一种具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料的热加工制备方法技术

本发明专利技术属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料的热加工制备方法。该方法包括适用的合金类型、热加工工艺及应用范围等组成要素。采用本发明专利技术热加工工艺，可获得横截面低倍组织为1～3级模糊晶、纵剖面低倍组织为均匀细带状组织的棒坯。棒坯热加工总变形火次可控制在8火以内，成品率可提高10％以上，具有短流程、高效率、低成本技术优势。本发明专利技术制备的棒料经简单热、冷加工后，直接用于主承力方向与带状组织平行或接近平行的框、梁、柱、轴等零件毛坯制备，或作为各种类型锻件的锻造坯料，经2～4火的热变形后形成晶粒尺寸细小均匀的锻造组织，满足航空航天等高技术领域对高质量、低成本钛合金锻件的需求。的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料的热加工制备方法


[0001]本专利技术属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料(直径或等效直径≥150mm)的热加工制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有比强度高、耐蚀、耐热等优点，因此在航空、航天、石油、化工、能源、汽车、医疗、体育休闲等领域得到广泛应用。随着航空和航天技术的发展，对高端钛材的需求越来越大。然而高昂的材料及加工成本，限制了钛合金的广泛应用，尤其对于脆性倾向较高的钛合金，降低热加工火次、提高材料收得率、同时不降低产品尤其是其半成品(如棒材)质量的高效制备工艺直接决定其质量稳定性、价格及应用。
[0003]钛合金材料半成品及成品质量主要体现在以下几个方面：1)铸锭冶金质量，系指钛合金铸锭中可能出现的高低密度夹杂、氧化物、氮化物、缩孔、疏松、宏观成分偏析、偏聚等缺陷及受控程度，受控程度越高，这些缺陷出现的概率越低，铸锭冶金质量越好；2)显微组织及其均匀性、一致性控制。铸锭冶金质量满足要求的前提下，成品或半成品的质量主要取决于目标显微组织控制、晶粒尺寸的均匀性和不同部位晶粒形态/尺寸的差异性(即组织一致性)。一般认为，在显微组织类型满足控制要求的前提下，晶粒尺寸越均匀、晶粒晶体学取向越离散，不同部位显微组织差异越小，钛合金成品或半成品的质量越高。
[0004]钛合金半成品及成品价格高的原因主要体现在以下几个方面：1)原材料价格。钛合金的原材料主要包括海绵钛和各种类型的中间合金，国内外海绵钛的价格在80元/公斤上下波动，中间合金价格是海绵钛价格的几倍到几十倍不等，原材料价格是普通钢材的十几倍甚至几十倍；2)合金熔炼。钛合金具有高活性，熔融状态下和空气中的O2、N2、CO2、水蒸气等反应剧烈，和与其接触的几乎所有耐火材料发生化学反应，导致钛合金熔炼只能在真空或惰性气体保护环境下完成，因此必须采用水冷铜坩埚或凝壳作为容器，采用感应、真空自耗、等离子、电子束方法熔炼，因此熔炼成本较高；
[0005]3)热加工成本。根据合金类型、要求不同，目前国内锻造钛合金产品的热加工火次在几火到十几火次之间，有的产品甚至达到二十火以上，每火次采用电炉加热；加热过程表面氧化、锻后表面修磨等，既有原材料损耗，又有能源电力损耗，导致成本进一步增加；致使钛合金价格长期居高不下。在上述三个影响钛合金成本的因素中，成本压缩空间较大的环节是热加工成本。热加工火次减少、原材料损耗降低、合格率提高均可显著降低成本，是现阶段降低钛合金产品生产成本的关键。
[0006]综上所述，钛合金半成品、成品的显微组织稳定可控且具有良好的均匀性、一致性是质量控制的前提，减少火次、提高热变形效率、降低热变形过程能源、材料损耗是降低生产成本的重要手段。
[0007]钛合金热加工工艺专利较多，与本专利技术类似的专利有近20项。如：
[0008]中国专利公开号CN109371268A公开了一种高温、高热稳定性、高蠕变抗力钛合金
棒材的制备方法，内容包括将Ti55钛合金铸锭加热至1150℃～1200℃，然后利用快锻机或水压机在β相区开坯锻造；再加热至1050℃～1100℃利用快锻机或水压机反复镦粗、拔长锻造，再将上述锻造后的坯料加热至T
β
‑
100℃～T
β
‑
20℃(T
β
为Ti55钛合金α+β/β相转变温度)，利用快锻机或水压机反复镦粗、拔长锻造至所需尺寸，得到低倍组织为模糊晶、高倍组织均匀的钛合金棒材。该参考例与本专利技术所用热加工工艺的最大不同是参考例每一火锻造均采用了反复镦粗、拔长工艺，得到的是具有模糊晶的低倍组织，因为反复镦粗作用，得到的不是均匀带状组织；此外锻造温度选择上本专利技术要求避开发生大面积再结晶的温度区间，因此相变点以下热变形温度区间整体下移，与本专利技术锻造工艺及追求最终效果具有显著差异。
[0009]中国专利公开号CN111390081A公开了一种高蠕变抗力、高断裂韧性TC25G钛合金锻件的制备工艺，内容包括将TC25G棒材坯料加热至β转变温度以下50～30℃进行镦粗和整形，得到锻坯；然后锻坯在相变点以上10℃～40℃成形，变形量控制在40～80％；最后经固溶+时效双重热处理后得到锻件毛坯显微组织为网篮组织。该对比例的目标产品是盘锻件，最后一火锻造在β相变点以上完成，目标组织是网篮组织，与本专利技术最后几个火次锻造均在β转变温度以下30～200℃完成、目标组织为细带状组织有明显不同，
[0010]中国专利公开号CN101104898A公开了一种新型高热强性、高热稳定性的高温钛合金，并给出了该合金的热加工工艺，其特征在于采用了α+β两相区加热锻造+β单相区加热锻造+α+β两相区加热锻造的“低
‑
高
‑
低”工艺，中间“β单相区加热锻造”工艺会导致前面工艺的热加工组织完全再结晶，因此与本专利技术细带状组织的设计初衷相悖。还参考例还给出了一种采用“β单相区加热锻造+精锻+轧制”工艺制备细棒材的工艺。精锻和轧制条件下的产品规格、用途、变形方式和金属流动与本专利技术水压机锻造完全不同，与采用水压机制备大尺寸棒料的生产工艺不具有可比性。
[0011]中国专利公开号CN104018027A公开了一种新型耐热钛合金及其加工制造方法和应用，包括合金成分、冶炼、热加工和热处理等组成要素。专利技术合金通过不同的热加工和热处理工艺组合，可获得拉伸强度与塑性、持久和蠕变强度与热稳定性的不同匹配，可用于制作先进航空发动机高温部位的叶片、盘件等零件。该对比例给出的β相变点以上热加工温度范围为+20～+150℃、变形火次要求2～4次；相变点以下热加工工艺温度范围为10～60℃，随变形火次增加，变形温度逐渐降低，未明确显微组织形态。而本专利技术热加工工艺要求β相变点以下变形温度选择需避开热变形组织发生发生大面积再结晶的温度区间，避免晶粒再结晶及长大，因此β相变点以下变形温度控制非常关键，从技术原理上，“随变形火次增加，变形温度逐渐降低”的操作不适用于本专利技术获得均匀细小带状组织。
[0012]中国专利公开号CN111235506A公开了一种TC25G钛合金锻件的热加工工艺，具体内容包括：1)铸锭的开坯锻造：将合金铸锭加热保温后出炉锻造，然后将铸锭加热至一定温度进行镦、拔变形，得到β相区开坯后的坯料；2)锻坯制备：将坯料在β相变点以下100℃～20℃进行变形；然后加热至β相变点以上15℃～40℃进行高温均匀化处理后再进行变形；降温至β相变点以下100℃～30℃进行变形至目标尺寸棒材；3)模锻成形：将锻坯模锻成形；4)热处理：进行固溶和时效双重热处理，得到TC25G钛合金锻件毛坯，得到的TC25G锻件组织为双态组织。该对比例最大特点是在锻坯制备过程中采用了“低
‑
高
‑
低”工艺，即在相变点下100℃～20℃变形后，然后加热到相变点上15℃～40℃进行高温均匀化处理后再进行变形，之
后再在β相变点以下100℃～30℃变形至目标尺寸。而本专利技术热变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料的热加工制备方法，其特征在于，先后在β相变点以上和以下两个特征温度区间完成热变形；β相变点以下变形时，加热温度选择避开了变形组织发生充分再结晶的温度区间，变形方式为单向拔长并保证最低变形量要求；按截面面积换算，采用该方法制成的棒料直径或等效直径≥150mm，横截面低倍组织为1～3级模糊晶，纵剖面低倍为细带状组织，带状组织平均宽度≤300μm，带状组织内部为等轴、棒状或拉长的α颗粒+残余β相。2.按权利要求1所述的具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料的热加工制备方法，其特征在于，首先钛合金棒料在β相变点以上100～200℃开坯、β相变点以上20℃～100℃锻造1～3火；然后转入相变点下30℃～100℃单向拔长，每火次拔长变形量≥35％，相变点下变形量之和≥160％；锻造设备采用水压机或油压机或快锻机，加热设备采用控温精度
±
10℃的电阻炉。3.按权利要求1所述的具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料的热加工制备方法，其特征在于，首先钛合金棒料在β相变点以上120～200℃开坯、β相变点以上20℃～100℃锻造2火；然后转入相变点下30℃～100℃单向拔长，每火次拔长变形量≥35％，相变点下变形量之和≥160％；锻造设备采用水压机或油压机或快锻机，加热设备采用控温精度
±
10℃的电阻炉。4.按权利要求1所述的具有均匀细带状组织大尺寸钛合金棒料的热加工制备方法，其特征在于，首先钛合金棒料在β相变点以上140～200℃开坯、β相变点以上20℃～100℃锻造1火；然后转入相变点下40℃～100℃单向拔长，每火次拔长变形量≥35％，相变点下变形量之和≥160％；锻造设备采用水压机或油压机或快锻机，加热设备采用控温精...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建荣，王清江，赵子博，朱绍祥，李文渊，王磊，陈志勇，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：