阅读说明：本技术 一种大规格ta15钛合金异形锻坯的锻造方法 (Forging method of large-size TA15 titanium alloy special-shaped forging stock ) 是由 郝芳 许恩恩 张慧杰 樊彦杰 雷锦文 王凯旋 楼美琪 杜予咺 刘向宏 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法,包括以下步骤：步骤1、开坯锻造,步骤2、细晶化处理,步骤3、中间坯锻造,步骤4、成型锻造。本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法,通过对锻造火次和变形温度的合理配置、变形方式和成型方法的优化、锻造时的压下量和送进量等参数的合理设置,有效提高了锻坯的组织均匀性,使锻坯的探伤水平达到Φ2.0-9dB以上,同时减小了锻坯的各向异性。成功突破了TA15钛合金大规格异形锻坯的组织性能均匀性和稳定性控制技术,获得了各项技术指标满足要求的大规格异形锻坯制备技术。本发明生产效率高、可操作性强,适合大规模工业化生产。(The invention discloses a forging method of a large-size TA15 titanium alloy special-shaped forging stock, which comprises the following steps: step 1, cogging and forging, step 2, grain refining, step 3, forging of an intermediate blank, and step 4, forming and forging. The forging method of the large-size TA15 titanium alloy special-shaped forging stock effectively improves the tissue uniformity of the forging stock, enables the flaw detection level of the forging stock to reach phi 2.0-9dB above and simultaneously reduces the anisotropy of the forging stock by reasonably configuring the forging heat and deformation temperature, optimizing the deformation mode and the forming method and reasonably setting the parameters such as the reduction and feeding amount during forging. The method successfully breaks through the structural property uniformity and stability control technology of the TA15 titanium alloy large-size special-shaped forging stock, and obtains the large-size special-shaped forging stock preparation technology with various technical indexes meeting the requirements. The method has high production efficiency and strong operability, and is suitable for large-scale industrial production.)

一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法

技术领域

本发明属于有色金属加工方法技术领域，具体涉及一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法。

背景技术

TA15钛合金(名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)，是一种典型的近α型钛合金，其相变点一般在980～1000℃之间，TA15钛合金具有较好的室温强度和高温强度、良好的热稳定性和焊接性能，较高的比强度、抗蠕变性和耐腐蚀性。TA15钛合金主要应用于航空装备的关键承力构件，如机身上的承力框、梁等，这些关键承力构件是飞机的“脊梁”，对保障航空装备发展和能力形成具有重要作用。

随着我国航空工业设计和制造技术的不断发展，以及特大吨位重型装备的相继投产，对新型飞机的结构件进一步轻量化和构件整体化提出更高、更新的要求，其中TA15作为飞机主要承力件整体框就需要更大的规格的“凸”字形结构大规格锻坯，这种大型的整体框的研制能进一步减重，去除焊接工序，提高生产效率，同时提高整体结构的稳定性，对航空工业的发展具有非常重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法，有效的提高了锻坯的组织均匀性，同时减小了锻坯的各向异性。

本发明所采用的技术方案是：一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法，包括以下步骤：

步骤1、开坯锻造：

将TA15钛合金铸锭进行多火次开坯锻造，开坯温度1000-1200℃，保温240-300min，每火次出炉后对铸锭进行锻造变形，总锻比控制在18-30之间，得到坯料后空冷至室温，进行表面清伤处理；

步骤2、细晶化处理：

将经步骤1处理后的坯料在相变点以下30-70℃加热保温300-420min，进行一火次锻造变形；然后在相变点以上30-50℃加热保温210-300min，进行一火次锻造变形，总锻比控制在12-16之间，锻造结束后转入循环水箱冷却，坯料冷却至室温后进行表面清伤处理；

步骤3、中间坯锻造：

将经步骤2处理后的坯料在相变点以下20-40℃加热保温240-360min，进行一火次或两火次锻造变形；然后在相变点以下30-50℃加热保温240-360min，进行多火次锻造，总锻比控制在25-35之间，锻造结束后冷却至室温，进行表面清伤处理；

步骤4、成型锻造：

将经步骤3处理后的坯料在相变点以下30-50℃加热保温240-360min，进行一火次锻造变形；然后在相变点以下40-70℃加热保温180-240min，进行多火次锻造，总锻比控制在3.9-5.4之间，锻后采用空冷即得。

本发明的特点还在于，

步骤1中TA15钛合金铸锭开坯锻造的火次数为三火次或四火次。

步骤2中坯料在相变点以下进行一火次锻造变形的锻比在6-8之间。

步骤2中坯料在相变点以上进行一火次锻造变形的锻比在4-8之间。

步骤2中锻造结束后转入循环水箱冷却的转移时间不大于120s，冷却水温不高于80℃。

步骤3中一火次或两火次锻造变形的锻比控制在每火次6-8之间。

步骤3中多火次锻造的火次数为三火次或四火次，每火次锻比在6-7之间。

步骤4中一火次锻造变形的锻比为1.5。

步骤4中多火次锻造的火次数为两火次或三火次，每火次锻比在1.2-1.3之间。

本发明的有益效果是：本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法，通过对锻造火次和变形温度的合理配置、变形方式和成型方法的优化、锻造时的压下量和送进量等参数的合理设置，有效提高了锻坯的组织均匀性，使锻坯的探伤水平达到Φ2.0-9dB以上，同时减小了锻坯的各向异性。成功突破了TA15钛合金大规格异形锻坯的组织性能均匀性和稳定性控制技术，获得了各项技术指标满足要求的大规格异形锻坯制备技术。本发明生产效率高、可操作性强，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1a)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例1得到的锻坯节号-1高倍组织图；

图1b)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例1得到的锻坯节号-2高倍组织图；

图1c)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例1得到的锻坯节号-3高倍组织图；

图2a)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例2得到的锻坯节号-1高倍组织图；

图2b)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例2得到的锻坯节号-2高倍组织图；

图2c)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例2得到的锻坯节号-3高倍组织图；

图3a)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例3得到的锻坯节号-1高倍组织图；

图3b)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例3得到的锻坯节号-2高倍组织图；

图3c)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例3得到的锻坯节号-3高倍组织图；

图4a)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例4得到的锻坯节号-1高倍组织图；

图4b)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例4得到的锻坯节号-2高倍组织图；

图4c)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例4得到的锻坯节号-3高倍组织图；

图5a)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例5得到的锻坯节号-1高倍组织图；

图5b)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例5得到的锻坯节号-2高倍组织图；

图5c)是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例5得到的锻坯节号-3高倍组织图；

图6是本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法中实施例1-5得到的锻坯力学性能数据对比图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法，轮廓尺寸为(80～200)×(700～900)×(1500～3500)mm，为“凸”字形结构，包括以下步骤：

步骤1、开坯锻造：

将TA15钛合金铸锭进行三火次或四火次开坯锻造，开坯温度1000-1200℃，保温240-300min，每火次出炉后对铸锭进行锻造变形，总锻比控制在18-30之间，得到坯料后空冷至室温，进行表面清伤处理；

步骤2、细晶化处理：

将经步骤1处理后的坯料在相变点以下30-70℃加热保温300-420min，进行一火次锻造变形，锻比在6-8之间；然后在相变点以上30-50℃加热保温210-300min，进行一火次锻造变形，锻比在4-8之间，总锻比控制在12-16之间，锻造结束后转入循环水箱冷却，转移时间不大于120s，冷却水温不高于80℃，坯料冷却至室温后进行表面清伤处理；

步骤3、中间坯锻造：

将经步骤2处理后的坯料在相变点以下20-40℃加热保温240-360min，进行一火次或两火次锻造变形，锻比控制在每火次6-8之间；然后在相变点以下30-50℃加热保温240-360min，进行三火次或四火次锻造，每火次锻比在6-7之间，总锻比控制在25-35之间，锻造结束后冷却至室温，进行表面清伤处理；目的是使坯料粗大、片状的α相变成细小等轴化。

步骤4、成型锻造：

将经步骤3处理后的坯料在相变点以下30-50℃加热保温240-360min，进行一火次锻造变形，锻比为1.5；然后在相变点以下40-70℃加热保温180-240min，进行两火次或三火次锻造，每火次锻比在1.2-1.3之间，总锻比控制在3.9-5.4之间，锻后采用空冷即得。成型过程采用小送进量小变形量的操作方式，充分保证锻坯均匀变形。在锻造过程中工模具的选用及变形量的控制应尽量避免物料表面裂纹产生，直至完成成品锻造。

通过上述方式，本发明一种大规格TA15钛合金异形锻坯的锻造方法采用“高低高低”循环锻造工艺。首先对初生α相含量较高的TA15钛合金铸锭，在相变点以上的高温β区多次反复镦粗拔长，使力学性能较差的铸态组织得到充分破碎，在足够大的变形量下，大型铸锭的组织均匀性和方向性得到了改善。然后在相变点以下采用合适的温度和变形量，锻造细化和均匀化α晶粒，再通过相变点以上，镦粗拔长相结合，利用相变重结晶原理，形核生成新的β晶粒，获得均匀细小的理想初始状态，为后续相变点以下，晶粒的细化和组织的均匀提供理想的平台。最后在α+β两相区变形，使得粗大、片状的α相变成细小的等轴初生α相，同时在成型关键工序控制加热温度在较窄范围内，采用小变形量多道次快速变形，防止锻坯变形不均匀，阻止表面裂纹的产生，避免产生心部过烧现象，影响物料的组织性能。通过在对锻造火次和变形温度的合理配置、变形方式和成型方法的优化、锻造时的压下量和送进量的合理设置，有效的提高了锻坯的组织均匀性，获得的大规格异形锻坯的探伤水平达到Φ2.0-9dB以上，高低倍组织均匀，普通退火后锻坯的力学性能均能满足相应的标准要求。

实施例1～3炉批坯料，金相法测定相变点均为1000℃。

实施例1

步骤1、开坯锻造

采用Ф920mm的TA15钛合金铸锭，铸锭重量为2350kg，开坯第1火温度1200℃，保温300min，出炉对铸锭进行锻造变形，锻比为6；第2火温度1120℃，保温240min，出炉变形，锻比为6，第3火温度1080℃，保温240min，出炉变形，锻比为8。本工序总锻比为20。获得的坯料最小边长500mm，空冷至室温，进行表面清伤处理。

步骤2、细晶化处理

在Tβ(相变点)以下40℃加热保温420min，进行1火次锻造，锻比为8，然后在Tβ(相变点)以上30℃加热保温240min，进行1火次锻造，锻比为4。本工序总锻比为12，坯料最小边长为450mm，锻造结束后立即转入循环水箱冷却，坯料冷却至室温后进行表面清伤处理。

步骤3、中间坯锻造

在Tβ(相变点)以下40℃加热保温240min，进行2火次锻造，锻比为6，然后在Tβ(相变点)以下50℃加热保温240min，进行3火次锻造，每火次锻比为7，本工序总锻比为33，获得单边厚度为380mm的坯料，锻造结束后冷却至室温，进行表面清伤处理，为成型火次做好准备。

步骤4、成型锻造

坯料在Tβ(相变点)以下50℃加热保温300min，进行1火次锻造，锻比为1.5，坯料在Tβ(相变点)以下70℃加热保温180min，进行2火次锻造，锻比为1.3，本工序总锻比为4.1，成型过程尺寸逐渐减少，获得的锻坯的成品最大轮廓尺寸为160×780×3500mm，锻后采用空冷。

实施例2

步骤1、开坯锻造

采用Ф920mm的TA15钛合金铸锭，铸锭重量为2300kg，开坯第1火温度1200℃，保温300min，出炉对铸锭进行锻造变形，锻比为6；第2火温度1120℃，保温240min，出炉变形，锻比为8，第3火温度1080℃，保温240min，出炉变形，锻比为8。第4火温度1000℃，保温300min，出炉变形，锻比为8。本工序总锻比为30。获得的坯料最小边长480mm，空冷至室温，进行表面清伤处理。

步骤2、细晶化处理

在Tβ(相变点)以下50℃加热保温360min，进行1火次锻造，锻比为8，然后在Tβ(相变点)以上50℃加热保温300min，进行1火次锻造，锻比为8。本工序总锻比为16，坯料最小边长为480mm，锻造结束后立即转入循环水箱冷却，坯料冷却至室温后进行表面清伤处理。

步骤3、中间坯锻造

在Tβ(相变点)以下20℃加热保温360min，进行1火次锻造，锻比为8，然后在Tβ(相变点)以下30℃加热保温300min，进行4火次锻造，每火次锻比为6.5，本工序总锻比为34，获得单边厚度为380mm的坯料，锻造结束后冷却至室温，进行表面清伤处理，为成型火次做好准备。

步骤4、成型锻造

坯料在Tβ(相变点)以下40℃加热保温360min，进行1火次锻造，锻比为1.5，坯料在Tβ(相变点)以下40℃加热保温210min，进行2火次锻造，锻比为1.2，本工序总锻比为3.9，成型过程尺寸逐渐减少，获得的锻坯的成品最大轮廓尺寸为140×860×3400mm，锻后采用空冷。

实施例3

步骤1、开坯锻造

采用Ф920mm的TA15钛合金铸锭，铸锭重量为1500kg，开坯第1火温度1170℃，保温270min，出炉对铸锭进行锻造变形，锻比为6；第2火温度1120℃，保温300min，出炉变形，锻比为8，第3火温度1030℃，保温240min，出炉变形，锻比为8。本工序总锻比为22。获得的坯料最小边长450mm，空冷至室温，进行表面清伤处理。

步骤2、细晶化处理

在Tβ(相变点)以下70℃加热保温300min，进行1火次锻造，锻比为8，然后在Tβ(相变点)以上30℃加热保温210min，进行1火次锻造，锻比为7。本工序总锻比为15，坯料最小边长为450mm，锻造结束后立即转入循环水箱冷却，坯料冷却至室温后进行表面清伤处理。

步骤3、中间坯锻造

在Tβ(相变点)以下30℃加热保温360min，进行1火次锻造，锻比为8，然后在Tβ(相变点)以下40℃加热保温360min，进行3火次锻造，每火次锻比为7，本工序总锻比为29，获得单边厚度为400mm的坯料，锻造结束后冷却至室温，进行表面清伤处理，为成型火次做好准备。

步骤4、成型锻造

坯料在Tβ(相变点)以下50℃加热保温240min，进行1火次锻造，锻比为1.5，坯料在Tβ(相变点)以下50℃加热保温180min，进行3火次锻造，锻比为1.3，本工序总锻比为5.4，成型过程尺寸逐渐减少，获得的锻坯的成品最大轮廓尺寸为80×830×2100mm，锻后采用空冷。

实施例4和5的坯料，金相法测定相变点分别为均为995℃。

实施例4

步骤1、开坯锻造

采用Ф920mm的TA15钛合金铸锭，铸锭重量为2200kg，开坯第1火温度1170℃，保温300min，出炉对铸锭进行锻造变形，锻比为4；第2火温度1120℃，保温240min，出炉变形，锻比为6，第3火温度1030℃，保温240min，出炉变形，锻比为8。本工序总锻比为18。获得的坯料最小边长470mm，空冷至室温，进行表面清伤处理。

步骤2、细晶化处理

在Tβ(相变点)以下30℃加热保温420min，进行1火次锻造，锻比为7，然后在Tβ(相变点)以上40℃加热保温240min，进行1火次锻造，锻比为8。本工序总锻比为15，坯料最小边长为470mm，锻造结束后立即转入循环水箱冷却，坯料冷却至室温后进行表面清伤处理。

步骤3、中间坯锻造

在Tβ(相变点)以下20℃加热保温300min，进行1火次锻造，锻比为7，然后在Tβ(相变点)以下30℃加热保温240min，进行3火次锻造，每火次锻比为6，本工序总锻比为25，获得单边厚度为400mm的坯料，锻造结束后冷却至室温，进行表面清伤处理，为成型火次做好准备。

步骤4、成型锻造

坯料在Tβ(相变点)以下30℃加热保温300min，进行1火次锻造，锻比为1.5，坯料在Tβ(相变点)以下40℃加热保温240min，进行2火次锻造，锻比为1.25，本工序总锻比为4，成型过程尺寸逐渐减少，获得的锻坯的成品最大轮廓尺寸为160×780×3500mm，锻后采用空冷。

实施例5

步骤1、开坯锻造

采用Ф920mm的TA15钛合金铸锭，铸锭重量为2100kg，开坯第1火温度1200℃，保温300min，出炉对铸锭进行锻造变形，锻比为6；第2火温度1120℃，保温240min，出炉变形，锻比为8，第3火温度1080℃，保温240min，出炉变形，锻比为8。第4火温度1020℃，保温300min，出炉变形，锻比为8。本工序总锻比为30。获得的坯料最小边长460mm，空冷至室温，进行表面清伤处理。

步骤2、细晶化处理

在Tβ(相变点)以下50℃加热保温300min，进行1火次锻造，锻比为8，然后在Tβ(相变点)以上30℃加热保温210min，进行1火次锻造，锻比为8。本工序总锻比为16，坯料最小边长为460mm，锻造结束后立即转入循环水箱冷却，坯料冷却至室温后进行表面清伤处理。

步骤3、中间坯锻造

在Tβ(相变点)以下30℃加热保温240min，进行1火次锻造，锻比为7，然后在Tβ(相变点)以下50℃加热保温240min，进行4火次锻造，每火次锻比为7，本工序总锻比为35，获得单边厚度为360mm的坯料，锻造结束后冷却至室温，进行表面清伤处理，为成型火次做好准备。

步骤4、成型锻造

坯料在Tβ(相变点)以下30℃加热保温240min，进行1火次锻造，锻比为1.5，坯料在Tβ(相变点)以下40℃加热保温240min，进行2火次锻造，锻比为1.3，本工序总锻比为4.1，成型过程尺寸逐渐减少，获得的锻坯的成品最大轮廓尺寸为140×860×3400mm，锻后采用空冷。

结果分析

实施例1～5的锻坯高倍组织见附图1～5，由图1-5可知，锻坯显微组织均匀，初生α相尺寸约10μm～20μm，含量在45～65％之间，等轴化程度良好；次生α相分布均匀，厚度约为1.2μm。实施例1～5的力学性能数据见附图6。由附图6的测试结果可知，采用本发明的锻造工艺技术生产的TA15钛合金大规格异形锻坯组织和性能均匀，超声波探伤达到了较高的水平Φ2.0-9dB以上，满足技术相应的技术条件要求，并且具有良好的批次稳定性。目前已完成了多批次锻件的制备，各项性能均满足技术要求，稳定性良好。这表明锻坯制备工艺合理可行，为实现锻坯锻件“控形控性”一体化技术奠定了良好的基础。