一种航空航天用耐热钛合金螺栓的制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种航空航天用耐热钛合金Ti60螺栓加工制造方法和应用，采用Ti60钛合金棒丝材制备；先采用三次热镦工艺将螺栓毛坯一端制成直径为8

【技术实现步骤摘要】
一种航空航天用耐热钛合金螺栓的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及钛基合金领域，具体涉及一种在600℃～650℃内使用的钛合金螺栓的加工制造方法和应用。

技术介绍

[0002]钛合金由于具有比强度高、无磁性、抗腐蚀性能优异、使用温度范围广、抗疲劳性能优异等特点，非常适合在航空航天领域应用，如航空发动机热端部件、飞机蒙皮紧固件等。钛合金比合金钢更耐腐蚀，在许多环境下不需要保护涂层，因而也是应用于某些腐蚀或高温等恶劣环境下的紧固件材料。使用钛合金紧固件产生的减重效果，对提高飞行器的推进力、增加射程、节省燃料等都将产生巨大的效应。
[0003]目前，航空钛合金螺栓使用比较广泛，常见的原材料有纯钛、TC4、TC16钛合金等。国内的大部分工作对室温用钛合金螺栓进行报道，而对于航空航天用耐热钛合金螺栓的研究还没有报道。随着航空发动机推重比和航天巡航导弹马赫数的增加，传统的纯钛、TC4、TC16钛合金螺栓已经不能满足要求，因此对耐热钛合金螺栓的需求逐渐加大，特别是对600℃～650℃范围内使用的钛合金螺栓需求日益加大。作为发动机转动件材料，Ti60钛合金是国内比较成熟的600℃长时使用的钛合金，可以作为耐热钛合金螺栓的选用材料。大量的工作对Ti60钛合金发动机用整体叶盘和飞机用蒙皮板等产品都进行了非常详细的报道，但对于螺栓的加工工艺还没有报道。
[0004]对于纯钛、TC4、TC16等钛合金螺栓的制备，常采用冷镦、大变形量温镦等；为保证螺栓和螺母之间的润滑，通常采用阳极氧化、涂层或镀镍等方式。例如，中国专利技术专利(公开号CN 102397976A)的钛合金紧固件冷镦成型工艺，其专利技术人刘霆等采用的高纯钛合金铸锭对原材料要求特别高，高纯钛合金的高成本不利于产品推广；特别需要说明的是冷镦和大变形量温镦等工艺，对耐热钛合金成型不适用，特别容易造成螺栓镦头的开裂。中国专利技术专利(公开号CN 105798552 A)介绍了一种粉末冶金TC4钛合金螺栓的制备方法，其主要通过粉末冶金成型制备钛合金螺栓，但室温进行螺纹滚压形成螺纹段同样不适合耐热钛合金的制备，极易造成螺纹缺肉等缺陷。中国专利技术专利(公开号CN 109504995 A)一种航空紧固件的制备方法中，对钛合金螺栓进行阳极氧化处理，在阳极氧化层上制备二硫化钼涂层，对不锈钢螺母进行镀镍。以上工艺虽然改善了螺纹副旋合时的滞涩可能性，但工艺复杂，尤其是镀镍会造成600℃～650℃温度区间镍元素向钛基体中扩散形成钛镍相，显著影响钛合金的耐热性能。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种600℃～650℃范围内使用的航空航天用耐热钛合金螺栓的制备方法。该方法利用Ti60钛合金棒丝材，经过下料、热镦、固溶处理、机加、温滚丝、时效处理等工序，获得拉伸强度、剪切强度、高温持久(600℃，400MPa保载超过12h)和室温、高温疲劳性能优良(按HB6568，疲劳性能超过10万周次)的耐热钛合金螺
栓。本方法特别适用于工业化制备Ti60螺栓，生产工序简单，易于控制螺栓的性能和质量。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种航空航天用耐热钛合金螺栓的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]步骤一、采用Ti60钛合金棒丝材；
[0009]步骤二、根据拟制备的Ti60钛合金螺栓长度，截取相应长度的棒丝材作为螺栓毛坯送入多工位热镦机，通过三次热镦将螺栓毛坯一端制成直径为8
‑
16mm的螺栓头，得到Ti60钛合金螺栓一级半成品；
[0010]步骤三、Ti60钛合金螺栓一级半成品在1000℃
‑
1040℃下进行固溶处理，得到Ti60钛合金螺栓二级半成品；
[0011]步骤四、对Ti60钛合金螺栓二级半成品进行尺寸加工，对尺寸加工的Ti60钛合金螺栓二级半成品的杆部进行温滚压形成螺纹段，滚压温度为500℃
‑
600℃，得到Ti60钛合金螺栓三级半成品；
[0012]步骤五、Ti60钛合金螺栓三级半成品在真空热处理炉中进行时效处理，时效处理温度为680℃
‑
720℃，得到Ti60钛合金螺栓成品。
[0013]作为优选，步骤一中，采用Ti60钛合金Φ6mm
‑
Φ14mm直条退火态棒丝材。
[0014]作为优选，步骤二中，所述三次热镦具体工艺为：一次热镦感应加热工艺参数为电流1175A
‑
1225A，保温时间8s
‑
16s；二次热镦感应加热工艺参数为电流1125A
‑
1175A，保温时间8s
‑
16s；三次热镦感应加热工艺参数为电流1075A
‑
1125A，保温时间8s
‑
16s。
[0015]作为优选，步骤二中，一次热镦变形量为总变形量的45
‑
55％；二次热镦变形量为总变形量的25
‑
35％；三次热镦变形量为总变形量的15
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25％。进一步优选为：一次热镦变形量为总变形量的50％；二次热镦变形量为总变形量的30％；三次热镦变形量为总变形量的20％。
[0016]作为优选，步骤三中，所述固溶处理的保温时间为1
‑
3小时，固溶后油淬。
[0017]作为优选，步骤四中，所述温滚压的保温时间不低于10分钟。
[0018]作为优选，步骤五中，所述时效处理的保温时间为2
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6小时，保温结束后炉冷。
[0019]本专利技术采用以上技术方案制备的Ti60钛合金螺栓，与传统的钛合金螺栓比，耐高温性能优异，可在600～650℃范围内使用。
[0020]本专利技术的耐热钛合金螺栓加工制造方法的选择，是经过多年的深入研究和反复实验而得出的，其设计思想分别说明如下：
[0021]本专利技术的优点及有益效果是：
[0022]1、本专利技术选用Ti60钛合金棒丝材作为原料，利用了Ti60钛合金的耐高温特性，尤其利用了将难变形的Ti60合金制备成丝材的工作，获得了可以制备螺栓的直条棒丝材。
[0023]2、为了获得显微组织均匀且无开裂的螺栓镦头，Ti60钛合金需要在稍低温度的α+β两相区有充分变形，又不能产生裂纹。作为航空发动机用的耐热、难变形钛合金，Ti60钛合金在较低温度变形时易开裂，在较高温度变形时易产生过热组织。本专利技术采用三次热顶镦技术，分三步在不同温度区间进行镦制变形，可在保证镦头完全成型不开裂的基础上，获得最终理想的等轴组织。
[0024]3、研究发现，螺栓螺纹段在滚丝成型过程中受材料的塑性影响很大。对于纯钛、TC4、TC16甚至一些高合金化的β钛合金螺栓，螺纹段滚丝成型主要是室温滚丝(也称冷滚
丝)，这主要是此类材料塑性好的原因。对于Ti60钛合金冷滚丝显然不适用，因此根据Ti60钛合金的耐热特点，选择500℃
‑
600℃进行温滚丝，此温度对于纯钛、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空航天用耐热钛合金螺栓的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、采用Ti60钛合金棒丝材；步骤二、根据拟制备的Ti60钛合金螺栓长度，截取相应长度的棒丝材作为螺栓毛坯送入多工位热镦机，通过三次热镦将螺栓毛坯一端制成直径为8
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16mm的螺栓头，得到Ti60钛合金螺栓一级半成品；步骤三、Ti60钛合金螺栓一级半成品在1000℃
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1040℃下进行固溶处理，得到Ti60钛合金螺栓二级半成品；步骤四、对Ti60钛合金螺栓二级半成品进行尺寸加工，对尺寸加工的Ti60钛合金螺栓二级半成品的杆部进行温滚压形成螺纹段，滚压温度为500℃
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600℃，得到Ti60钛合金螺栓三级半成品；步骤五、Ti60钛合金螺栓三级半成品在真空热处理炉中进行时效处理，时效处理温度为680℃
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720℃，得到Ti60钛合金螺栓成品。2.按权利要求1所述航空航天用耐热钛合金螺栓的制备方法，其特征在于：步骤一中，采用Ti60钛合金Φ6mm
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Φ14mm直条退火态棒丝材。3.按权利要求1所述航空航天用耐热钛合金螺栓的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述三次热镦具体工艺为：一次热镦感应加热工艺参数为电流1175A
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱绍祥，王清江，刘建荣，王磊，陈志勇，李文渊，赵子博，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
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