一种疲劳强度高的TC11钛合金饼材的制备方法

摘要

本发明提供了一种疲劳强度高的TC11钛合金饼材的制备方法，包括以下步骤：一、将TC11钛合金铸锭进行开坯锻造，水冷后得到第一锻坯；二、进行第一中间锻造，得到第二锻坯；三、进行均匀化处理；四、进行第二中间锻造，得到第三锻坯；五、进行成形锻造，得到半成品饼材；六、进行固溶处理；七、进行时效处理，得到厚度为30mm～70mm，截面直径为100mm～200mm的疲劳强度高的TC11钛合金饼材。本发明设计合理可行，生产效率高，可实现连续生产；采用本发明制备的TC11钛合金饼材组织均匀一致，力学性能优良，高周疲劳强度不低于900MPa，可广泛应用于航天、航空、航海等领域。

说明书

技术领域

本发明属于钛合金材料技术领域，具体涉及一种疲劳强度高的TC11 钛合金饼材的制备方法。

背景技术

TC11钛合金饼材因其高的比强度、良好的耐蚀性、强韧性匹配等性 能被广泛地应用于航天、航空、航海等领域，主要用作发动机结构件用涡 轮盘及轴盘件。目前大多采用自由锻工艺或等温模锻工艺制备TC11钛合 金饼材。采用传统的等温模锻工艺制造的TC11钛合金饼材虽然变形充分、 组织均匀性好，但由于其对于压力机要求高，且存在模具制作成本高等问 题，不适合工业化大规模生产。传统的自由锻造工艺粗糙，存在变形死区， 制造的TC11钛合金饼材存在变形不均匀、组织结构一致性差、组织组态 难以精确控制等缺点，难以满足高强、高韧、高疲劳性能等综合性能的相 关技术要求。

因此，亟需研发一种组织均匀一致、力学性能优良、疲劳强度高的 TC11钛合金饼材的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种 疲劳强度高的TC11钛合金饼材的制备方法。该方法合理可行，生产效率 高，可实现连续生产；采用该方法制备的TC11钛合金饼材组织均匀一致， 力学性能，高周疲劳强度不低于900MPa。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种疲劳强度高的 TC11钛合金饼材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TC11钛合金铸锭进行开坯锻造，水冷后得到第一锻坯； 所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分2火次完成，其 中第一火次开坯锻造的始锻温度为β相变点以上120℃～170℃，第二火次 开坯锻造的始锻温度为β相变点以上30℃～80℃，每火次开坯锻造的锻造 比均为5.72～6.15；

步骤二、将步骤一中所述第一锻坯进行第一中间锻造，水冷后得到第 二锻坯；所述第一中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分2 火次完成，每火次第一中间锻造的始锻温度均为β相变点以下30℃～50℃， 每火次第一中间锻造的锻造比均为5.00～5.72；

步骤三、将步骤二中所述第二锻坯进行均匀化处理；所述均匀化处理 的具体工艺为：将第二锻坯在温度为β相变点以上30℃～50℃的条件下保 温60min～120min，然后水冷至25℃室温；

步骤四、将步骤三中均匀化处理后的第二锻坯进行第二中间锻造，水 冷后得到第三锻坯；所述第二中间锻造采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方 式，共分2～3火次完成，每火次第二中间锻造的始锻温度均为β相变点以 下30℃～50℃，每火次第二中间锻造的锻造比均为5.72～6.15；

步骤五、将步骤四中所述第三锻坯在始锻温度为β相变点以下30℃ ～50℃的条件下进行一火次的成形锻造，水冷后得到半成品饼材；所述成 形锻造采用轴向镦粗的锻造方式，所述成形锻造的锻造比为2.0～3.0；

步骤六、将步骤五中所述半成品饼材进行固溶处理；

步骤七、将步骤六中固溶处理后的半成品饼材进行时效处理，得到厚 度为30mm～70mm，截面直径为100mm～200mm的疲劳强度高的TC11钛 合金饼材；所述疲劳强度高的TC11钛合金饼材是指该饼材在理论应力集 中系数Kt=1，应力比R=0.5和循环次数N≥10⁷次条件下的高周疲劳强度 不低于900MPa。

上述的一种疲劳强度高的TC11钛合金饼材的制备方法，其特征在于， 步骤一中每火次开坯锻造的终锻温度和步骤二中每火次第一中间锻造的 终锻温度均不低于850℃，步骤四中每火次第二中间锻造的终锻温度和步 骤五中所述成形锻造的终锻温度均不低于750℃。

上述的一种疲劳强度高的TC11钛合金饼材的制备方法，其特征在于， 步骤一中所述开坯锻造、步骤二中所述第一中间锻造和步骤四中所述第二 中间锻造采用的锻造设备均为额定压力为2500吨～3500吨的快锻机，步骤 五中所述成形锻造采用的锻造设备为额定压力为3吨的电液锤。

上述的一种疲劳强度高的TC11钛合金饼材的制备方法，其特征在于， 步骤六中所述固溶处理的具体工艺为：将半成品饼材在温度为920℃～980 ℃的条件下保温60min～120min，然后空冷至25℃室温。

上述的一种疲劳强度高的TC11钛合金饼材的制备方法，其特征在于， 步骤七中所述时效处理的具体工艺为：将固溶处理后的半成品饼材在温度 为500℃～550℃的条件下保温360min～480min，然后空冷至25℃室温。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用自由锻工艺与热处理工艺相结合的方法制备TC11钛合 金饼材，通过对各工艺方法和工艺参数进行大量实验优化，使坯料得到均 匀变形，晶粒组织均匀细小，所制备的TC11钛合金饼材力学性能优良， 疲劳强度高。其中，本发明的开坯锻造工艺能够充分破碎铸态原始晶界和 晶界α组织；第一中间锻造工艺能够改变α和β组织的形态、大小和数量， 让α和β组织基本实现均匀分布；均匀化处理能够使晶界缺陷均匀化，使 过饱和固溶体均匀分布，同时让已经破碎的晶粒进行二次再结晶，重新长 大，晶粒尺寸基本均匀一致，而且充分等轴化；通过控制均匀化处理的保 温时间，实现β再结晶晶粒度的精确控制，并结合水冷处理使β再结晶组 织不会在随后的冷却过程中因为芯部和边部冷却速率差别大减弱均匀化 效果；进行第二中间锻造和成形锻造能够使锻坯继续变形，进一步细化组 织，最终进行固溶+时效处理使合金的显微组织组态得到进一步优化。

2、本发明采用高温-低温-高温镦拔锻造+锻后水冷+均匀化处理+固溶 时效处理的制备工艺，能够使TC11钛合金饼材的初生α控制在15%左右， 次生α和转变的β组织构成细网篮组织，成为三态组织（α等轴≈10%～15%， α条≈70%，且交错分布）。三态组织能够有效保证TC11饼材在保持高强 度、高韧性的同时，等轴α的体积分数和平均尺寸的精确控制有效地阻碍 了裂纹扩展的能力，从而对于提高饼材的疲劳性能发挥显著效果。

3、本发明制备的TC11钛合金饼材的整体组织均匀一致，初生α含量 控制得当，次生α和转变的β组织构成细网篮组织均匀细小，属于典型的 三态组织，组织结构和力学性能与等温模锻件相当。本发明制备的TC11 钛合金饼材具有优良的力学性能，其室温σ_b≥1100MPa，σ_0.2≥910MPa， δ≥12%，φ≥28%，冲击韧性≥295kJ/M²、断裂韧性≥55MPa·m^1/2；并且 该TC11钛合金饼材的疲劳强度高，在理论应力集中系数Kt=1，应力比 R=0.5和循环次数N≥10⁷次条件下的高周疲劳强度不低于900MPa。

4、本发明设计合理可行，生产效率高，可实现连续生产；本发明还 可为航空用其他类型的高强高韧钛合金饼材提供指导。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例1

Ф120mm×50mm TC11钛合金饼材的制备：

步骤一、利用额定压力为2500吨的快锻机对TC11钛合金铸锭进行开 坯锻造，水冷后得到第一锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的 锻造方式，共分两火次完成，其中第一火次开坯锻造的始锻温度为β相变 点以上150℃，第二火次开坯锻造的始锻温度为β相变点以上50℃，每火 次开坯锻造的锻造比均为6.15，每火次开坯锻造的终锻温度均不低于850 ℃；

步骤二、利用额定压力为2500吨的快锻机对步骤一中所述第一锻坯 进行第一中间锻造，水冷后得到第二锻坯；所述第一中间锻造采用轴向反 复镦粗和拔长的锻造方式，共分两火次完成，每火次第一中间锻造的始锻 温度均为β相变点以下40℃，每火次第一中间锻造的锻造比均为5.33，每 火次第一中间锻造的终锻温度均不低于850℃；

步骤三、将步骤二中所述第二锻坯进行均匀化处理；所述均匀化处理 的具体工艺为：将第二锻坯在温度为β相变点以上40℃的条件下保温 60min，然后水冷至25℃室温；

步骤四、利用额定压力为2500吨的快锻机对步骤三中均匀化处理后 的第二锻坯进行第二中间锻造，水冷后得到第三锻坯；所述第二中间锻造 采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分两火次完成，每火次第二中间 锻造的始锻温度均为β相变点以下40℃，每火次第二中间锻造的锻造比均 为6.15，每火次第二中间锻造的终锻温度均不低于750℃；

步骤五、利用额定压力为3吨的电液锤对步骤四中所述第三锻坯进行 一火次的成形锻造，水冷后得到半成品饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗 的锻造方式，所述成形锻造的锻造比为2.5，所述成形锻造的始锻温度为 β相变点以下40℃，所述成形锻造的终锻温度不低于750℃；

步骤六、将步骤五中所述半成品饼材在温度为950℃的条件下保温 90min，然后空冷至25℃室温进行固溶处理；

步骤七、将步骤六中固溶处理后的半成品饼材在温度为530℃的条件 下保温360min，然后空冷至25℃室温进行时效处理，得到厚度为50mm， 截面直径为120mm的TC11钛合金饼材。

本实施例制备的TC11钛合金饼材在室温条件下的σ_b=1240MPa，σ _0.2=1130MPa，δ=15.5%，φ=43.5%，冲击韧性=351kJ/M²、断裂韧性 =80.3MPa·m^1/2；根据国家标准GB/3075-82“金属轴向疲劳试验方法”，利 用QBG-100型高频疲劳试验机对本实例TC11钛合金饼材进行高周疲劳性 能测试，测得该钛合金饼材在理论应力集中系数Kt=1，应力比R=0.5，循 环频率f=120Hz和循环次数N≥10⁷次条件下的高周疲劳强度为920MPa。 本实施例制备的TC11钛合金饼材的高周疲劳强度比传统TC11钛合金饼 材（其高周疲劳强度约为700MPa）提高了31.4%。

实施例2

Ф200mm×70mm TC11钛合金饼材的制备：

步骤一、利用额定压力为3500吨的快锻机对TC11钛合金铸锭进行开 坯锻造，水冷后得到第一锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的 锻造方式，共分两火次完成，其中第一火次开坯锻造的始锻温度为β相变 点以上120℃，第二火次开坯锻造的始锻温度为β相变点以上30℃，每火 次开坯锻造的锻造比均为5.72，每火次开坯锻造的终锻温度均不低于850 ℃；

步骤二、利用额定压力为3500吨的快锻机对步骤一中所述第一锻坯 进行第一中间锻造，水冷后得到第二锻坯；所述第一中间锻造采用轴向反 复镦粗和拔长的锻造方式，共分两火次完成，每火次第一中间锻造的始锻 温度均为β相变点以下30℃，每火次第一中间锻造的锻造比均为5.72，每 火次第一中间锻造的终锻温度均不低于850℃；

步骤三、将步骤二中所述第二锻坯进行均匀化处理；所述均匀化处理 的具体工艺为：将第二锻坯在温度为β相变点以上30℃的条件下保温 120min，然后水冷至25℃室温；

步骤四、利用额定压力为3500吨的快锻机对步骤三中均匀化处理后 的第二锻坯进行第二中间锻造，水冷后得到第三锻坯；所述第二中间锻造 采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分两火次完成，每火次第二中间 锻造的始锻温度均为β相变点以下30℃，每火次第二中间锻造的锻造比均 为5.72，每火次第二中间锻造的终锻温度均不低于750℃；

步骤五、利用额定压力为3吨的电液锤对步骤四中所述第三锻坯进行 一火次的成形锻造，水冷后得到半成品饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗 的锻造方式，所述成形锻造的锻造比为3.0，所述成形锻造的始锻温度为 β相变点以下30℃，所述成形锻造的终锻温度不低于750℃；

步骤六、将步骤五中所述半成品饼材在温度为920℃的条件下保温 120min，然后空冷至25℃室温进行固溶处理；

步骤七、将步骤六中固溶处理后的半成品饼材在温度为550℃的条件 下保温480min，然后空冷至25℃室温进行时效处理，得到厚度为70mm， 截面直径为200mm的TC11钛合金饼材。

本实施例制备的TC11钛合金饼材在室温条件下的σ_b=1180MPa，σ _0.2=1060MPa，δ=13.5%，φ=33%，冲击韧性=328kJ/M²、断裂韧性 =66MPa·m^1/2；根据国家标准GB/3075-82“金属轴向疲劳试验方法”，利 用QBG-100型高频疲劳试验机对本实例TC11钛合金饼材进行高周疲劳性 能测试，测得该钛合金饼材在理论应力集中系数Kt=1，应力比R=0.5，循 环频率f=120Hz和循环次数N≥10⁷次条件下的高周疲劳强度为908MPa。 本实施例制备的TC11钛合金饼材的高周疲劳强度比传统TC11钛合金饼 材（其高周疲劳强度约为700MPa）提高了29.7%。

实施例3

Ф100mm×30mm TC11钛合金饼材的制备：

步骤一、利用额定压力为2500吨的快锻机对TC11钛合金铸锭进行开 坯锻造，水冷后得到第一锻坯；所述开坯锻造采用轴向反复镦粗和拔长的 锻造方式，共分两火次完成，其中第一火次开坯锻造的始锻温度为β相变 点以上170℃，第二火次开坯锻造的始锻温度为β相变点以上80℃，每火 次开坯锻造的锻造比均为5.72，每火次开坯锻造的终锻温度均不低于850 ℃；

步骤二、利用额定压力为2500吨的快锻机对步骤一中所述第一锻坯 进行第一中间锻造，水冷后得到第二锻坯；所述第一中间锻造采用轴向反 复镦粗和拔长的锻造方式，共分两火次完成，每火次第一中间锻造的始锻 温度均为β相变点以下50℃，每火次第一中间锻造的锻造比均为5.00，每 火次第一中间锻造的终锻温度均不低于850℃；

步骤三、将步骤二中所述第二锻坯进行均匀化处理；所述均匀化处理 的具体工艺为：将第二锻坯在温度为β相变点以上50℃的条件下保温 60min，然后水冷至25℃室温；

步骤四、利用额定压力为2500吨的快锻机对步骤三中均匀化处理后 的第二锻坯进行第二中间锻造，水冷后得到第三锻坯；所述第二中间锻造 采用轴向反复镦粗和拔长的锻造方式，共分三火次完成，每火次第二中间 锻造的始锻温度均为β相变点以下50℃，每火次第二中间锻造的锻造比均 为5.72，每火次第二中间锻造的终锻温度均不低于750℃；

步骤五、利用额定压力为3吨的电液锤对步骤四中所述第三锻坯进行 一火次的成形锻造，水冷后得到半成品饼材；所述成形锻造采用轴向镦粗 的锻造方式，所述成形锻造的锻造比为2.0，所述成形锻造的始锻温度为 β相变点以下50℃，所述成形锻造的终锻温度不低于750℃；

步骤六、将步骤五中所述半成品饼材在温度为980℃的条件下保温 60min，然后空冷至25℃室温进行固溶处理；

步骤七、将步骤六中固溶处理后的半成品饼材在温度为500℃的条件 下保温360min，然后空冷至25℃室温进行时效处理，得到厚度为30mm， 截面直径为100mm的TC11钛合金饼材。

本实施例制备的TC11钛合金饼材在室温条件下的σ_b=1240MPa，σ _0.2=1110MPa，δ=15%，φ=36%，冲击韧性=330kJ/M²、断裂韧性 =72MPa·m^1/2；根据国家标准GB/3075-82“金属轴向疲劳试验方法”，利 用QBG-100型高频疲劳试验机对本实例TC11钛合金饼材进行高周疲劳性 能测试，测得该钛合金饼材在理论应力集中系数Kt=1，应力比R=0.5，循 环频率f=120Hz和循环次数N≥10⁷次条件下的高周疲劳强度为925MPa。 本实施例制备的TC11钛合金饼材的高周疲劳强度比传统TC11钛合金饼 材（其高周疲劳强度约为700MPa）提高了32.1%。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡 是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变 化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。