叶片用高均匀TC11合金棒材的制备方法

摘要

叶片用高均匀TC11合金棒材的制备方法，取经过开坯锻造和两相区锻造的TC11钛合金精锻坯，在相变点以下加热，采用精锻机一火多道次精锻为中间精锻坯；将中间精锻坯在相变点以下加热空烧后，实现中间精锻坯的组织均匀性的改善；再将组织均匀的中间精锻坯在相变点以下加热，采用精锻机一火多道次精锻为成品棒材或将精锻坯料切头、下料制备成轧制坯料；再将精锻成品棒材在相变点以下加热空烧后，实现高均匀叶片用TC11精锻棒材的制备或将轧制坯料在相变点以下加热，采用横列式热轧机一火多道次轧制得到高均匀叶片用TC11轧制棒材。最终获得的叶片用TC11合金精锻和轧制棒材横向高倍边、心部组织均匀一致，性能稳定符合相应材料标准要求，且批次一致性良好，实现了发动机对叶片用TC11合金棒材的高品质要求。

说明书

技术领域

本发明属于钛合金加工技术领域，具体涉及一种叶片用高均匀TC11合金棒材的制备方法。

背景技术

TC11合金名义成分：Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，是一种综合性能良好的α+β型热强钛合金，在500℃下具有良好的热加工工艺性。主要用于制作航空发动机的压气机盘、叶片、鼓筒等零件。叶片用TC11合金棒材常用的加工方法是通过精锻和轧制方式在α+β区热变形和α+β区热处理来获得满足叶片用500℃高温长期工作需求。

精锻的变形是由外表面向内的逐层变形，棒材外表面变形剧烈，心部变形相对较弱，最终各道次叠加后会导致精锻棒材横向组织的不均匀。表现为棒材横向边部初生α相含量少，均为球化较好的等轴组织，心部初生α相含量多，均为短棒状组织。

相比于锻造速度较慢的精锻变形，轧制变形是通过各道次截面形状的改变来实现棒料的延展，属于剧烈快速变形。轧制变形表现为棒材心部变形剧烈，变形热大，表面变形相对较弱，变形热较小，剧烈快速的变形使各道次产生的加工热无法均匀传导，导致最终TC11合金棒材出现横向组织的不均匀。表现为棒材横向边部初生α相含量多，心部初生α相含量少，但边、心部初生α相形态一致，均为球化组织和短棒组织的混合组织。

通过以上两种常用加工方式获得的TC11合金棒材存在的组织不均匀现象严重影响发动机叶片的使用和服役寿命。

发明内容

本发明的目的是解决目前常规精锻和轧制导致的TC11合金组织不均匀问题的叶片用高均匀TC11合金棒材的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

步骤1，棒材一火精锻：

取经过开坯锻造和两相区锻造的TC11钛合金精锻坯，在相变点以下加热，采用精锻机一火多道次精锻为中间精锻坯；

步骤2，中间坯均匀化处理：

将步骤1得到的中间精锻坯在相变点以下加热空烧改善中间精锻坯的组织均匀性；

步骤3，棒材的成品精锻或轧制坯料制备：

对经步骤2制备的均匀中间坯在相变点以下加热，采用精锻机一火多道次精锻为成品棒材；

或将步骤2制备的均匀中间坯，进行车床切头、下料后作为轧制坯料；

步骤4，成品精锻棒材均匀化或热轧制处理：

对步骤3精锻的成品棒材在相变点以下加热空烧后，改善成品棒材的组织均匀性得到叶片用高均匀TC11合金棒材；

或将步骤3制备的轧制坯料，置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下加热，采用400横列式热轧机一火多道次轧制得到叶片用高均匀TC11合金棒材。

所述步骤1的TC11钛合金精锻坯：取经过相变点以上150℃～200℃高温开坯锻造和相变点以下40℃～80℃两相区充分锻造变形得到的典型双态组织，其中初生α为球状，含量大于60％的TC11钛合金精锻坯。

所述步骤1将TC11钛合金精锻坯置于步进式电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热。

所述步骤1的一火多道次精锻的道次为3～5道次，每道次变形量为7％～25％，精锻一火次累计变形量为58％～75％。

所述步骤2是将一火精锻至Φ55mm～Φ65mm中间精锻坯置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热进行空烧40min～90min后空冷。

所述步骤3的棒材的成品精锻是将经步骤2制备出的组织均匀的Φ55mm～Φ65mm中间精锻坯按照长度进行二次火割下料，下料后再置于步进式电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热，采用SKK-10精锻机一火次精锻至Φ27mm～Φ42mm规格，成品精锻道次为3～5道次，每道次变形量为7％～25％，成品精锻火次累计变形量为53％～75％。

所述步骤4成品精锻棒材均匀化处理是将步骤3制备的精锻棒材置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃空烧处理40min～90min后空冷得到叶片用高均匀TC11合金棒材。

所述步骤4棒材的热轧制是将经步骤3制备的热轧坯料在相变点以下70℃～100℃加热进行一火轧制，一火轧制道次为5～9道次，轧制过程中各道次间停留为4s～12s，每道次变形量为7％～18％，轧制一火次累计变形量为70％～95％。叶片用高均匀TC11合金精锻棒材的制备方法的发明有益效果是，通过对中间坯料精锻和成品精锻后的棒材采用与精锻加热相同的温度进行均匀化空烧处理，可以获得横向边、心部组织更为均匀的叶片用TC11合金精锻棒材，满足发动机叶片对高均匀棒材的需求。

本发明还通过在高均匀精锻棒材的基础上，采用比精锻温度低20℃的温度作为轧制加热温度，在轧制过程中实现各个道次间的时间停留，使得轧制变形热有足够的时间扩散，保证每道次轧前温度场的均匀，从而获得横向边、心部组织更为均匀的叶片用TC11合金轧制棒材，满足发动机叶片对高均匀棒材的需求。

附图说明

图1是本发明制备的叶片用TC11合金高均匀精锻棒材边、心部高、低倍组织；

图2是本发明制备的叶片用TC11合金高均匀轧制棒材边、心部高、低倍组织；

图3是本发明制备的叶片用TC11合金高均匀精锻和轧制棒材热处理后的室温抗拉强度及屈服强度；

图4是本发明制备的叶片用TC11合金高均匀精锻和轧制棒材热处理后的室温延伸率及断面收缩率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

步骤1，棒材一火精锻：

取经过相变点以上150℃～200℃高温开坯锻造和相变点以下40℃～80℃两相区充分锻造变形得到的典型双态组织，其中初生α为球状，含量大于60％的TC11钛合金Φ85mm精锻坯，在相变点以下40℃～80℃加热，采用SKK-10精锻机一火精锻至Φ55mm中间精锻坯，精锻道次为5道次，每道次变形量为15％；

步骤2，中间坯均匀化处理：

将步骤1得到的中间精锻坯置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热进行空烧60min后空冷，改善中间精锻坯组织均匀性的同时保证产品性能，同时利用余热进行在线辊式矫直；

步骤3，棒材的成品精锻：

经步骤2制备出的组织均匀的Φ55mm中间精锻坯切除端头缩尾后，按照长度进行二次火割下料，下料后再置于步进式电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热，采用SKK-10精锻机一火次精锻至Φ27mm规格，成品精锻道次为5道次，每道次变形量为13％，精锻后的棒材利用余热进行在线辊式矫直；

步骤4，成品精锻棒材均匀化处理：

对步骤3精锻的成品棒材置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃空烧处理60min后空冷，改善成品棒材的组织均匀性得到叶片用高均匀TC11合金棒材；

实施例2

步骤1，棒材一火精锻：

取经过相变点以上150℃～200℃高温开坯锻造和相变点以下40℃～80℃两相区充分锻造变形得到的典型双态组织，其中初生α为球状，含量大于60％的的TC11钛合金Φ95mm精锻坯，在相变点以下40℃～80℃加热，采用SKK-10精锻机一火精锻至Φ65mm中间精锻坯，精锻道次为5道次，每道次变形量为15％；

步骤2，中间坯均匀化处理：

将步骤1得到的中间精锻坯置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热进行空烧60min后空冷，改善中间精锻坯组织均匀性的同时保证产品性能，同时利用余热进行在线辊式矫直；

步骤3，棒材的成品精锻：

经步骤2制备出的组织均匀的Φ65mm中间精锻坯切除端头缩尾后，按照长度进行二次火割下料，下料后再置于步进式电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热，采用SKK-10精锻机一火次精锻至Φ42mm规格，成品精锻道次为3道次，每道次变形量为19％，精锻后的棒材利用余热进行在线辊式矫直；

步骤4，成品精锻棒材均匀化或热轧制处理：

对步骤3精锻的成品棒材置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃空烧处理60min后空冷，改善成品棒材的组织均匀性得到叶片用高均匀TC11合金棒材。

图1是采用本发明制备得到的叶片用TC11合金高均匀精锻棒材的横向边部、心部高倍组织，从图中可以看出本发明制备得到的TC11合金精锻棒材的横向边部、心部高倍组织细小均匀，满足叶片用TC11合金高均匀精锻棒材的应用要求。图3、图4是本发明制备得到的叶片用TC11合金高均匀精锻棒材经950℃/1h，AC+530℃/6h，AC热处理后的室温力学性能，从图3、图4中可以看出其各项力学性能一致、稳定，符合相应标准要求。

实施例3

步骤1，棒材一火精锻：

取经过相变点以上150℃～200℃高温开坯锻造和相变点以下40℃～80℃两相区充分锻造变形得到的典型双态组织，其中初生α为球状，含量大于60％的的TC11钛合金Φ85mm精锻坯，在相变点以下40℃～80℃加热，采用SKK-10精锻机一火精锻至Φ45mm中间精锻坯，精锻道次为5道次，每道次变形量为15％；

步骤2，中间坯均匀化处理：

将步骤1得到的中间精锻坯置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热进行空烧40min后空冷，改善中间精锻坯组织均匀性的同时保证产品性能，同时利用余热进行在线辊式矫直；

步骤3，棒材的成品轧制：

将步骤2将制备的Φ45mm均匀中间坯，进行车床切头、按照L＝490mm～580mm进行下料后作为轧制坯料；

步骤4，成品热轧制处理：

将步骤3轧制的坯料，置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下70℃～100℃加热，采用400横列式热轧机一火5道次轧制，轧制过程中各道次间停留为4s，每道次变形量为7％～18％，轧制一火次累计变形量为81％得到叶片用高均匀TC11合金棒材。

实施例4

步骤1，棒材一火精锻：

取经过相变点以上150℃～200℃高温开坯锻造和相变点以下40℃～80℃两相区充分锻造变形得到的典型双态组织，其中初生α为球状，含量大于60％的的TC11钛合金Φ95mm精锻坯，在相变点以下40℃～80℃加热，采用SKK-10精锻机一火精锻至Φ65mm中间精锻坯，精锻道次为5道次，每道次变形量为15％；

步骤2，中间坯均匀化处理：

将步骤1得到的中间精锻坯置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下40℃～80℃加热进行空烧90min后空冷，改善中间精锻坯组织均匀性的同时保证产品性能，同时利用余热进行在线辊式矫直；

步骤3，棒材的成品轧制：

将步骤2将制备的Φ65mm均匀中间坯进行车床切头、按照L＝490mm～580mm进行下料后作为轧制坯料；

步骤4，成品热轧制处理：

将步骤3轧制的成品棒材坯料，置于箱式热处理电阻炉中，在相变点以下70℃～100℃加热，采用400横列式热轧机一火9道次轧制，轧制过程中各道次间停留为12s，每道次变形量为7％～18％，轧制一火次累计变形量为85％得到叶片用高均匀TC11合金棒材。

图2是采用本发明制备得到的叶片用TC11合金高均匀轧制棒材的横向边部、心部高倍组织，从图中可以看出本发明制备得到的TC11合金轧制棒材的横向边部、心部高倍组织细小均匀，满足叶片用TC11合金高均匀轧制棒材的应用要求。图3、图4是本发明制备得到的叶片用TC11合金高均匀轧制棒材经950℃/1h，AC+530℃/6h，AC热处理后的室温力学性能，从图3、图4中可以看出其各项力学性能一致、稳定，符合相应标准要求。