Φ≤150mm的TC21钛合金棒材锻造加工方法与流程

本发明涉及钛合金热加工，具体涉及一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法。

背景技术：

1、tc21是我国研制的、具有自主知识产权的一种高强损伤容限型钛合金。它是ti-al-sn-zr-mo-cr-nb(-ni-si)系的两相钛合金，化学成分与ti-62222s相似。该合金具有高强度(rm≥1100mpa)、高断裂韧性(kic≥70mpa·m1/2)、高损伤容限性能和优异的抗疲劳性能等特点，与美国第五代战斗机f-22上应用的ti-62222s高强高损伤容限型钛合金的性能相当，其良好的焊接性能还弥补了ti-62222s焊接工艺性能差的缺陷。tc21钛合金是目前我国高强韧钛合金中综合力学性能匹配最好的钛合金品种，适合于新型战机关键承力部件(框、梁、尾翼等)以及制造飞机大型整体框，发动机附近挂架、梁、接头、起落架等。航空用tc21钛合金锻件大多以锻棒作为坯料进一步模锻加工获得。

2、tc21钛合金棒材锻造工艺复杂，包括开坯、粗锻、径锻等多个工序，在不同工序选择合理的锻造工艺参数。tc21钛合金开坯是为了破碎铸锭中的粗晶组织，对性能无特殊要求，通常在β单相区进行，以降低变形抗力。粗锻是为了细化棒材组织，一般在β单相区和α+β两相区进行，通过大锻造比、反复镦拔获得晶粒细化及均匀化效果，从而得到优异的力学性能。径锻作为tc21钛合金棒材最终成形工序，一般在α+β两相区进行，通过反复拔长获得预期棒材尺寸，同时保证晶粒不明显长大。

3、tc21钛合金棒材锻造过程中各工序的锻造温度、锻造比、锻造速率等参数对其组织性能影响较大。在锻造温度控制方面，对于普通锻棒，一般要求具有良好的综合性能，其终锻在两相区进行，以获得等轴或双态组织。而对于有损伤容限性能要求的tc21钛合金锻棒，为提高其断裂韧性及疲劳裂纹扩展性能，终锻在单相区进行，以获得网篮组织。除锻造温度外，锻造速率是影响钛合金锻棒的重要因素。高的锻造速率可提高钛合金锻件的生产效率，减少能耗，降低成本。然而，在高锻造速率下，钛合金变形抗力大，对设备能力要求高；同时由于钛合金导热系数小，高锻造速率引起的变形热会造成芯部过热，从而造成变形和锻造组织不均匀。除了锻造温度和速率，锻造比对渗透锻造变形，细化tc21钛合金组织也起到了至关重要的作用，较大的墩粗锻造比能够使棒坯芯部金属获得流动，通过动态回复再结晶细化晶粒，减少钛合金棒材芯部到边部的组织不均匀性。综上所述，要获得组织均匀、性能优异的tc21钛合金锻棒，需严格控制各锻造工序的锻造温度、锻造比、锻造速率等参数。

4、目前针对tc21钛合金的熔炼、锻造方面的制备研究主要集中于国内研究院所，国外相关研究较少。专利公开号cn 103510030 a公开了一种tc21钛合金大规格棒材的制备方法，主要针对大规格(φ160～400mm)tc21棒材的生产制造。目前，国内针对φ150mm以下的tc21钛合金锻造棒材方面的专利尚无报道，本专有技术可以填补此方面空白。此外，专利公开号cn 103510030 a中关键技术要点不明确，对于tc21钛合金的锻造指导意义有限。因此，本发明公布的tc21钛合金棒材(φ≤150mm)的制备技术对于实际生产具有重要的指导意义。

技术实现思路

1、本发明提供了一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法。该方法制备工艺简单可行，填补了直径150mm以下tc21钛合金锻棒加工领域的空白。采用该方法制备的tc21锻棒高低倍组织均匀，力学性能优异且一致性好，可满足航空航天领域对小规格tc21锻棒的需求。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，该方法包括以下步骤：

4、1)单相区镦拔锻造：

5、将tc21钛合金铸锭加热至相变点tβ以上30～150℃进行三火次镦拔锻造，每火次镦拔锻造为两镦两拔或三镦三拔，每火次镦拔至八方后甩出空冷，修磨。

6、2)近β相区镦拔锻造：

7、将步骤1)得到的tc21钛合金锻坯加热至相变点tβ以下5～25℃进行一火次镦拔锻造，两镦两拔或三镦三拔至八方后甩出空冷，修磨。

8、3)α+β两相区镦拔锻造：

9、将步骤2)得到的tc21钛合金锻坯加热至相变点tβ以下30～50℃进行三火次镦拔锻造，每火次镦拔锻造为三镦三拔，镦拔至八方后甩出空冷，修磨。

10、4)α+β两相区拔长锻造：

11、将步骤3)得到的tc21钛合金锻坯加热至相变点tβ以下40～50℃，一火次拔长至圆棒，甩出空冷，修磨。

12、所述步骤1)中，所述tc21钛合金铸锭为尺寸φ(100～300)mm×(200～600)mm圆柱体。

13、所述步骤1)中，三火次镦拔锻造的开锻温度分别为tβ+(100～150)℃、tβ+(70～100)℃、tβ+(30～70)℃，且每次镦拔后回炉保温30～60min。

14、所述步骤2)中，三火次镦拔锻造温度均为tβ-(10～15)℃，每次镦拔后回炉保温30～60min。

15、所述步骤3)中，三火次镦拔锻造温度分别为tβ-(30～35)℃、tβ-(35～40)℃、tβ-(40～45)℃，每次镦拔后回炉保温30～60min。

16、所述的两镦两拔为：两个镦拔为换向镦拔。所述的三镦三拔为：前两个镦拔为换向镦拔，第三个镦拔为普通镦拔。

17、每次墩粗压下率为40％～60％，每次拔长至八方的高径比为1.9～2.1。

18、所述tc21钛合金棒材的加热系数为0.6～0.8。

19、所述步骤4)中，锻造圆棒的直径为φ100～130mm。

20、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

21、1、本发明中tc21棒材采用换向镦拔锻造技术，该技术可消除镦拔变形死区，使tc21钛合金棒材的不同区域得到充分变形，可明显改善tc21钛合金锻棒的组织均匀性。

22、2、tc21钛合金单相区三火次大镦粗比(40％～60％)镦拔锻造可充分破碎铸态晶粒，细化原始β晶粒；近β相区一火次大镦粗比(40％～60％)镦拔锻造可有效调控tc21锻棒组织中α相形态，增加片层α相体积分数，从而提高材料损伤容限性能；α+β两相区三火次大镦粗比(40％～60％)镦拔锻造可充分细化等轴初生α相和β转变组织中α片层，从而有效提高tc21锻棒强度、塑性等力学性能。

技术特征：

1.一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述tc21钛合金铸锭为尺寸φ(100～300)mm×(150～600)mm圆柱体。

3.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述步骤1)中，三火次镦拔锻造的开锻温度分别为tβ+(100～150)℃、tβ+(70～100)℃、tβ+(30～70)℃，且每次镦拔后回炉保温30～60min。

4.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述步骤2)中，三火次镦拔锻造温度均为tβ-(10～15)℃，每次镦拔后回炉保温30～60min。

5.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述步骤3)中，三火次镦拔锻造温度分别为tβ-(30～35)℃、tβ-(35～40)℃、tβ-(40～45)℃，每次镦拔后回炉保温30～60min。

6.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述的两镦两拔为：两个镦拔为换向镦拔。

7.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述的三镦三拔为：前两个镦拔为换向镦拔，第三个镦拔为普通镦拔。

8.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，每次墩粗压下率为40％～60％，每次拔长至八方的高径比为1.9～2.1。

9.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述tc21钛合金棒材的加热系数为0.6～0.8。

10.根据权利要求1所述的一种φ≤150mm的tc21钛合金棒材锻造加工方法，其特征在于，所述步骤4)中，锻造圆棒的直径≤150mm。

技术总结本发明涉及一种φ≤150mm的TC21钛合金棒材锻造加工方法，包括：单相区镦拔锻造：铸锭加热至相变点T<subgt;β</subgt;以上30～150℃进行三火次镦拔锻造，每火次镦拔至八方后甩出空冷，修磨。近β相区镦拔锻造：将锻坯加热至相变点T<subgt;β</subgt;以下5～25℃进行一火次镦拔锻造，镦拔至八方后甩出空冷，修磨。α+β两相区镦拔锻造：将锻坯加热至相变点T<subgt;β</subgt;以下30～50℃进行三火次镦拔锻造，镦拔至八方后甩出空冷，修磨。α+β两相区拔长锻造：将锻坯加热至相变点T<subgt;β</subgt;以下40～50℃，一火次拔长至圆棒，甩出空冷，修磨。该方法制备工艺简单可行，填补了直径150mm以下TC21钛合金锻棒加工领域的空白。TC21锻棒高低倍组织均匀，力学性能优异且一致性好，可满足航空航天领域对小规格TC21锻棒的需求。技术研发人员：康强,滕艾均,秦海旭,董恩涛,高强,王鹏,黄文彬,郭杰,陈鑫,李露,张昭,黄召阔受保护的技术使用者：鞍钢集团北京研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29