一种TC6钛合金大规格棒材的制备方法

摘要

本发明公开了一种TC6钛合金大规格棒材的制备方法，包括以下步骤：一、将钛合金铸锭拔方开坯锻造；二、分切下料，然后进行第一次拔长滚圆锻造；三、分切下料，然后进行第二次拔长滚圆锻造；四、进行固溶热处理和时效热处理，得到横截面直径100mm～210mm，长度2000mm～4000mm的TC6钛合金大规格棒材。本发明通过一火次的拔方开坯锻造，破碎铸锭中粗大的铸态组织，减少了锻造的火次数，通过在相转变温度之上进行一火次拔长滚圆锻造和在相转变温度之下进行二至三火次拔长滚圆锻造，有效破碎长条组织，进一步细化组织，解决了常规大规格钛合金加工制备效率低、流程长的缺点，有效的减少了大规格钛合金加工时的锻造火次。

说明书

技术领域

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种TC6钛合金大规格棒材的制备方法。

背景技术

TC6钛合金是一种综合性能良好的马氏体型α-β两相钛合金，其名义成分为Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si，含有α稳定元素Al、同晶型β稳定元素Mo和共析型β稳定元素Cr、Fe和Si。TC6钛合金具有较高的室温强度，而且在450℃以下有良好的热强性能。该合金还具有优良的热加工工艺性能，变形抗力小，塑性高。TC6合金主要用来制造航空发动机的压气机盘和叶片等零件，该合金还可作为中强合金用来制造飞机的隔框、接头等承力结构件及不同用途的紧固件。生产的半成品主要有棒材、锻件及模锻件等。

国内已经用TC6钛合金制备了不同类型及规格的棒材和锻件，已能满足我国某些型号飞行器承力结构件和紧固件的需要。但随着我国航空、航天工业的不断发展，对TC6钛合金大规格加工材的需求日益迫切。大规格棒材由于尺寸大，坯料锻透性差，为保证棒材的组织均匀性，需多火次多方向反复镦拔，因此大规格TC6棒材的制备难度更高，为了解决TC6钛合金大规格加工材的组织均匀性问题，目前采用相变点以上和相变点以下相结合进行多火次镦拔后再成型锻造的方法，以保证TC6成品加工材的组织和性能满足要求。这种方法锻造火次多、制备流程长，火次修磨量大，因此生产效率和成材率均较低。为了解决高质量TC6钛合金大规格加工材的制备难题，满足航天、航空工业特的发展要求，亟需研制出一种新的TC6钛合金大规格棒材的制备方法。

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TC6钛合金大规格棒材的制备方法。该方法通过将TC6钛合金铸锭进行一火次的拔方开坯锻造，破碎TC6钛合金铸锭中粗大的铸态组织，减少了TC6钛合金铸锭后续锻造的火次数，通过在相转变温度之上进行一火次拔长滚圆锻造和在相转变温度之下进行二至三火次拔长滚圆锻造，有效破碎长条组织，进一步细化组织，制备了横截面直径为100mm～210mm，长度为2000mm～4000mm的TC6钛合金大规格棒材，解决了常规大规格钛合金加工制备效率低、流程长的缺点，有效地减少了大规格钛合金加工时的锻造火次。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TC6钛合金铸锭进行一火次的拔方开坯锻造，得到初级方坯；

步骤二、将步骤一中所述初级方坯分切下料，然后将分切下料后的初级方坯在始锻温度为(Tβ+30)℃～(Tβ+50)℃的条件下进行一火次的第一次拔长滚圆锻造，得到中间坯料；所述Tβ为TC6钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；

步骤三、将步骤二中所述中间坯料分切下料，然后将分切下料后的中间坯料在始锻温度为(Tβ-30)℃～(Tβ-50)℃的条件下进行二火次～三火次的第二次拔长滚圆锻造，得到成品棒材；

步骤四、将步骤三中所述成品棒材依次进行固溶热处理和时效热处理，得到TC6钛合金大规格棒材；所述大规格棒材为横截面直径100mm～210mm，长度2000mm～4000mm的圆柱形棒材；所述固溶热处理的条件为：在温度为(Tβ-10)℃～(Tβ-20)℃的条件下保温1h～3h，所述时效热处理的条件为：在温度为500℃～650℃的条件下保温2h～6h。

本发明由于需要制备大规格的棒材，越是大规格的材料，越需要多火次的镦拔锻造，以获得均匀、细小的显微组织，本发明通过将TC6钛合金铸锭进行一火次的拔方开坯锻造，破碎TC6钛合金铸锭中粗大的铸态组织，提供了较大的变形量，减少了TC6钛合金铸锭后续锻造的火次数，提高了生产效率，由于TC6钛合金有两种同素异构体，高于相转变温度Tβ时，为体心立方晶格结构的β相，低于相转变温度Tβ时，为密排六方晶格结构的α相，密排六方晶格中的滑移系数目有限，塑性变形困难，当温度超过Tβ时，全部转变为体心立方晶格结构的β相，滑移系数目增多，其可锻性大大提高，因此本发明在相转变温度之上30℃～50℃进行拔长滚圆锻造的目的是进一步细化组织，温度过高会导致组织变的粗大，过低则引起坯料严重开裂，通过拔长滚圆锻造，锻透性较好，变形能渗透到中心，与大变形量配合，可有效破碎长条组织，在相转变温度之下30℃～50℃进行二至三火次拔长滚圆锻造的目的是进一步均匀细化组织，温度过高会导致组织变的粗大，过低则引起坯料严重开裂；

本发明通过固溶热处理和时效热处理，提高了TC6钛合金大规格棒材的力学性能，TC6钛合金固溶热处理要求在相图中两相区的上部，接近相变点的位置进行，以确保β转变完全，但不能超过相变点，一旦温度超过相变点或保温时间过长会导致β晶粒长大，从基体中快速析出片层，这种片层组织是钛合金一般情况下所极力避免的，固溶温度过高则可能超过相转变温度，过低则达不到理想的固溶热处理效果，时效热处理的温度选择在较低的温度范围，时效温度过高和保温时间过长会导致析出的α晶粒长得过于粗大，时效温度过低和保温时间过短则会导致析出的α晶粒不充分，形成混晶组织。因此本发明在相转变温度之下10℃～20℃保温1h～3h进行固溶热处理，在温度为500℃～650℃的条件下保温2h～6h进行时效热处理，提高了TC6钛合金大规格棒材的塑性和韧性，保证了TC6钛合金大规格棒材具有组织均匀性好，强塑性匹配好的优点。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TC6钛合金铸锭为横截面直径540mm～720mm的圆柱形铸锭。本发明通过控制TC6钛合金铸锭的尺寸和形状便于后续加工的进行。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述初级方坯为边长300mm～500mm的正方形方坯。本发明通过控制初级方坯的尺寸，提供了较大的变形量，破碎了TC6钛合金铸锭中粗大的铸态组织，减少了TC6钛合金铸锭后续锻造的火次数，提高了生产效率。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述拔方开坯锻造中的始锻温度为1000℃～1150℃，锻造比为1.8～2.4。本发明通过控制始锻温度和锻造比既可以保证TC6钛合金铸锭充分的变形，破碎了TC6钛合金铸锭中粗大的铸态组织，减少了TC6钛合金铸锭后续锻造的火次数，提高了生产效率，又可以避免TC6钛合金铸锭严重开裂。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述第一次拔长滚圆锻造的锻造比为2.0～2.6。本发明通过控制锻造比，使初级方坯内部的孔隙压合，并使初级方坯拔长滚圆，提高了中间坯料的纵向和横向力学性能。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述拔长采用V型砧子进行，所述第二次拔长滚圆锻造的锻造比为2.1～3.3。本发明通过采用V型砧拔长滚圆锻造其横向拉应力可减少到0，锻透性最好，同时其难变形死区较小，通过控制锻造比，以大变形量压下，其再结晶组织为均匀细小的等轴组织，提高了成品棒材的力学性能。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述拔方开坯锻造、步骤二中所述第一次拔长滚圆锻造和步骤三中所述第二次拔长滚圆锻造中的压下率均为15％～40％。本发明通过控制压下率，防止了压下率过小无法破碎坯料组织，导致的成品棒材组织不均匀的不足，防止了压下率过大导致的坯料表面裂纹过大，甚至无法进行后续锻造的不足。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述第一次拔长滚圆锻造和步骤三中所述第二次拔长滚圆锻造后均进行表面修磨处理。本发明通过在锻造后进行表面修磨处理，因为TC6钛合金锻造过程中，由于TC6钛合金表面温度降低较快，会导致TC6钛合金表面出现裂纹，如不能在后续热加工工序进行前将坯料表面裂纹修磨干净，则会导致在后续热加工工序中裂纹继续扩大，并向坯料心部扩展，严重的会导致坯料整体报废。

上述的TC6钛合金大规格棒材的制备方法，其特征在于，步骤二和步骤三中所述分切下料均为进行2～3等分锯切。本发明通过分切下料便于后续处理的进行，提高了生产效率。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过将TC6钛合金铸锭进行一火次的拔方开坯锻造，破碎TC6钛合金铸锭中粗大的铸态组织，提供了较大的变形量，减少了TC6钛合金铸锭后续锻造的火次数，提高了生产效率，通过在相转变温度之上进行一火次拔长滚圆锻造，锻透性较好，变形能渗透到中心，与大变形量配合，可有效破碎长条组织，进一步细化组织，通过在相转变温度之下进行二至三火次拔长滚圆锻造，进一步均匀细化组织，解决了常规大规格钛合金加工制备效率低、流程长的缺点，通过设置合理的压下率，从铸锭开始进行拔长锻造，有效的减少了锻造火次。

2、本发明制备的TC6钛合金棒材为直径100mm～210mm，长度2000mm～4000mm的棒材，其组织均匀性好，晶粒细小，强塑性匹配好，各项性能均能满足标准和任务要求，可用于制造航空发动机的叶片等零件，还可作为中强合金用来制造飞机的隔框、接头等承力结构件及不同用途的紧固件，满足航天、航空工业的发展要求

3、本发明通过固溶热处理和时效热处理，提高了TC6钛合金大规格棒材的塑性和韧性，保证了TC6钛合金大规格棒材具有组织均匀性好，强塑性匹配好的优点。

4、本发明可执行性好，成材率高，产品质量优良，适于大规模工业化生产。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的TC6钛合金大规格棒材的高倍组织图。

图2为本发明实施例2制备的TC6钛合金大规格棒材的高倍组织图。

图3为本发明实施例3制备的TC6钛合金大规格棒材的高倍组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC6钛合金铸锭进行一火次的拔方开坯锻造，得到初级方坯；所述TC6钛合金铸锭为横截面直径690mm的圆柱形铸锭，所述初级方坯的横截面为边长500mm的正方形，所述拔方开坯锻造中的始锻温度为1150℃，锻造比为2.4，料宽比为1.2，压下率为15％；

步骤二、将步骤一中所述初级方坯分切下料，然后将分切下料后的初级方坯在始锻温度为(Tβ+50)℃的条件下进行一火次的第一次拔长滚圆锻造，得到中间坯料；所述Tβ为TC6钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；所述第一次拔长滚圆锻造的锻造比为2.6，料宽比为1.2，压下率为15％，所述第一次拔长滚圆锻造后进行表面修磨处理；所述中间坯料为横截面直径350mm圆柱形坯料；所述分切下料为将初级方坯进行2等分锯切；

步骤三、将步骤二中所述中间坯料分切下料，然后将分切下料后的中间坯料在始锻温度为(Tβ-30)℃的条件下进行二火次的第二次拔长滚圆锻造，得到成品棒材；所述拔长采用V型砧子进行，所述第二次拔长滚圆锻造的锻造比为2.7，料宽比为1.2，压下率为15％，所述第二次拔长滚圆锻造后进行表面修磨处理；所述分切下料为将中间坯料进行2等分锯切；

步骤四、将步骤三中所述成品棒材依次进行固溶热处理和时效热处理，得到TC6钛合金大规格棒材，所述大规格棒材为横截面直径210mm，长度4000mm的圆柱形棒材；所述固溶热处理的条件为：在温度为(Tβ-15)℃的条件下保温2h，所述时效热处理的条件为：在温度为550℃的条件下保温3h。

图1为本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材的高倍组织图，从图1中可以看出，本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材组织均匀。

经检测，本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材的R

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC6钛合金铸锭进行一火次的拔方开坯锻造，得到初级方坯；所述TC6钛合金铸锭为横截面直径720mm的圆柱形铸锭，所述初级方坯的横截面为边长410mm的正方形，所述拔方开坯锻造中的始锻温度为1100℃，锻造比为1.8，料宽比为0.8，压下率为40％；

步骤二、将步骤一中所述初级方坯分切下料，然后将分切下料后的初级方坯在始锻温度为(Tβ+40)℃的条件下进行一火次的第一次拔长滚圆锻造，得到中间坯料；所述Tβ为TC6钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；所述第一次拔长滚圆锻造的锻造比为2.0，料宽比为0.8，压下率为40％，所述锻造后均进行表面修磨处理；所述中间坯料为横截面直径327mm的圆柱形坯料；所述分切下料为将初级方坯进行2等分锯切；

步骤三、将步骤二中所述中间坯料分切下料，然后将分切下料后的中间坯料在始锻温度为(Tβ-40)℃的条件下进行二火次的第二次拔长滚圆锻造，得到成品棒材；所述拔长采用V型砧子进行，所述第二次拔长滚圆锻造的锻造比为2.1，料宽比为0.8，压下率为40％，所述第二次拔长滚圆锻造后进行表面修磨处理；所述分切下料为将中间坯料进行3等分锯切；

步骤四、将步骤三中所述成品棒材依次进行固溶热处理和时效热处理，得到TC6钛合金大规格棒材，所述大规格棒材为横截面直径140mm，长度2000mm的圆柱形棒材；所述固溶热处理的条件为：在温度为(Tβ-10)℃的条件下保温3h，所述时效热处理的条件为：在温度为500℃的条件下保温6h。

图2为本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材的高倍组织图，从图2中可以看出，本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材组织均匀。

经检测，本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材的R

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TC6钛合金铸锭进行一火次的拔方开坯锻造，得到初级方坯；所述TC6钛合金铸锭为横截面直径540mm的圆柱形铸锭，所述初级方坯的横截面为边长300mm的正方形，所述拔方开坯锻造中的始锻温度为1000℃，锻造比为2，料宽比为1，压下率为20％；

步骤二、将步骤一中所述初级方坯分切下料，然后将分切下料后的初级方坯在始锻温度为(Tβ+30)℃的条件下进行一火次的第一次拔长滚圆锻造，得到中间坯料；所述Tβ为TC6钛合金的β相转变温度，Tβ的单位为℃；所述第一次拔长滚圆锻造的锻造比为2.2，料宽比为1，压下率为20％，所述第一次拔长滚圆锻造后进行表面修磨处理；所述中间坯料为横截面直径257mm的圆柱形坯料；所述分切下料为将初级方坯进行3等分锯切；

步骤三、将步骤二中所述中间坯料分切下料，然后将分切下料后的中间坯料在始锻温度为(Tβ-50)℃的条件下进行三火次的第二次拔长滚圆锻造，得到成品棒材；所述拔长采用V型砧子进行，所述第二次拔长滚圆锻造的锻造比为3.3，料宽比为1，压下率为20％，所述第二次拔长滚圆锻造后进行表面修磨处理；所述分切下料为将中间坯料进行2等分锯切；

步骤四、将步骤三中所述成品棒材依次进行固溶热处理和时效热处理，得到TC6钛合金大规格棒材，所述大规格棒材为横截面直径100mm，长度3700mm的圆柱形棒材；所述固溶热处理的条件为：在温度为(Tβ-20)℃的条件下保温1h，所述时效热处理的条件为：在温度为650℃的条件下保温2h。

图3为本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材的高倍组织图，从图3中可以看出，本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材组织均匀。

经检测，本实施例制备的TC6钛合金大规格棒材的R

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。