设备上依次进行A挤压变形处理和B挤压变形处理，B挤压变形处理后空冷至室温制得钛合金棒材，A挤压变形处理时控制挤压温度为T5，B挤压变形处理时控制挤压温度为T6，C挤压变形处理时控制挤压温度为T7。其中：T1∈[1050℃，1150℃]，T2＝T
β
+50℃，T3∈[1050℃，1100℃]，T4＝T
β
+50℃，T5∈[T
β
+20℃，T
β
+100℃]，T6∈[T
β
+20℃，T
β
+100℃]，T7∈[T
β
‑
120℃，T
β
‑
20℃]，其中T
β
为钛合金相变温度。2.根据权利要求1所述的采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法，其特征在于：A镦拔变形处理包括依序进行的A1镦拔阶段和A2镦拔阶段：其中A1镦拔阶段为：将钛合金铸锭移至压机上，进行60％压下量的镦粗，压下速率控制在5mm/s～10mm/s，然后翻转90
°
拔长至原来铸锭高度；A2镦拔阶段为：进行50％压下量的镦粗，压下速率控制在2mm/s～7mm/s，然后翻转90
°
拔长至原来铸锭高度的2倍。3.根据权利要求1或2所述的采用自由锻和脉冲电流辅助挤压相结合提高钛合金棒材组织均匀性的成形方法，其特征在于：B镦拔变形处理包括依序进行的B1镦拔阶段和B2镦拔阶段：其中B1镦拔阶段为：将钛合金铸锭移至压机上，进行60％压下量的镦粗，压下速率控制在5mm/s～10mm/s，然后翻转90
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【专利技术属性】
技术研发人员：武川，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：