CN115194069A

CN115194069A - 一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法

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Publication number: CN115194069A
Application number: CN202210825635.XA
Authority: CN
Inventors: 赵子博; 王清江; 刘巧沐; 杨久旭; 朱绍祥; 孙昊; 刘建荣; 陈志勇; 王磊; 李文渊
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2022-10-18

Abstract

一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，属于钛及钛合金加工领域，具体步骤为：1)坯料改锻：将棒材在T_β相变点以下45～60℃进行2～5火次的镦、拔变形，要求至少2火次变形的单火次镦粗变形量不小于50％，且锻比不小于4，终锻温度不低于850℃；2)模锻成形：在T_β相变点以下40℃～50℃模锻成形，锻后空冷，得到模锻坯料；3)三重热处理：固溶处理：在β转变温度以下10℃～30℃保温1～4h，风冷或以更快的速度冷却；二次固溶处理：在β转变温度以下65℃～85℃保温1～5h，空冷或以更快的速度冷却；时效处理：530℃～650℃，2～10h，空冷。本发明通过改锻和模锻的匹配使的锻件组织中的原始β晶粒具有<100>与压缩方向平行的丝织构。通过三重热处理调整合金各相的含量和形态，使锻件具备优异的强塑性和断裂韧性。

Description

一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法

技术领域

本发明属于钛及钛合金加工领域，具体涉及到一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法。

背景技术

高温钛合金主要由α相(密排六方)和少量β相(体心立方)组成，因其具有优异的高温蠕变、疲劳及耐腐蚀等综合性能，被广泛应用于航空航天领域。显微组织和织构是影响合金机械性能的两个最主要因素，密排六方结构的α相具有较强的各向异性，因此，其力学性能对织构较为敏感。目前对钛合金显微组织的控制工艺研究较多，但如何通过对锻件织构的控制提升锻件性能的研究尚不充分。

航空航天等领域的快速发展使其对材料比强度、比刚度和耐温等性能的要求日益苛刻，仅依靠合金组织的调控已逐渐不能满足新一代航空发动机设计所需“增强”与“减重”的更高需求。基于热加工对高温钛合金组织和织构演变作用的理解，通过织构和组织的综合匹配，实现材料综合力学性能的提高是进一步挖掘合金使用性能的可能途径。为此本发明提出了一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，该方法通过改锻使合金的原始β晶粒具有<100>织构，提高合金的塑形和性能稳定性，再结合特殊的热处理工艺得到三态组织实现锻件的强塑性的同步提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，采用该方法制备所得锻件的原始β晶粒具有较强的<100>丝织构，合金组织为初生α相、粗板条集束、次生α细板条和残留β相组成的混合组织，锻件可在500～600℃温度下长时使用，具有优异的热强性和稳定性，该方法适合制备航空、航天领域用高温转动部件。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，包括坯料改锻、模锻成形、热处理等工序，其特征在于，具体步骤如下：

1)坯料改锻：将棒材在T_β相变点以下45～60℃进行2～5火次的镦、拔变形，要求其中至少2火次的变形的单火次镦粗变形量不小于50％，且锻比不小于4，终锻温度不低于850℃。

2)模锻成形：将锻坯在T_β相变点以下40℃～50℃模锻成形，锻后空冷，得到模锻坯料。

3)热处理：将步骤2)得到的模锻坯料进行三重热处理，具体为：

第一重为固溶处理，具体为：在β转变温度以下10℃～30℃保温1～4h，风冷或更快的冷却方式；

第二重为二次固溶处理，具体为：在β转变温度以下65℃～85℃保温1～5h，空冷或更快的冷却方式；

第三重为时效处理，具体为：530℃～650℃下保温2～10h，空冷。

优选地，步骤1)中，坯料改锻所用棒材经过合金两相区反复变形，棒材的组织为均匀的双态或等轴组织。

优选地，步骤1)中，要求至少2火次变形的单火次镦粗变形量不小于50％，且小于等于70％。

优选地，步骤2)中，所述模锻成形采用等温或近等温模锻成形工艺，模具在坯料加热温度以下50℃～坯料加热温度范围内加热保温，变形速率为0.01s^-1～0.015s^-1；或采用热模锻工艺成形，模具加热至400～600℃，变形速率为0.01s^-1～0.02s^-1，坯料表面采用石棉包覆，以减小变形过程中的热量损耗。

优选地，步骤3)所述的热处理工艺中，第一重固溶处理制度为：在β转变温度以下15～25℃，保温2h，油冷；第二重二次固溶处理制度为：在β转变温度以下70～80℃，保温3～5h，空冷；第三重时效处理制度为：540℃，6～8h，空冷。

本发明所述Ti175合金的成分为(重量百分比)：Al：6.2％～7.50％，Zr：3.0％～4.0％，Sn：1.50％～3.0％，Mo：3.50％～4.5％，Si：0.15％～0.35％，W：0.9％～2.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。其中，元素W和Mo的含量满足：W≥Mo/4且2.8％≤Mo/2+W≤3.2％；合金元素Zr和Si的含量满足反向关系，且满足：-Zr/20+0.35％≤Si≤-Zr/20+0.4％。

本发明针对该合金的成分特点和组织演化规律，充分发挥了织构和组织的复合强化效果，以保证锻件在室温至600℃均具有优异的强韧性。

本发明的有益效果是：

1)通过改锻和模锻工艺的匹配使得锻件组织中的原始β晶粒具有<100>与压缩方向平行的丝织构。

2)锻件最后通过三重热处理工艺调整合金各相的含量和形态，使锻件具备优异的强塑性和断裂韧性。

3)制备所得锻件的直径在600～1300mm，高度不小于100mm，最大单重可达400Kg。

4)锻件的室温拉伸强度不低于1200Mpa，屈服不低于1050Mpa，延伸率不低于12％，面缩不低于15％。合金室温断裂韧性不低于55Mpa·m^1/2，550℃拉伸强度不低于810Mpa，屈服不低于650Mpa，延伸率不低于12％，面缩不低于35％。600℃拉伸强度不低于750Mpa，屈服不低于580Mpa，延伸率不低于20％，面缩不低于60％。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的高倍组织和原始β晶粒反极图。

图2为本发明实施例2制备的Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的高倍组织和原始β晶粒反极图。

图3为本发明实施例3制备的Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的高倍组织和原始β晶粒反极图。

图4为本发明实施例4制备的Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的高倍组织和原始β晶粒反极图。

具体实施方式

实施例1：

采用规格为Ф450×1000mm的Ti175合金棒材，该棒材化学成分为Al：6.50％，Zr：3.5％，Sn：2.1％，Mo：3.5％，Si：0.175％，W：1.3％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，T_β相变点为982℃，棒材原始组织为两相区改锻得到的等轴组织。Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法如下：

1)坯料改锻：

第一火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗变形量为60％，后拔长，总锻比为4.8，空冷后进行修磨处理；

第二火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗变形量为55％，后拔长，总锻比为4.4，空冷后进行修磨处理；

第三火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗均为变形量为45％，后拔长，总锻比为3.6，空冷后进行修磨处理；

第四火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机进行镦粗变形，将坯料镦粗、整形至Ф900×250mm，空冷后进行修磨处理。

2)模锻成形：将锻坯加热至935℃进行模锻成形，该模锻成形采用近等温模锻成形工艺，模具加热后的保温温度为935℃，模锻成形的变形速率为0.011s^-1，锻后空冷，得到外观尺寸规格为Ф1150×150mm的模锻坯料。

3)热处理：将模锻坯料进行三重热处理：

一次固溶处理制度：965℃，保温2h，油冷；

二次固溶处理制度：907℃，保温4h，空冷；

时效处理：540℃，8h，空冷。

实施例2

实施例2与实施例1的差异在于坯料改锻的方式，实施例2中每火次的镦粗变形量低于实施例1，目的是弱化合金的<100>丝织构。实施例2所用原材料、模锻成形和热处理制度均与实施例1相同。其中实施例2的改锻工艺如下：

第一火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗变形量为40％，然后轻微拔长，总锻比2.5，空冷后进行修磨处理；

第二火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗变形量为40％，后拔长，总锻比3.2，空冷后进行修磨处理；

第三火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机完成镦粗，其中镦粗变形量，整形后锻坯高度为450mm，总锻比3.8，空冷后进行修磨处理；

第四火：将棒材加热至930℃，在4500吨压机进行镦粗变形，将坯料镦粗、整形至Ф900×250mm，总锻比1.8，空冷后进行修磨处理。

实施例3

实施例3与实施例1的改锻和模锻工艺相同，不同点是实施例3的热处理制度为两重热处理，具体工艺如下：

固溶处理制度：965℃，保温2h，风冷；

时效处理：540℃，8h，空冷。

表1为实施例1～3的性能对比，结合三种工艺的织构和显微组织可见，实施例1和2均为三态组织，实施例3为双态组织，实施例1和3中有着较强的<100>丝织构，但实施例2的织构较弱。实施例1具有优异的综合性能，实施例2与实施例1的主要差别是合金的塑性和断裂韧性均低于实施例1，验证了β相<100>丝织构可提高合金的塑性。实施例3双态组织合金的强度均远低于实施例1和2。通过对比可见，通过锻件织构和组织的协同控制，可实现合金强塑性的同步提升。

表1实施例中Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的拉伸性能

实施例4：

采用规格为Ф450×1000mm的合金棒材，该棒材化学成分为Al：6.55％，Zr：4.5％，Sn：2.1％，Mo：4.0％，Si：0.25％，W：0.9％，余量为Ti和不可避免的杂质元素，T_β相变点为985℃，棒材原始组织为两相区改锻得到的等轴组织。该合金成分不满足W≥Mo/4和-Zr/20+0.35％≤Si≤-Zr/20+0.4％的成分要求，合金的制备工艺思路与实施例1相同，具体制备方法如下：

1)坯料改锻：

第一火：将棒材加热至933℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗变形量为60％，后拔长，总锻比为4.8，空冷后进行修磨处理；

第二火：将棒材加热至933℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗变形量为55％，后拔长，总锻比为4.4，空冷后进行修磨处理；

第三火：将棒材加热至933℃，在4500吨压机完成一镦一拔，其中镦粗均为变形量为45％，后拔长，总锻比为3.6，空冷后进行修磨处理；

第四火：将棒材加热至933℃，在4500吨压机进行镦粗变形，将坯料镦粗、整形至Ф900×250mm，空冷后进行修磨处理。

2)模锻成形：将锻坯加热至938℃进行模锻成形，该模锻成形采用近等温模锻成形工艺，模具加热后的保温温度为930℃，模锻成形的变形速率为0.011s^-1，锻后空冷，得到外观尺寸规格为Ф1150×150mm的模锻坯料。

3)热处理：将模锻坯料进行三重热处理：

一次固溶处理制度：968℃，保温2h，油冷；

二次固溶处理制度：910℃，保温4h，空冷；

时效处理：540℃，8h，空冷。

表2为实施例4合金的性能，实施例4合金在室温和550℃的强塑性与实施例1相当，但600℃的高温强度明显低于实施例1。

表2实施例4中Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的拉伸性能

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)坯料改锻：将棒材在T_β相变点以下45～60℃进行2～5火次的镦、拔变形，要求其中至少2火次的变形的单火次镦粗变形量不小于50％，且锻比不小于4，终锻温度不低于850℃；

2)模锻成形：将锻坯在T_β相变点以下40℃～50℃模锻成形，锻后空冷，得到模锻坯料；

固溶处理：在β转变温度以下10℃～30℃保温1～4h，风冷或以更快的速度冷却；

二次固溶处理：在β转变温度以下65℃～85℃保温1～5h，空冷或以更快的速度冷却；

时效处理：530℃～650℃下保温2～10h，空冷。

2.按照权利要求1所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，其特征在于，步骤1)中，坯料改锻所用棒材经过合金两相区反复变形，棒材的组织为均匀的双态或等轴组织。

3.按照权利要求1所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，其特征在于，步骤1)中，要求至少2火次变形的单火次镦粗变形量不小于50％，且小于等于70％。

4.按照权利要求1中所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述模锻成形采用等温或近等温模锻成形工艺，模具在坯料加热温度以下50℃～坯料加热温度范围内加热保温，变形速率为0.01s^-1～0.015s^-1；或采用热模锻工艺成形，模具加热至400～600℃，变形速率为0.01s^-1～0.02s^-1，坯料表面采用石棉包覆。

5.按照权利要求1中所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述三重热处理为：

固溶处理：在β转变温度以下15～25℃保温2h，油冷；

二次固溶处理：在β转变温度以下70～80℃保温3～5h，空冷；

时效处理：540℃下保温6～8h，空冷。

6.按照权利要求1所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，其特征在于，所述Ti175合金成分重量百分比为：Al：6.2％～7.50％，Zr：3.0％～4.0％，Sn：1.50％～3.0％，Mo：3.50％～4.5％，Si：0.15％～0.35％，W：0.9％～2.0％，余量为Ti和不可避免的杂质元素。

7.按照权利要求6所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件的制备方法，其特征在于：所述Ti175合金中，元素W和Mo的含量满足：W≥Mo/4且2.8％≤Mo/2+W≤3.2％；合金元素Zr和Si的含量满足反向关系，且满足：-Zr/20+0.35％≤Si≤-Zr/20+0.4％。

8.一种采用权利要求1所述方法制备的Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件，其特征在于：所述锻件的直径为600～1300mm，高度不小于100mm。

9.按照权利要求8所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件，其特征在于：所述锻件为由初生α相、粗板条集束、次生α细板条和残留β相组成的混合组织；锻件组织中的原始β晶粒具有<100>与压缩方向平行的丝织构。

10.按照权利要求8所述Ti175合金大尺寸整体叶盘锻件，其特征在于：所述锻件的室温拉伸强度不低于1200Mpa，屈服不低于1050Mpa，延伸率不低于12％，面缩不低于15％；合金室温断裂韧性不低于55Mpa·m^1/2，550℃拉伸强度不低于810Mpa，屈服不低于650Mpa，延伸率不低于12％，面缩不低于35％；600℃拉伸强度不低于750Mpa，屈服不低于580Mpa，延伸率不低于20％，面缩不低于60％。