一种tc32钛合金大规格棒材锻造加工方法
阅读说明：本技术 一种tc32钛合金大规格棒材锻造加工方法 (Forging processing method for TC32 titanium alloy large-size bar ) 是由 朱鸿昌 李超 樊凯 朱雪峰 陈艳 詹孝冬 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及钛合金锻造技术领域,具体公开了一种TC32钛合金大规格棒材的锻造加工方法,在开坯锻造后进行再结晶均匀化锻造,然后在β转变温度以下锻造,最后经成品锻造而成。本发明能够实现组织的精准调控,以获得所需力学性能,而且提高棒材探伤水平的一致性,获得的组织和性能均匀,增加了成材率。(The invention relates to the technical field of titanium alloy forging, and particularly discloses a forging processing method of a TC32 titanium alloy large-size bar. The invention can realize the precise regulation and control of the tissue to obtain the required mechanical property, improve the consistency of the flaw detection level of the bar, ensure the uniform tissue and performance and increase the yield.)
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，具体涉及一种TC32钛合金大规格棒材锻造加工方法。
背景技术
钛合金因具有密度低、比强度高、耐蚀性好、弹性模量低、导热系数小、屈强比高等特性，已被应用在航空、航天、船舶、化工、石油等领域，其中在航空领域中，钛合金作为当代先进飞机的主要结构材料之一，主要用于飞机的起落架部件，用于机身的蒙皮、框、梁、隔热罩和壳体等，先进钛合金材料的大量采用时新一代飞机先进性的显著标志之一，可大幅度度提高结构减重效果和安全可靠性。
随着飞机设计理念由单纯静强度到安全-寿命、破损-安全和现在的损伤容限设计原则的发展，钛合金材料也逐步由追求单一高强度或高疲劳性能向中高强度、高模量、高韧性、低裂纹扩展速率、良好的疲劳性能等损伤容限型综合高性能的方向发展。国外典型代表为Ti-6Al-4VβELI中强度损伤容限型钛合金和Ti-62222S高强度损伤容限型钛合金。国内也相继发展了中等强度损伤容限型钛合金TC4-DT和高强度损伤容限型钛合金TC21。目前，TC4-DT钛合金已用于制造整体化的大型框、梁、接头等关键承力构件。TC21钛合金作为一种高强高韧损伤容限型钛合金，可用于大型整体锻件和大型焊接整体构件。
随着武器装备的更新换代，在满足国内对钛合金材料的高指标要求的同时，对钛合金产品均匀性和稳定性也提出了更高的要求。国内钛合金原材料普遍存在加工周期长，火次多，成本高等不足。对于原材料而言，锻造火次过多会导致组织过分细小，细小的组织会减缩小锻件的工艺窗口，造成最终产品无法获得最佳的综合力学性能。然而锻造火次少容易造成组织不均匀，棒材自由端过长而造成原材料损耗大的问题。特别是重要用途的关键结构件，对钛合金棒材的组织均匀性与批次稳定性有着更高的要求。
TC32钛合金一种新型中高强韧钛合金，该合金综合性能优异，具有良好强度-塑性-韧性-疲劳性能-损伤容限性能匹配，综合性能全面优于同类中强高韧钛合金如TC4（美国Ti6Al4V）和TA15（俄罗斯BT20）。该合金适用于两相区锻造+准β热处理、两相区锻造+两相区热处理和准β锻造+两相区热处理等多种工艺，片层组织状态下da/dN与TC4-DT钛合金相当，网篮组织状态下da/dN与TC21钛合金相当，同时拥有良好的疲劳性能，具有十分广阔的应用前景。
根据上述背景，本申请针对新型TC32钛合金开展了Φ210mm ~Φ380mm棒材加工技术研究，实现TC32钛合金大规格棒材的低成本、规模化稳定生产，满足航空工业的发展需求。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种TC32钛合金大规格棒材的锻造加工方法，生产出直径为Φ210-Φ380mm的大规格棒材，这种钛合金棒材为α+β两相组织，棒材组织均匀性良好，力学性能稳定，适用于工业化生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种TC32钛合金大规格棒材的锻造加工方法，其特征在于，在开坯锻造后进行再结晶均匀化锻造，然后在β转变温度以下锻造，最后经成品锻造而成。
进一步，上述TC32钛合金大规格棒材的锻造加工方法，具体是通过以下步骤来实现的：
（一）开坯锻造
将TC32铸锭在1150-1200℃进行1-2次镦拔锻造，单火次总锻比控制在5-10，最终坯料的高径比控制在1.3-1.5之间，锻后采用空冷；
（二）均匀化锻造
加热温度在β转变温度以下30-50℃，对经过步骤（一）中的坯料进行1火次镦拔锻造，锻比控制在1.6-2.1，锻造后坯料的高径比控制在1.3-1.5，锻后直接回炉至β转变温度以上70-100℃保温适当时间后出炉；
（三）β转变温度以下锻造
加热温度为β转变温度以下30-70℃，分3-6火完成；
（四）成品锻造
对经过步骤（三）处理后的坯料进行1-2火成品锻造。
进一步，在步骤（二）中，均匀化锻造的保温时间按坯料最小截面尺寸×加热系数δ(min/mm)计算，加热系数δ一般取0.4-0.7。
进一步，在步骤（二）中，在β转变温度以上70-100℃加热完成后，进行一镦一拔，镦拔总锻比控制在1.0-1.3之间，锻造后坯料的高径比控制在1.3-1.5，锻后采用空冷或者水冷。
进一步，在步骤（三）中，在β转变温度以下30-70℃第1火进行换向镦拔锻造，镦粗变形量控制在20-30%，完成后进行空冷，第2-6火为拔长锻造，每火次拔长锻比控制在1.4-1.6之间。
进一步，在步骤（四）中，成品锻造需采用V型砧拔长，每火次锻比控制在1.1-1.3之间。
与现有技术相比，本发明具备的有益效果为：
（1）本发明在常规自由锻造的基础上，在开坯锻造中融入了再结晶均匀化锻造技术，使钛合金材料发生静态再结晶来实现组织的快速细化与均匀化，该方法简单可控，通过调控锻造参数，能够实现组织的精准调控，以获得所需的力学性能；同时，解决了常规自由锻造中依靠在单相区多火次、大变形量破碎β晶粒带来的组织不均匀，β晶粒过于细小导致最终棒材及锻件强韧性匹配差的问题；
（2）本发明在β转变温度以下锻造时采用换向镦拔，严格控制坯料进入两相区的高径比为1.3-1.5，减小了换向镦拔变形量大导致坯料过热的风险，使坯料难变形区变形更加充分，获得的组织和性能均匀，各向异性低，提高了棒材探伤水平的一致性，减小了棒材自由端，增加了成材率；
（3）本发明特别适用于钛合金大规格棒材工业化生产，其锻造过程控制简单可控，能够生产出组织均匀性良好、综合性能优异、成本低廉、批次稳定的TC32钛合金大规格棒材；
（4）本发明生产Φ380mm×3000-4000mm棒材火次仅8火，Φ210mm×2800-3500mm棒材火次仅7火，较传统钛合金锻造的12-16火加工成本降低约30%，综合成品率提升约5%，适用于工业化生产；
（5）采用本发明生产的TC32钛合金棒材可用于两相区锻造+准β热处理、两相区锻造+两相区热处理和准β锻造+两相区热处理等多种工艺，适用性广泛。
附图说明
图1为本发明实施例一中制备的Φ210mm规格棒材的低倍组织图；
图2为本发明实施例一中制备的Φ210mm规格棒材的空烧低倍组织图；
图3为本发明实施例一中制备的Φ210mm规格棒材的显微组织图（200X）；
图4为本发明实施例二中制备的Φ380mm规格棒材的低倍组织图；
图5为本发明实施例二中制备的Φ380mm规格棒材的空烧低倍组织图；
图6为本发明实施例二中制备的Φ380mm规格棒材的显微组织图（200X）。
具体实施方式
现结合具体实施例，来对本发明作进一步的阐述。以下仅为本发明的优选实施例，并非用于限制本发明的保护范围。任何在不脱离本发明构思前提下的相似或等同替换，均应落在本发明的保护范围内。且下述未详尽部分均应按照本领域常规技术进行。下文中：“◇”指代的是横截面为八边形的坯料的高度，“□”指代的是横截面为方形的坯料的高度，“Φ”指代的是横截面为圆形的坯料的直径。
实施例一（Φ210mm规格棒材锻造方法）
选用TC32钛合金Φ780mm规格的铸锭，且铸锭β转变温度为905℃。具体的锻造过程如下：
（一）开坯锻造
分2火完成，第1火将TC32铸锭加热至1150℃保温，出炉进行两镦两拔至四方，锻比控制在9-10，控制坯料的高径比为2.0左右，锻后采用空冷；第2火在1080℃加热保温，两镦两拔锻造至八方，锻比控制在9-10，最后控制坯料的高径比为1.5，锻后采用空冷；
（二）均匀化锻造
首先对经过步骤（一）中的坯料加热至870℃保温，出炉后进行一镦一拔锻造至八方，锻比控制在2.1，锻造后坯料高径比控制在1.5，锻后直接回炉至990℃，回炉转料时间不大于120s，保温时间控制在330-360min，出炉后进行一镦一拔锻造四方，锻比控制在1.26，坯料高径比控制在1.5，锻造后采用水冷；
（三）β转变温度以下锻造
对经过步骤（二）处理后的坯料进行5火次锻造至八方◇230mm。其中1火为换向镦拔锻造，加热温度选择875℃，两镦两拔锻造至八方，镦粗变形量控制在25%，锻造后进行空冷；剩余4火为拔长锻造，加热温度为870℃，每火次锻比控制在1.5-1.6，最终锻至八方◇230mm，锻造后均采用空冷；
（四）成品锻造
对完成步骤（三）的坯料，在865℃加热完成后，采用V型砧进行摔圆拔长至成品尺寸，拔长锻比控制在1.13，最终成品规格为Φ210mm规格棒材。
图1是经过实施例一工艺锻造制备的Φ210mm规格棒材的R态低倍组织照片，可以看出R态低倍组织无明显的冶金缺陷，低倍组织模糊；图2为棒材空烧后的低倍组织照片，可以看出，空烧后低倍组织均匀，晶粒细小；图3为相应棒材边部、R/2处和心部的显微组织照片，可以看出边部至心部的显微组织十分均匀。表1为对应棒材的力学性能，可以看出棒材综合性能优异：
实施例二（Φ380mm规格棒材锻造方法）
选用TC32钛合金Φ780mm规格的铸锭，且铸锭β转变温度为905℃。具体的锻造过程如下：
（一）开坯锻造
将TC32铸锭加热至1150℃保温，出炉进行两镦两拔至八方，锻比控制在5-6，其中第二个镦粗完成后，采用对角拔长至八方◇600mm，控制坯料的高径比为1.5，锻后采用空冷；
（二）均匀化锻造
首先对经过步骤（一）中的坯料加热至875℃保温，出炉后进行一镦一拔锻造至八方，锻比控制在1.6，锻造后坯料高径比控制在1.5，锻后直接回炉至990℃，回炉转料时间不大于120s，保温时间控制在330-360min，出炉后进行一镦一拔锻造八方◇600mm，锻比控制在1.26，坯料高径比控制在1.5，锻造后采用空冷；
（三）β转变温度以下锻造
对经过步骤（二）处理后的坯料进行3火次锻造至八方◇410mm，其中1火为换向镦拔锻造，加热温度选择875℃，两镦两拔锻造至八方，镦粗变形量控制在30%，锻造后进行空冷；剩余2火为拔长锻造，加热温度为870℃，每火次锻比控制在1.5-1.6，最终锻至八方◇410mm，锻造后均采用空冷；
（四）成品锻造
对完成步骤（三）的坯料，在865℃加热完成后，采用V型砧进行摔圆拔长至成品尺寸，拔长锻比控制在1.13，最终成品规格为Φ380mm规格棒材。
图4是经过实施例二工艺锻造制备的Φ380mm规格棒材的R态低倍组织照片，可以看出R态低倍组织无明显的冶金缺陷，组织均匀、细小；图5为棒材空烧后的低倍组织照片，可以看出，空烧后低倍组织均匀，晶粒细小；图6为相应棒材边部、R/2处和心部的显微组织照片，可以看出边部至心部的显微组织十分均匀。表1为对应棒材的力学性能，可以看出棒材综合性能优异。
表1 TC32钛合金棒材力学性能
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