利用精锻机锻造生产TC4钛合金棒材的方法

摘要

本发明提供了一种利用精锻机锻造生产TC4钛合金棒材的方法，所述方法包括加热、锻造和冷却以得到成品棒材，其中，在锻造过程中：控制开锻温度≥850℃；控制锻造频次，以控制棒材的温度上升幅度；控制除最后一个锻造道次之外的每道次的变形量为10%～25%，并且均匀分配除最后一个锻造道次之外的每道次的变形量；采用锻造道次间停顿冷却，以棒材的温度不再上升且≤840℃为准。根据本发明的方法，能够利用现有坯料高效地生产出优质TC4棒材，以满足φ100～200mm低成本生产的需要。

说明书

技术领域

本发明属于有色金属锻造领域，具体地讲，涉及一种利用精锻机锻造生 产TC4钛合金棒材的方法，适用于利用坯料锻造棒材的生产。

背景技术

钛及钛合金的性能优异，可广泛地应用到国民经济的各个行业，但是由 于钛及钛合金的价格过高，因而阻碍了其应用的推广。因此，迫切需要采用 低成本生产技术来生产钛合金。TC4钛合金棒材是钛合金中的一个重要材型。 低成本的生产需要表面质量更好、锻造尺寸更精确、可高效率生产且质量可 靠的锻造技术。精锻机的出现，为实现上述目的提供了较好的条件。

精锻机的生产特点是表面质量好、尺寸精确、锻造频次高。锻造频次高 就会产生较大的形变热，利于锻造温度的保证，从而保证锻造产品的性能。 对于钛合金而言，要使其获得较好的组织，就需要在β相变点以下的温度锻 造，且每火变形量要达到40%以上。然而，目前利用精锻机锻造TC4钛合金 的工艺流程为：圆柱体钛锭→纵向拔长→成品棒材，在这种高速大变形的锻 造工艺下，就会产生较大的热量。表面的热量容易散失，但TC4钛合金的传 热系数低，心部的热量传到表面散失需要一定时间，而TC4钛合金的比热容 小，少量的热量聚集就会使温度上升。因此，在锻造过程中如果不控制锻造 频次和锻造道次间的冷却，坯料非常容易超过β转变温度导致组织恶化，使 得TC4钛合金在上述条件下经精锻机锻造后，往往存在组织不均匀、晶粒粗 大等情况，从而降低了TC4钛合金的性能。

图1A和图1B分别示出了根据现有技术生产出的TC4钛合金棒材的表 层和心部的金相组织。由图1A可以看出，TC4钛合金棒材的外表层为等轴 组织，由图1B可以看出，TC4钛合金棒材的中心部分存在β晶界，也就是说， 根据现有技术生产的TC4钛合金棒材的表层组织合格但中心部分因存在β晶 界而不合格，从而导致棒材报废，增加了生产成本。

因此，需要研究一种新的TC4钛合金棒材精锻机锻造工艺，使锻造的棒 材内外组织均匀，以满足TC4钛合金棒材的生产需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的TC4钛合金棒材精锻机锻造工艺，利用 现有坯料，高效地生产出优质TC4钛合金棒材，以满足φ100～200mm低成本 生产的需要。

根据本发明，提供了一种利用精锻机锻造生产TC4钛合金棒材的方法， 所述方法包括加热、锻造和冷却以得到成品棒材，其中，在锻造过程中：控 制开锻温度≥850℃；控制锻造频次，以控制棒材的温度上升幅度；控制除最 后一个锻造道次之外的每道次的变形量为10%～25%，并且均匀分配除最后一 个锻造道次之外的每道次的变形量；采用锻造道次间停顿冷却，以棒材的温 度不再上升且≤840℃为准。

根据本发明的示例性实施例，控制锻造频次的步骤可以包括：在第一锻 造道次中，控制锻造频次为180次/min，在第二和第三锻造道次中，控制锻 造频次为90次/min，在除第一至第三锻造道次和最后一个锻造道次之外的道 次中，控制锻造频次为60次/min，在最后一个锻造道次中，控制锻造频次为 240次/min。

根据本发明的示例性实施例，在最后一个锻造道次控制棒材的变形量为 5%～10%，以进行末尾整形。

根据本发明的示例性实施例，锻造道次间停顿冷却的时间可以为2分钟 ～3分钟。

根据本发明的示例性实施例，在加热步骤中，可以将加热温度控制为930 ±10℃，以获得等轴组织。

根据本发明的示例性实施例，可以利用柱形坯料来生产所述TC4钛合金 棒材。

根据本发明的示例性实施例，坯料的尺寸可以设定为被锻造至成品合金 棒材的总变形量≥60%。

附图说明

图1A和图1B是分别示出了根据现有技术生产出的TC4钛合金棒材的 表层和心部的金相组织的照片。

图2A和图2B是分别示出了根据本发明的示例性实施例生产出的TC4 钛合金棒材的表层和心部的金相组织的照片。

具体实施方式

本发明提供了一种新型的TC4钛合金棒材的精锻机锻造工艺，其通过利 用现有坯料能够高效地生产出优质的TC4钛合金棒材，从而满足低成本生产 的需要。

下面将详细地描述根据本发明的TC4钛合金棒材的精锻机工艺。

根据本发明，TC4钛合金棒材的精锻机工艺的工艺流程如下：柱形坯料 →加热→利用精锻机进行多道次锻造→成品棒材。

具体地讲，根据本发明的TC4钛合金棒材的精锻机工艺，采用锻造制出 的坯料，其横截面为方形或圆形，表面无氧化皮、无缺陷。根据本发明的优 选实施例，坯料尺寸需保证被锻造至成品的总变形量≥60%。

接着，对坯料进行加热。在加热工艺中，控制加热温度为930±10℃， 加热时间可以根据坯料尺寸而定，以坯料热透为准，从而使坯料的内部组织 为等轴组织。之所以将加热温度控制为该温度范围是因为：加热温度不能过 高：除考虑相变温度外，还要为精锻机锻造造成的温升留下足够的空间，以 保证锻造变形造成的升温不会使坯料温度接近或超过相变温度。为保证开锻 温度，加热温度不能过低：如前所述，出料过程坯料温度必然会下降，若加 热温度过低，就会导致开锻温度不足。根据本发明，可以采用室式炉作为加 热设备，其中，采用天然气加热或电加热均可，本领域技术人员可以在本发 明的教导下根据实际情况自行选定。

根据本发明，在将坯料加热到预定温度之后，对坯料进行锻造，以获得 所需要的尺寸。在锻造步骤中，控制开锻温度≥850℃，以保证能够顺利锻造， 坯料表面不开裂。在本发明中，控制开锻温度的目的是为了防止初始锻造温 度过低，以保证锻造性，因此一般只需控制温度下限，低于设定的温度下限 就不能进行锻造了。开锻温度的上限是由坯料加热温度和出炉过程决定的： 坯料完成加热后出炉锻造，需从加热炉转移到锻造设备才能锻造，这个过程 称为出料，出料过程中坯料温度必然下降，下降的幅度取决出料时间的长短， 时间越长，温度下降幅度就越大，从而导致开锻时坯料温度低于加热温度。 因此，在实际操作过程中，要求出料时间尽可能地短，以减小温度降低幅度， 而不会刻意去规定开锻温度上限。

另外，根据本发明，在锻造过程中，控制锻造频次，以控制温度上升的 幅度。根据本发明的一个示例性实施例，可以控制第一锻造道次的锻造频次 为180次/min，第二锻造道次和第三锻造道次的锻造频次为90次/min，随后 的锻造道次的锻造频次为60次/min，末尾整形（最后一个锻造道次）的锻造 频次为240次/min，以能够很好地控制锻材在锻造过程中的温度上升幅度， 而不会使TC4合金在锻造过程中超过β转变温度。

此外，根据本发明，在锻造过程中，控制每道次（最后一个锻造道次除 外）的变形量为10%～25%，且使除最后一个锻造道次之外的每道次的变形量 尽量均衡分配。如果道次变形量超过25%，则会使棒材升温过大，将会接近 合金β相变点，导致组织不合格；另一方面，如果道次变形量低于10%，则 会使生产效率过低，从而增加了生产成本。因此，根据本发明，将锻造时的 道次变形量设定为10～25%，具体数值可以根据坯料的尺寸和成品棒材的尺寸 而定。另外，在根据本发明的锻造步骤中，采用末尾整形，即，将最后一个 道次锻造的变形量控制为5%～10%，进行表面的修整和尺寸的固定，以获得 良好的表面和精确的尺寸。优选地，控制棒材的锻造直径尺寸比目标直径尺 寸大5～10mm，为棒材机加工留出余量。这里，锻造的道次数不做具体限定， 本领域技术人员可以在本发明的教导下根据设备能力具体确定锻造的道次 数。

另外，根据本发明，采用多道次小变形量并且控制总变形量≥60%，因 此，与现有的锻造工艺不同，根据本发明的精锻工艺对棒材的锻造只需进行 一次加热，而且锻造时间短。由于采用了多道次小变形量的变形过程，使坯 料在变形过程中有充分的动态再结晶时间，减轻了剧烈变形造成的变形强化 和应力集中，能够有效防止坯料开裂，减少了废品，从而提高了表面质量和 成材率。

根据本发明，在锻造过程中，还采用锻造道次间停顿冷却。具体地讲， 在锻造过程中，每锻完一个道次需停顿预定的时间，以棒材的表面温度不再 上升且≤840℃为准。这样做的目的是使坯料中心部位的热量能够充分散失， 从而降低心部温度。因为TC4钛合金比热容小、所以锻造产生的形变热很容 易使温度上升，而传热系数又低，心部热量传到表面散失又需要一定时间， 因此，如果马上进行下一道次的锻造，心部的温度就会累积升高，导致心部 组织不合格。根据本发明，锻造道次间停顿冷却的具体时间以表面温度不再 上升且≤840℃为准，达到这个条件后可以再进行下一道次的锻造。根据本发 明的一个示例性实施例，每锻完一个道次停顿的时间可以为2～3分钟。因此， 根据本发明，通过采用道次停顿几分钟，可以使棒材的温度分布均匀，组织 的均匀性也得到的很大的改善。

此外，根据本发明的一个示例性实施例，可以采用18MN径向锻造机作 为锻造设备。然而，本发明不限于此，本领域技术人员可以在本发明的教导 下选择合适的精锻机来进行锻造。

最后，在锻造完成后，将锻造所得的棒材空冷即可。冷却后，完成相关 处理（如热处理、矫直等）后，表面车光至目标尺寸。至此，完成了TC4合 金棒材的生产，从而得到成品棒材。

图2A和图2B是分别示出了根据本发明的示例性实施例生产出的TC4 钛合金棒材的表层和心部的金相组织的照片。由图2A可以看出，采用本发 明的方法制造出的TC4钛合金棒材的表层组织均匀，为等轴组织，同时，由 图2B可以看出，采用本发明的方法制造出的TC4钛合金棒材的心部组织均 匀，亦为等轴组织。因此，根据本发明的方法，由于锻造过程中温度分布均 匀，所以锻造的棒材能够获得良好的组织且分布均匀（如图2A和图2B所示）， 良好的组织为获得良好的性能奠定了坚实的基础。

此外，根据本发明的方法，减少了锻造时间，提高了生产效率。在保证 总变形量≥60%的前提下，根据本发明，该精锻工艺只需一次加热，一支棒 材的锻造时间仅为20～30min，且能够保证良好的质量。若采用原有的精锻工 艺，质量不能保证，废品量大，增加成本的同时，也增加了生产时间。若采 用其它锻造方式，在相同变形量的条件下，需要加热2次以上，锻造时间也 将达到40min以上。

下面将结合本发明的具体实施例来进一步详细地解释本发明。

实施例1

以边长为320mm的坯料锻造φ200mm的棒材，总变形量为69%。采用 下列参数的坯料：截面为正方形，边长为320mm，长度为2.45m，重量为 1100kg。控制对坯料的加热温度为930±10℃。然后，对加热后的坯料进行 锻造，其中，开锻温度为860℃，锻造过程如下面的表1所示。最后，对成 品棒材进行相关处理，车光到φ200mm。经检验，所得棒材的内外组织均匀。

表1

实施例2

以φ200mm的坯料锻造φ100mm的棒材，总变形量为75%。采用下列参 数的坯料：直径φ200mm，长度为2.0m，重量为280kg。控制对坯料的加热 温度为930±10℃。然后，对加热后的坯料进行锻造，其中，开锻温度为850 ℃，锻造过程如下面的表2所示。最后，对成品棒材进行相关处理，车光到 φ100mm。经检验，所得棒材的内外组织均匀。

表2

实施例3

以φ200mm的坯料锻造φ120mm的棒材，总变形量为64%。采用下列参 数的坯料：直径φ200mm，长度为1.7m，重量为238kg。控制对坯料的加热 温度为930±10℃。然后，对加热后的坯料进行锻造，其中，开锻温度为850 ℃，锻造过程如下面的表3所示。最后，对成品棒材进行相关处理，车光到 φ120mm。经检验，所得棒材的内外组织均匀。

表3

由上面的实施例1-3可以看出，根据本发明的方法得到的TC4钛合金棒 材的表层组织和心部组织均为等轴组织，而根据现有的锻造方法得到的TC4 钛合金棒材的表层虽为等轴组织（见图1A），但心部却存在β晶界（见图1B）， 从而导致棒材的质量不合格。因此，根据本发明，通过采用多道次小变形量 的变形过程，使坯料在变形过程中有充分的动态再结晶时间，减轻了剧烈变 形造成的变形强化和应力集中，能够有效防止坯料开裂，减少了废品，从而 提高了表面质量和成材率。同时，根据本发明，道次停顿几分钟使棒材温度 分布均匀，组织的均匀性也得到了很大的改善。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实 施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方 案进行多种简单变型和组合，这些简单变型均属于本发明的保护范围。