置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法

摘要

本发明公开了一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法，用于解决现有置氢钛合金锻造工艺实用性差的技术问题。技术方案是首先通过热模拟压缩变形实验获得置氢TC4钛合金的流动应力和应变数据，再计算应变速率敏感性指数m值、能量耗散率η值和流动失稳参数ξ值；根据能量耗散率η值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理应变速率范围，再根据依据流动失稳参数ξ值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理锻造温度范围，优选出置氢TC4钛合金的合理锻造温度和应变速率。本发明成功锻造出置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片，与TC4钛合金锻造叶片的国家标准相比，其室温抗拉强度、室温屈服强度和400℃高温抗拉强度均有提高。

说明书

技术领域

本发明涉及热加工领域，特别涉及一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的优化方法。

背景技术

钛合金锻件的综合力学性能直接由锻件的微观组织决定，其微观组织又由锻造工 艺参数决定。因此，在不改变钛合金材料成分的前提下，通过优化钛合金锻造工艺参 数合理有效地控制其锻造工艺，可以使得钛合金锻件的力学性能满足设计要求。特别 是，钛合金是一种代表性难变形金属结构材料，钛合金锻件需要通过优化锻造工艺参 数获得优异的力学性能，才能满足设计要求。

文献1“保温时间对置氢钛合金超塑变形组织的影响[J]，张宗尧，任学平，王耀奇， 侯红亮，李晓华，李红，塑性工程学报，2008，15(1)：84－87”报道了置氢0.3wt％的 TC4钛合金的最佳超塑性变形工艺参数是：变形温度840℃，保温时间25min，应变速 率10^-3s^-1；在上述条件下置氢0.3wt％的TC4钛合金超塑性拉伸时的最大延伸率为327％。 文献1通过研究保温时间对置氢0.3wt％的TC4钛合金超塑性变形过程中微观组织的影 响，确定了一个合适的保温时间，没有考虑变形温度、应变速率的影响，因此上述结 果在置氢钛合金超塑性变形工艺方面应用也有限，更不适合于置氢钛合金的锻造工艺 参数优化。

文献2“专利申请号是CN200910072752的中国发明专利”公开了一种置氢钛合金锻 造叶片的锻造工艺，其锻造工艺包括充氢、预制坯、吹砂、润滑、装入预热模具、锻 造、飞边、再吹砂、清洗、脱氢。文献2提出的置氢TC4钛合金叶片锻造工艺，只是针 对一种具体锻造工艺参数下的实验结果，而不是锻造工艺参数的优化结果，其锻造工 艺参数在置氢钛合金中也不具有推广作用。

锻造过程是一个复杂的塑性变形过程，对锻造工艺参数、材料特性特别敏感，钛 合金的锻造过程尤为复杂。与钢、铝合金、铜合金、镁合金等金属材料相比，钛合金 的锻造工艺性能差，其锻件力学性能对锻造工艺参数特别敏感，决定着钛合金锻件的 使用性能和使用可靠性。因此，优化置氢钛合金的锻造工艺参数是钛合金锻造技术领 域关注的重点和热点。综上，尚未提出置氢钛合金锻造工艺参数的优化设计方法。

发明内容

为了克服现有置氢钛合金锻造工艺实用性差的不足，本发明提供一种置氢TC4钛 合金锻造工艺参数的优化方法。该方法首先通过热模拟压缩变形实验获得置氢TC4钛 合金的流动应力和应变数据，再计算应变速率敏感性指数m值、能量耗散率η值和流 动失稳参数ξ值；根据能量耗散率η值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理应变 速率范围，再根据依据流动失稳参数ξ值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理锻 造温度范围，优选出置氢TC4钛合金的合理锻造温度、应变速率。本发明采用优化后 的锻造工艺参数成功锻造出置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片，与TC4钛合金锻造叶 片的国家标准相比，其室温抗拉强度提高了18.44～18.99％，室温屈服强度高出20.61～ 21.21％，400℃高温抗拉强度高出18.33％。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种置氢TC4钛合金锻造工艺参数的 优化方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、采用机械加工方法将TC4钛合金棒材加工成热模拟压缩试样，采用无水 乙醇对TC4钛合金热模拟压缩试样表面进行清洗；

步骤二、将TC4钛合金热模拟压缩试样置入置氢炉中，先抽真空至1×10^-3Pa，再 以约5-15℃/min的速度加热到750℃，保温8min，接着向置氢炉中通入氢气，充入氢 气的流量为1L/min，保温2hrs，以5-10℃/min的速度冷却至室温，得到置氢TC4钛 合金热模拟压缩试样；

步骤三、将FR5玻璃润滑剂涂敷在步骤二得到的置氢TC4钛合金热模拟压缩试 样表面，置氢量0.4wt％，变形温度760℃、800℃、840℃、880℃、920℃，应变速率 0.01s^-1、0.1s^-1、1s^-1，最大应变0.92，在热模拟试验机上进行热模拟压缩变形实验， 压缩变形实验前保温3min；

步骤四、根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的 流动应力和应变数据，采用式(1)、(2)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温 度和应变速率下的能量耗散率η值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率η值 的计算结果确定其应变速率范围是0.01-0.1s^-1；

$m=\frac{d\left(log\sigma \right)}{d\left(\log \stackrel{·}{ϵ}\right)}---\left(1\right)$

$\eta =\frac{2m}{1+m}---\left(2\right)$

式中，σ为流动应力，单位MPa，为应变速率，单位s^-1，m为应变速率敏感性 指数；

步骤五、根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的 流动应力和应变数据，采用式(1)、(3)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温 度和应变速率下的流动失稳参数ξ值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数 ξ值的计算结果确定其锻造温度范围是780-900℃；

$\xi =\frac{\partial log\frac{m}{1+m}}{\partial \log \stackrel{·}{ϵ}}+m---\left(3\right)$

式中，m为应变速率敏感性指数；

步骤六、将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片坯料放置在炉温为790℃的锻造模具 内，保温30min后锻造出叶片；

步骤七、将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片锻件清理后，置入真空炉中，抽真 空到1.0×10^-3Pa，以10℃/min的速度加热至700-750℃，保温3hrs，以10℃/min速度 冷却至室温进行除氢；

本发明的有益效果是：该方法首先通过热模拟压缩变形实验获得置氢TC4钛合金 的流动应力和应变数据，再计算应变速率敏感性指数m值、能量耗散率η值和流动失 稳参数ξ值；根据能量耗散率η值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理应变速率 范围，再根据依据流动失稳参数ξ值判据，确定置氢TC4钛合金锻造时的合理锻造温 度范围，优选出置氢TC4钛合金的合理锻造温度、应变速率。本发明采用优化后的锻 造工艺参数成功锻造出置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片，与TC4钛合金锻造叶片的 国家标准相比，其室温抗拉强度提高了18.44～18.99％，室温屈服强度高出20.61～ 21.21％，400℃高温抗拉强度高出18.33％。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法实施例置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率图。

图2是本发明方法实施例置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数图。

具体实施方式

以下实施例参照图1和图2。

实施例一、置氢量0.4wt％的TC4钛合金的锻造工艺参数优化。

(1)将直径18mm的供应态TC4钛合金棒材进行机械加工，得到直径为8mm，高度 12mm的热模拟压缩试样，用无水乙醇清洗TC4钛合金试样；

(2)将的TC4钛合金试样置入置氢炉中，抽真空到1×10^-3Pa，以约5－ 15℃/min的速度加热至750℃，保温8min，充入氢气的流量为1L/min，保温2hrs，以5 －10℃/min的速度冷却至室温，即得到置氢TC4钛合金试样；

(3)将FR5玻璃润滑剂涂敷在置氢TC4钛合金热模拟压缩试样表面，选取自然氢(供 应态)、置氢量0.4wt％，变形温度760℃、800℃、840℃、880℃、920℃，应变速率0.01 s^-1、0.1s^-1、1s^-1，最大应变0.92，在Thermecmaster-Z型热模拟试验机上进行热模拟压 缩变形实验，压缩变形实验前保温3min；

(4)根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应 力、应变数据，采用式(1)、(2)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度、应 变速率下的能量耗散率η值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率η值的计算 结果确定其应变速率范围是0.01—0.1s^-1；

$m=\frac{d\left(log\sigma \right)}{d\left(log\stackrel{·}{ϵ}\right)}---\left(1\right)$

$\eta =\frac{2m}{1+m}---\left(2\right)$

式中，σ为流动应力(MPa)，为应变速率(s^-1)，m为应变速率敏感性指数；

(5)根据步骤三的置氢量0.4wt％的TC4钛合金热模拟压缩变形实验得到的流动应 力、应变数据，采用式(1)、(3)计算置氢量0.4wt％的TC4钛合金在不同锻造温度、应 变速率下的流动失稳参数ξ值。根据置氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数ξ值的 计算结果确定其锻造温度范围是780—900℃；

$\xi =\frac{\partial log\frac{m}{1+m}}{\partial \log \stackrel{·}{ϵ}}+m---\left(3\right)$

式中，m为应变速率敏感性指数，为应变速率(s^-1)；

(6)将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片坯料放置在锻造模具内 加热到790℃，保温30min后，以10mm/min的锻造速度锻造出叶片；

(7)将置氢量0.4wt％的TC4钛合金叶片锻件清理后，置入真空炉中，抽真空到 1.0×10^-3Pa，以10℃/min的速度加热至700－750℃，保温3hrs，以10℃/min速度冷却 至室温进行除氢；

(8)对置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片进行室温和高温拉伸试样取样与拉伸 性能测试。

图1是实施例中置氢量0.4wt％的TC4钛合金能量耗散率图，图2是实施例中置 氢量0.4wt％的TC4钛合金流动失稳参数图。从表1中可以看出，置氢量0.4wt％的 TC4钛合金锻造叶片的室温抗拉强度为1060MPa，与国家标准(895MPa)相比高出 18.44％；置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的室温屈服强度为995MPa，与国家 标准(825MPa)相比高出20.61％；置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的400℃抗拉 强度为710MPa，比国家标准(600MPa)相比高出18.33％。

表1TC4钛合金锻造叶片的拉伸强度

实施例二、置氢量0.4wt％的TC4钛合金的锻造工艺参数优化。

与实施例一中步骤(6)不同的是将同尺寸TC4钛合金叶片坯料放置在锻造模具内 加热到820℃，保温30min后，以10mm/min的锻造速度锻造出叶片；

表2TC4钛合金锻造叶片的拉伸强度

从表2中可以看出，置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶片的室温抗拉强度为 1065MPa，比国家标准(895MPa)高出18.99％；置氢量0.4wt％的TC4钛合金锻造叶 片的室温屈服强度为1000MPa，比国家标准(825MPa)高出21.21％；置氢量0.4wt％ 的TC4钛合金锻造叶片的400℃抗拉强度为710MPa，比国家标准(600MPa)高出 18.33％。上述测试结果说明，本发明通过优化置氢TC4钛合金的锻造工艺参数，达到 了提高置氢TC4钛合金锻造叶片力学性能的目的。