一种TC17钛合金盘形锻件的等温锻造方法

摘要

本发明涉及一种钛合金盘形锻件的锻造方法，特别涉及一种TC17钛合金盘形锻件的等温锻造方法。其工艺为：将钛合金棒锭加热到相变点以下40℃～50℃，加热上、下平模到相变点以下40℃～50℃，上平模下行使得棒锭以0.001s-1～0.01s-1的应变速率进行第一火等温镦粗成一次饼坯，然后再以0.001s-1～0.01s-1的应变速率进行第二火等温镦粗成二次饼坯，变形量30～50%；加热二次饼坯到相变点以下20℃～30℃，加热上、下型腔模到相变点以下20℃～30℃，压机锻压二次饼坯使其以0.001s-1～0.01s-1的应变速率在型腔模内变形量达到30～50%后成形锻件；锻后锻件热处理采用固溶+时效处理。采用该方法锻造的盘形锻件具有较理想的等轴组织和高性能，适用于制造航空发动机的压气机盘和涡轮盘等锻件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金盘形锻件的锻造方法，特别涉及一种TC17钛合金盘形 锻件的等温锻造方法。

背景技术

钛合金具有强度高、质量轻和良好的抗腐蚀等特性，在航空、航天领域有着重 要的应用，尤其是航空发动机的压气机盘、涡轮盘等盘件由于工作环境恶劣，受力 复杂，往往采用综合性能优异的α＋β型两相钛合金锻造成形。采用α＋β型两 相钛合金锻造的盘件具有高强度、断裂韧度好、淬透性高和锻造温度范围宽等一系 列优点，能够满足损失容限设计的需要和高结构、高可靠性及低制造成本的要求。 显微组织的变化对机械性能影响较为显著，而上述的优异综合性能须靠理想的锻件 微观组织来保证。

《上海钢研》2006年02期刊登一篇名为钛合金整体叶盘等温锻造技术文章， 该文章对TC17合金整体叶盘的锻件图、锻造毛坯的形状和模具结构及等温锻造工 艺进行了研究，并通过等温锻造工艺生产出钛合金整体叶盘等温锻件。该文章所述 TC17盘件等温锻造与本专利所述为同一类材料盘件等温锻造，但是该文章没有对所 述锻件的成形工艺方法进行描述。不用的成形工艺方法有着不同的效果及经济效 益。

在α＋β型钛合金锻造的研究上，因热变形工艺不同可以获得四种类型的显 微组织，随着对发动机性能越来越高的要求，各项性能设计指标不断提高，许多研 究工作投入到获得网篮组织，CN1403622A公开了一种钛合金准β锻造工艺，采用该 工艺对α＋β型钛合金进行准β锻时，是把钛合金坯料加热到β相变点温度附近 的区域，即相变点温度以下10℃至相变点温度以上10℃的范围进行锻造，在这一 区域加热时，由于坯料在出炉后的降温，锻件的变形实际上是在α＋β区进行 的，该网篮组织的初生α相在15以内。但是该方法是通过热模锻进行锻造，不能 有效的控制锻造变形温度，因此对锻件组织的控制没有稳定性。

专利CN101804441A《TC17两相钛合金盘形锻件的近等温锻造方法》，该方法 采用“低-高-低”工艺制坯，即把TC17钛合金棒锭加热到相变点以下30℃～ 75℃，镦粗；再加热到相变点以上20℃～60℃，拔长；再加热到相变点以下 30℃～75℃，镦粗冲孔后得到α等轴化分布的环形坯料，再把环形坯料加热到相变 点以上20℃～60℃，把锻模加热到相变点以下10℃～20℃后制备全网篮状组织的 锻件。该方法虽然也是TC17钛合金盘形锻件的锻造方法，但是制备出的是全网篮 状组织的锻件，若要得到双态组织的锻件，该方法则不可实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种使盘形锻件内部显微组织为含量约20%等 轴α相且均匀分布的双态组织的TC17钛合金盘形锻件的等温锻造方法。本发明的 技术解决方案是，

把TC17钛合金棒材按规格下料成棒锭，加热该棒锭到合金相变点以下40℃～ 50℃，按该棒锭有效厚度0.6～1min/mm保温；加热上、下平模到相变点以下 40℃～50℃后把所述棒锭装入平模，压机锻压棒锭使其以0.001s^-1～0.01s^-1的应 变速率在平模内变形量达到30%～50%成形为一次饼坯，从平模内取出一次饼坯，趁 热回炉加热保温；

回炉保温时间按到温后计算，保温时间按第一次保温时间减半；保温结束后， 再次把一次饼坯装入平模进行第二火次镦粗，压机锻压一次饼坯使其以0.001s^-1～ 0.01s^-1的应变速率在平模内变形量达到30%～50%成形为二次饼坯，从平模内取出 二次饼坯空冷；

加热上述的二次饼坯到相变点以下20℃～30℃，按该二次饼坯有效厚度0.6～ 1min/mm保温；加热上、下型腔模到相变点以下20℃～30℃后把二次饼坯装入型腔 模，压机锻压二次饼坯使其以0.001s^-1～0.01s^-1的应变速率在型腔模内变形量达 到30%～50%后成形锻件，从型腔模内取出锻件空冷；

锻后对锻件进行热处理，锻后锻件进行热处理，其热处理制度为为780℃～ 820℃×4小时，水冷；590℃～650℃×8小时，空冷。

所述的锻件热处理制度为800℃±10℃×4小时,水冷；620℃±10℃×8小时， 空冷。

为方便取模，所述棒锭及饼坯在加热装模前先预热到200℃～300℃后在其表面 喷涂玻璃润滑剂；所述平模及型腔模在所述棒锭装模前在模具表面喷涂玻璃润滑 剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明采用棒锭两火次等温镦粗工艺制坯，即把TC17钛合金棒锭加热到相变 点以下40℃～50℃，把平模加热到相变点以下40℃～50℃后，使棒锭在平模内以 应变速率0.001s^-1～0.01s^-1范围内、变形量达到30%～50%范围内进行两火次镦 粗，保证棒锭在两相区内进行，得到细小且分布均匀的等轴α组织的饼坯，为后续 锻件成形打下了基础。

把饼坯加热到相变点以下20℃～30℃，把型腔模加热到相变点以下20℃～ 30℃后，使饼坯在型腔模内以应变速率0.001s^-1～0.01s^-1范围内、变形量达到 30%～50%范围内成形锻件，保证锻坯在两相区内进行，得到等轴α含量约为20%的 双态组织，从而获得最佳的断裂韧性和塑性的匹配，充分满足损失容限设计的需 要。

本发明的优点是通过常规的α+β两相锻造区等温锻造，即等温镦粗+等温模 锻，变形抗力小，容易成形，稳定性好、成品率高，且避免了现行工艺中多火次自 由锻改锻制坯所带来的高成本、长周期，在满足设计要求的同时大大增加了经济效 益。

采用该方法锻造的锻件经热处理后具有较理想的综合性能，并且实现150mm厚 锻件超声波检测杂波水平满足0.8-12DB要求。

附图说明

图1是钛合金两火次等温镦粗制坯及一火次等温锻造成形盘形锻件工艺流程 图。

图2是采用TC17钛合金等温锻造成形锻件沿中心线剖开的纵截面R/2位置处 的金相组织照片。

具体实施方式

α＋β型两相钛合金，例如：中国材料牌号为TC17的钛合金。

下面给出了TC17钛合金的近等温锻造工艺步骤：

步骤1：检测所采用的TC17钛合金材料相变点温度为895℃。

步骤2：如图1所示，把TC17钛合金圆形棒材按锻件规格下料成棒锭1，把棒 锭1预热到300℃后在其表面喷涂专用润滑剂，再把该棒锭1放到锻造加热炉内加 热到钛合金相变点以下855℃，保温，保温时间按棒锭有效厚度0.6min/mm计算。

步骤3：把上平模2和下平模3加热到该钛合金相变点以下855℃，若要在取 模时更加方便，可以在上平模2和下平模3的表面喷涂玻璃润滑剂，加热时通过安 装在锻压机上的环形模具加热炉8进行加热，再把经步骤1加热后的棒锭1装入平 模，通过上平模下行对棒锭1进行等温镦粗成一次饼坯4。一次饼坯4趁热回炉。 一次饼坯4的变形量为33%，一次饼坯4在锻压过程中的锻造应变速率为0.001s^-1～0.01s^-1。

步骤4:把上述趁热回炉的一次饼坯4加热到该钛合金相变点以下855℃，保 温，保温时间按步骤2的保温时间减半。

步骤5：从锻造加热炉内取出一次饼坯4，放到锻压机上再进行第二火次镦粗 得到二次饼坯5，锻后空冷。二次饼坯5的变形量为36%，二次饼坯5在锻压过程 中的锻造应变速率为0.001s^-1～0.01s^-1。

步骤6：把二次饼坯5预热到300℃后在其表面喷涂玻璃润滑剂，再把该饼坯 加热到该钛合金相变点以下865℃，保温，保温时间按该饼坯有效厚度0.6min/mm 计算。

步骤7:把上型腔模6和下型腔模7加热到该钛合金相变点以下865℃，若要在 取模时更加方便，可以在上型腔模6和下型腔模7的表面喷涂玻璃润滑剂，加热时 通过安装在锻压机上的环形模具加热炉8进行加热，再把经步骤5加热后的饼坯5 装入型腔模，通过锻压机施加压力使上型腔模6下行，与下型腔模7合模并一火次 把饼坯5锻压成形锻件9，锻件9出模空冷。锻件9的变形量为33%，锻件9在锻 压过程中的锻造应变速率为0.001s^-1～0.01s^-1。

步骤8：锻件9进行热处理，即固溶+时效处理，其中固溶处理是把锻件9加热 到800℃±10℃，保温4h后放入水中迅速冷却（水淬）；时效处理是把经固溶处理 后的锻件9加热到620℃±10℃，保温8h后进行空冷。