一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法

技术领域

本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法，特别适用于生产组织均匀性良好的TB18钛合金大规格棒材(100mm≤Φ≤400mm)。

背景技术

目前高强钛合金主要有TC18、Ti1023、Ti55531等，在热处理以后，强度可达到1100～1200MPa，断裂韧性可达到50～60MPa·m

基于以上原因，我司自主研制出一种超高强度、高韧性钛合金TB18(名义成分为Ti-4Al-5Mo-5V-5Cr-1Nb)，是一种典型的亚稳β型钛合金，其相变点一般在800℃左右，通过传统的锻造方法对小规格棒材进行试制备，经检测其组织均匀性好，其合金力学性能能够完全满足航空装备的关键承力构件的需求。

但是，随着我国先进战机和大运的立项以及商用大飞机的研制，对大直径材料的需求提升，这就使得对棒材的规格要求也越来越大，并且为了满足航空装备的各项性能指标，对大规格棒材的性能要求却没有降低，而是套用小规格棒材的检验标准。因此当所需棒材的规格越来越大时，这就对大规格棒材的制备水平提出了很高的要求，特别是对于直径为100mm≤Φ≤400mm的大规格TB18钛合金棒材，其α+β相区变形温度大约在相变点以下40～60℃，由于锻造温度较低，两相区变形抗力剧烈增加，变形心部锻透性差，变形速率较大容易引起物料过热，如果速率较低则会导致不同部位组织均匀性较差，变形量较小或加热温度较高难以实现良好的组织细化效果。也就说是，按照常规生产小规格TB18的锻造方法，不能生产出超高强度、高韧性钛合金TB18大规格棒材。

有鉴于此，本发明人提出一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法，该锻造方法从加工工艺出发，改善了组织的均匀性，提高了钛合金的综合力学性能，能够成功生产出抗拉强度大于1300MPa，冲击韧性大于25J/cm

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法，所述TB18钛合金大规格棒材的原料采用真空自耗电弧炉生产TB18钛合金5～7吨级铸锭，铸锭的化学成分以质量百分数分数计，具体为：Al：3.7％～5.0％，Mo：4.7％～6.0％，V：4.5％～5.5％，Cr：4.5％～6.0％，Nb：0.5％～2.0％，其余为钛和不可避免的杂质元素，其特征在于，所述锻造方法包括以下步骤：

步骤一、开坯锻造：

对铸锭进行1火次开坯锻造，开坯锻造采用两镦两拔的方式，锻后采用水冷；

步骤二、中间锻造：

将经步骤一开坯锻造后的坯料在相变点以上进行2～4火次改锻，进一步破碎铸态晶粒和均匀化坯料的组织，改锻过程选择换向镦拔的方式，用于提高坯料心部的锻透性，冷却方式为水冷，得到第一中间锻造后的坯料；

将经第一中间锻造后的坯料在相变点以下进行1～3火次改锻，改锻过程选择拔长，冷却方式为空冷，得到第二中间锻造后的坯料；

将经第二中间锻造后的坯料在相变点以上进行1～3火次改锻，改锻过程选择镦拔，用于细化心部组织，冷却方式为水冷，得到第三中间锻造后的坯料；

将经第三中间锻造后的坯料在相变点以下进行4～7火次锻造，进一步细化晶粒和均匀化坯料的组织，锻造过程选择拔长，锻后对坯料进行倒八方处理，冷却方式为空冷，得到第四中间锻造后的坯料；

步骤三、成品锻造：

将经步骤二第四中间锻造后的坯料在相变点以下40～70℃加热进行成型锻造，成型锻造分为1～2火次完成，锻后采用空冷，即得到TB18钛合金棒材。

进一步地，所述步骤一中开坯锻造加热温度为1100℃～1200℃，保温时间为10～30小时，锻比控制在1.5～2.5之间，且使用600mm～1200mm的砧具对铸锭进行锻造。

进一步地，所述步骤二中第一中间改锻过程中，每火次加热温度在相变点以上150℃～300℃进行，物料出炉后依次进行换向镦粗、拔长，每火次锻造比控制在1.5～2.5之间。

进一步地，所述步骤二中第二中间改锻过程中，每火次加热温度在相变点以下40℃～60℃进行，物料出炉后进行拔长，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间。

进一步地，所述步骤二中第三中间改锻过程中，每火次加热温度在相变点以上60℃～150℃进行，物料出炉后依次进行镦粗、拔长，每火次锻造比控制在1.5～2.5之间，并使用600mm～1200mm的砧具对坯料进行镦粗、拔长。

进一步地，所述步骤二中第四中间改锻过程中，每火次加热温度在相变点以下40℃～60℃进行，物料出炉后依次进行拔长，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间。

进一步地，所述步骤三中成型锻造时锻造比控制在1.0～2.0之间，并选择V型砧具对坯料进行摔圆成型。

进一步地，所述锻造方法用于生产直径为100～400mm规格的TB18钛合金棒材，且棒材的抗拉强度大于1300MPa，同时冲击韧性大于25J/cm

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法，该锻造方法采用开坯锻造→相变点以上锻造→相变点以下锻造→相变点以上锻造→相变点以下锻造→成品锻造的制备工艺路线，结合相适配的工艺参数，在开坯锻造及摔圆成型阶段均使用宽砧具进行镦粗，避免了因砧具较窄引起的锻造双鼓现象，可以保证铸锭进行整体塑性变形；在相变点以上锻造时选择水冷，充分细化了晶粒；摔圆时选择V型砧具，可以保证棒材得到均匀变形，保证成品棒材形状规整；在步骤二中对钛合金坯料锻造后进行倒八方处理，避免了坯料规格较大，尖锐的棱角处温降快，坯料温度场分布不均匀的现象；另外，在步骤二中通过第一中间改锻和第三中间改锻，通过形变+再结晶加热，保证了坯料获得均匀化的组织，最终获得了低倍组织均匀模糊，高倍组织均匀细小的TB18钛合金大规格棒材，另外对实际生产的棒材进行力学性能测试，其抗拉强度(Rm)大于1300MPa，冲击韧性(aku)大于25J/cm

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法流程图；

图2是本发明实施例1制备的Φ400mm棒材的低倍组织图；

图3是本发明实施例1制备的Φ400mm棒材边部显微组织图；

图4是本发明实施例1制备的Φ400mm棒材r/2部显微组织图；

图5是本发明实施例1制备的Φ400mm棒材心部显微组织图；

图6是本发明实施例2制备的Φ210mm棒材的低倍组织图；

图7是本发明实施例2制备的Φ210mm棒材边部显微组织图；

图8是本发明实施例2制备的Φ210mm棒材r/2部显微组织图；

图9是本发明实施例2制备的Φ210mm棒材心部显微组织图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

请参见图1所示，本发明提供一种超高强韧TB18钛合金大规格棒材的锻造方法，所述TB18钛合金大规格棒材的原料采用真空自耗电弧炉生产TB18钛合金5～7吨级铸锭，铸锭的化学成分以质量百分数分数计，具体为：Al：3.7％～5.0％，Mo：4.7％～6.0％，V：4.5％～5.5％，Cr：4.5％～6.0％，Nb：0.5％～2.0％，其余为钛和不可避免的杂质元素，其特征在于，所述锻造方法包括以下步骤：

步骤一、开坯锻造：

将上述TB18钛合金铸锭开坯用1火锻造完成，锻造加热温度选取1100℃～1200℃，加热10～30小时后出炉，对铸锭使用宽砧具进行一次两镦两拔变形，锻比控制在11.5～2.5之间，并使用600mm～1200mm的砧具对铸锭进行锻造，可以保证铸锭开坯时进行整体塑性变形，避免了使用宽度较小的砧具，在镦粗时造成的锻造双鼓现象，锻后水冷。

步骤二、中间锻造：

将经步骤一开坯锻造后的铸锭在相变点以上进行第一中间改锻，改锻火次为2～4火，每火次加热温度选取在相变点以上150℃～300℃进行，物料出炉后依次进行换向镦粗、拔长，每火次锻造比控制在1.5～2.5之间，进一步破碎铸态组织和均匀化坯料的组织，锻后采用水冷，得到第一中间锻造后的坯料；

将经第一中间改锻后的坯料在相变点以下进行第二中间改锻，改锻火次为1～3火，每火次加热温度选取在相变点以下40℃～60℃进行，物料出炉后进行拔长，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间，锻后采用空冷，得到第二中间锻造后的坯料；

将经第二中间改锻后的坯料在相变点以上进行第三中间改锻，改锻火次为1～3火，每火次加热温度选取在相变点以上60℃～150℃进行，物料出炉后依次进行镦粗、拔长，每火次锻造比控制在1.5～2.5之间，使用宽砧具(600mm～1200mm)进行镦粗、拔长，锻后采用水冷，得到第三中间锻造后的坯料；

将经第三中间改锻后的坯料在相变点以下进行第四中间改锻，改锻火次为4～7火，每火次加热温度选取在相变点以下40℃～60℃进行，物料出炉后依次进行拔长以及倒八方处理，每火次锻造比控制在1.2～2.2之间，锻后采用空冷，得到第四中间锻造后的坯料。

步骤三、成品锻造：

将经步骤二第四中间锻造后的坯料在相变点以下40～70℃加热，摔圆成型，摔圆成型共分为1～2火次完成摔圆时锻造比控制在1.0～2.0之间，摔圆时选择V型砧具，锻后采用空冷，即得到TB18钛合金棒材。

为了进一步验证本发明锻造方法的功效，发明人进行了如下具体的实施例：

实施例1

1)开坯锻造：

铸锭开坯锻造加热温度选取1170℃，加热20小时后出炉，对铸锭使用规格为800mm宽的砧具进行两镦两拔变形，锻比为2.0，锻后采用水冷。

2)中间锻造：

将经步骤1)开坯锻造后的铸锭在相变点以上进行第一中间改锻，改锻火次为3火，每火次加热温度选取在相变点以上300℃进行，物料出炉后依次进行换向镦粗、拔长，每火次锻造比控制在1.8左右，进一步破碎铸态组织和均匀化坯料的组织，锻后采用水冷。

将经第一中间改锻后的坯料在相变点以下进行第二中间改锻，改锻火次为2火，每火次加热温度选取在相变点以下40℃进行，物料出炉后依次进行拔长处理，每火次锻造比控制在1.7，锻后采用空冷。

将经第二中间改锻后的坯料在相变点以上进行第三中间改锻，改锻火次为1火，每火次加热温度选取在相变点以上150℃进行，物料出炉后依次进行镦粗、拔长，每火次锻造比控制在1.6左右，使用800mm宽砧具进行镦粗、拔长，锻后采用水冷。

将经第三中间改锻后的坯料在相变点以下进行第四中间改锻，改锻火次为5火，每火次加热温度选取在相变点以下40℃进行，物料出炉后依次进行拔长以及倒八方处理，每火次锻造比控制在1.6之间，锻后采用空冷。

3)成品锻造：

将经步骤2)中间锻造的棒材在相变点以下40℃加热，摔圆成型，摔圆成型共分为2火次完成，摔圆时锻造比控制在1.5之间，摔圆时选择V型砧具，锻到成品尺寸Φ400mm，锻后采用空冷，即得到TB18钛合金棒材。

其中，图2是实施例1采用本工艺锻造制备出成品为Φ400mm规格棒材的低倍组织图，可以看出低倍具有细小的模糊晶为主要特征，说明棒材在相变点以上得到了充分的变形。图3～5分别为该棒材的边、r/2、心部显微组织图，显微组织基本上是由β基体和球状α相组成。对得到的大规格棒材取试样进行热处理，并测试其力学性能，结果如表1所示。

表1Φ400mm规格棒材力学性能列表

实施例2

1)开坯锻造：

铸锭开坯锻造加热温度选取1150℃，加热15小时后出炉，对铸锭使用规格为600mm宽的砧具进行两镦两拔变形，锻比为2.2，锻后采用水冷。

2)中间锻造：

将经步骤1)开坯锻造后的铸锭在相变点以上进行第一中间改锻，改锻火次为2火，每火次加热温度选取在相变点以上200℃进行，物料出炉后依次进行换向镦粗、拔长，每火次锻造比控制在2.0左右，进一步破碎铸态组织和均匀化坯料的组织，锻后采用水冷。

将经第一中间改锻后的坯料在相变点以下进行第二中间改锻，改锻火次为3火，每火次加热温度选取在相变点以下60℃进行，物料出炉后依次进行拔长处理，每火次锻造比控制在1.8，锻后采用空冷。

将经第二中间改锻后的坯料在相变点以上进行第三中间改锻，改锻火次为2火，每火次加热温度选取在相变点以上80℃进行，物料出炉后依次进行镦粗、拔长，每火次锻造比控制在1.5之间，使用宽度为800mm宽的砧具进行镦粗、拔长，锻后采用水冷。

将经第三中间改锻后的坯料在相变点以下进行第四中间改锻，改锻火次为7火，每火次加热温度选取在相变点以下60℃进行，物料出炉后依次进行拔长以及倒八方处理，每火次锻造比控制在1.5左右，锻后采用空冷。

3)成品锻造：

将经步骤2)中间锻造的棒材在相变点以下70℃加热，摔圆成型，摔圆成型共分为2火次完成，摔圆时锻造比控制在1.3之间，摔圆时选择V型砧具，锻到成品尺寸Φ210mm，锻后采用空冷，即得到TB18钛合金棒材。

图6是实施例2采用本工艺锻造制备出成品为Φ200mm规格棒材的低倍组织图，可以看出低倍具有细小的模糊晶为主要特征，说明棒材在相变点以上得到了充分的变形。图7～9分别为该棒材的边、r/2、心部显微组织图，显微组织基本上是由β基体和球状α相组成。对得到的大规格棒材取试样进行热处理，并测试其力学性能，结果如表2所示。

表2Φ210mm规格棒材力学性能列表

综上所示，通过表1和表2数据表明，采用本发明工艺锻造的TB18钛合金(Φ400mm和Φ210mm规格棒材)拥有良好的室温强度、冲击韧性和断裂韧性的匹配，其抗拉强度(Rm)均大于1300MPa，冲击韧性(aku)均大于25J/cm

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。