本發(fā)明屬于鈦合金技術領域,具體涉及發(fā)動機用耐高溫鈦合金大規(guī)格棒材的鍛造方法。
背景技術:
WSTi64311SC高溫鈦合金是能夠用于加工航空發(fā)動機葉片、盤件以及離心葉輪等關鍵部件的600℃高溫鈦合金,能夠滿足我國高推重比、低能耗的渦扇和渦軸發(fā)動機需求。該合金使用溫度已經(jīng)達到鈦合金能夠長期穩(wěn)定使用的極限,并且綜合力學性能匹配,可以加工成薄壁、大直徑或者雙性能零部件,代替GH4169高溫合金,可以減重40%以上,大大減輕了發(fā)動機的重量,是突破國產(chǎn)發(fā)動機瓶頸的關鍵材料。
該合金屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si合金系,是鋁當量高達8.8的近α型鈦合金,合金的力學性能主要取決于晶粒尺寸、初生α相含量及尺寸、次生α相尺寸以及宏觀織構分布均勻性,只有獲得均勻細小、無織構以及約15%彌散分布初生α相的雙態(tài)組織,才能保證零部件服役性能達到最佳匹配。在航空發(fā)動機用零部件加工過程中,變形速率和變形量均受到零件尺寸及結構限制,難以通過動態(tài)再結晶原理實現(xiàn)組織細化和均勻化,因此需要制備出高均勻細小且無宏觀織構的大規(guī)格棒材,以滿足發(fā)動機零部件對材料穩(wěn)定性和可靠性的要求。
對于超過Φ200mm規(guī)格大規(guī)格WSTi64311SC鈦合金棒材,相變溫度高達1050℃,α+β相區(qū)寬度僅為70℃,而普通兩相鈦合金兩相區(qū)約200℃,棒材心部和邊部導熱速率差異顯著,另外,合金元素含量高達17%,兩相區(qū)變形抗力劇烈增加,變形心部鍛透性差,變形速率較大容易引起物料開裂,裂紋具有很強的延伸性,不容易被打磨掉,特別是在尖銳的棱角處,如果溫度略有降低就會產(chǎn)生很大的裂紋,導致鍛造無法進行,變形量較小或加熱溫度較高難以實現(xiàn)良好的組織細化效果。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種發(fā)動機用耐高溫鈦合金大規(guī)格棒材的鍛造方法,用于生產(chǎn)組織均勻性良好、直徑Φ200~Φ300mm的發(fā)動機用600℃高溫WSTi64311SC鈦合金大規(guī)格棒材。
本發(fā)明所采用的技術方案是,發(fā)動機用耐高溫鈦合金大規(guī)格棒材的鍛造方法,具體包括以下步驟:
步驟1,開坯鍛造:
對鑄錠進行三火次開坯鍛造,第一火次進行拔長變形,第二、三火次為鐓粗和拔長變形,鍛后均采用水淬;
步驟2,中間鍛造:
將經(jīng)步驟1開坯鍛造后的鑄錠在兩相區(qū)進行多火次等溫改鍛,進一步細化和均勻化坯料的組織,鍛后采用空冷;
步驟3,成品鍛造:
將經(jīng)步驟2中間鍛造的鍛坯在相變點以下60℃~80℃加熱,摔圓,鍛后采用空冷,即得到WSTi64311SC鈦合金棒材。
本發(fā)明的特點還在于,
步驟1中第一火次加熱溫度為1150℃~1250℃,保溫時間為8~10小時,鍛比控制在1.4~1.6之間。
步驟1中第二火次、第三火次加熱溫度選分別為1090℃~1110℃、1070℃~1090℃,每火次加熱保溫6~8小時,每火次鐓拔鍛比控制在2.2~3.2之間。
步驟2中多火次等溫改鍛過程中,每火次加熱溫度在相變點以下50℃~70℃進行,每火次均采用石棉包裹,物料出爐后依次進行鐓粗、拔長,每火次鍛造比控制在2.0~3.0之間。
石棉厚度為20mm~50mm。
步驟3中摔圓時鍛造比控制在1.1~1.3之間。
步驟1和步驟2每火次鍛造后均對鍛坯進行倒八方處理。
用于生產(chǎn)WSTi64311SC合金Φ200~Φ300mm規(guī)格棒材。
本發(fā)明的有益效果是,本發(fā)明通過對WSTi64311SC鈦合金每火次的鍛造過程進行倒八方處理,避免了出現(xiàn)變形不均勻或死區(qū);采用石棉包裹坯料,避免了坯料溫度降低導致的裂紋;另外,在相變點以上進行三火次開坯,保證了坯料獲得均勻化的組織,最終獲得了低倍組織均勻模糊,高倍組織等軸細小的大規(guī)格WSTi64311SC鈦合金棒材。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實施例1制備的Φ300mm規(guī)格棒材的低倍組織圖;
圖2是本發(fā)明實施例1制備的Φ300mm規(guī)格棒材邊部顯微組織圖;
圖3是本發(fā)明實施例1制備的Φ300mm規(guī)格棒材心部顯微組織圖;
圖4是本發(fā)明實施例2制備的Φ200mm規(guī)格棒材的低倍組織圖;
圖5是本發(fā)明實施例2制備的Φ200mm規(guī)格棒材邊部顯微組織圖;
圖6是本發(fā)明實施例2制備的Φ200mm規(guī)格棒材部顯微組織圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明發(fā)動機用耐高溫鈦合金大規(guī)格棒材的鍛造方法,具體包括以下步驟:
步驟1,開坯鍛造:
鑄錠開坯分三火鍛造完成,第一火鍛造加熱溫度選取1150℃~1250℃,加熱8~10小時后出爐,對鑄錠進行一次拔長變形,變形完成后進行倒八方處理,以有效避免尖銳棱角的出現(xiàn),避免在棱角處出現(xiàn)變形死區(qū),鍛比控制在1.4~1.6之間。第二火和第三火開坯溫度選取1090℃~1110℃和1070℃~1090℃,每火加熱保溫6~8小時,出爐后完成鐓粗和拔長,拔長后進行倒八方處理,每火鐓拔鍛比控制在2.2~3.2之間,鍛后均采用水淬。
步驟2,中間鍛造:
將經(jīng)步驟1開坯鍛造后的鑄錠在兩相區(qū)進行多火次等溫改鍛,每火次加熱溫度選取在相變點以下50℃~70℃進行,避免鍛造溫度超出熱加工窗口,每火次均采用20mm~50mm厚石棉包裹,有利于提高終鍛溫度,避免坯料溫度降低導致的裂紋,物料出爐后依次進行鐓粗、拔長以及倒八方處理,每火次鍛造比控制在2.0~3.0之間,進一步細化和均勻化坯料的組織,鍛后采用空冷。
步驟3,成品鍛造:
將經(jīng)步驟2中間鍛造的鍛坯在相變點以下60℃~80℃加熱,摔圓,摔圓時鍛造比控制在1.1~1.3之間,鍛后采用空冷,即得到WSTi64311SC鈦合金棒材。
步驟4,整體熱處理:
采用懼怯方式沿棒材橫向截取厚度為30mm試樣片,試樣片直徑與棒材相同。對試樣片整體進行固溶時效熱處理,其中固溶溫度為相變點下15℃~25℃,固溶保溫時間為1.5h~3.0h,固溶處理后進行水淬,時效溫度為700℃~800℃,時效時間為2h~8h,時效處理后進行空冷。選取相變點下15℃~25℃進行固溶可保證組織中保留約15%體積分數(shù)的初生α相,保溫2h可保證鍛態(tài)組織完成靜態(tài)再結晶,少量初生α相能夠有效地阻礙β晶粒長大,進而促進組織細化和均勻化,采用水淬可以使殘余β相保持亞穩(wěn)狀態(tài),在時效過程中分解,形成細小密集的次生α相,可以有效的阻礙裂紋沿晶內(nèi)擴展,進而達到綜合匹配的力學性能。
本發(fā)明對WSTi64311SC鈦合金每火次的鍛造過程進行倒八方處理,避免了出現(xiàn)變形不均勻或死區(qū);采用石棉包裹坯料,避免了坯料溫度降低導致的裂紋;另外,在相變點以上進行三火次開坯,保證坯料獲得均勻化的組織。
實施例1
步驟1,開坯鍛造:
鑄錠開坯分三火鍛造完成,第一火鍛造加熱溫度選取1150℃,加熱10小時后出爐,對鑄錠進行一次拔長變形,變形完成后進行倒八方處理,鍛比為1.4。第二火和第三火開坯溫度選取1090℃和1070℃,每火加熱保溫8小時,出爐后進行鐓粗和拔長,拔長后做倒八方處理,每火鐓拔鍛比為2.2,鍛后均采用水淬。
步驟2,中間鍛造:
將經(jīng)步驟1開坯鍛造后的鑄錠在兩相區(qū)等溫改鍛七火次,每火次加熱溫度選取在相變點以下50℃(1000℃)進行,避免鍛造溫度超出熱加工窗口,每火次均采用50mm厚石棉包裹,物料出爐后依次進行鐓粗、拔長以及倒八方處理,每火次鍛造比為2.0,鍛后采用空冷。
步驟3,成品鍛造:
將經(jīng)步驟2中間鍛造的鍛坯在相變點以下60℃(990℃)加熱,摔圓,摔圓時鍛造比為1.1,鍛到成品尺寸Φ300mm,鍛后采用空冷,即得到WSTi64311SC鈦合金棒材。
實施例2
步驟1,開坯鍛造:
鑄錠開坯分三火鍛造完成,第一火鍛造加熱溫度選取1200℃,加熱8小時后出爐,對鑄錠進行一次拔長變形,變形完成后進行倒八方處理,以有效避免尖銳棱角的出現(xiàn),避免在棱角處出現(xiàn)變形死區(qū),鍛比為1.6。第二火和第三火開坯溫度選取1100℃和1080℃,每火加熱保溫6小時,出爐后完成鐓粗和拔長,拔長后進行倒八方處理,每火鐓拔鍛比為3.2之間,鍛后均采用水淬。
步驟2,中間鍛造:
將經(jīng)步驟1開坯鍛造后的鑄錠在兩相區(qū)進行等溫改鍛,每火次加熱溫度選取在相變點以下70℃(980℃)進行,避免鍛造溫度超出熱加工窗口,每火次均采用20mm厚石棉包裹,物料出爐后依次進行鐓粗、拔長以及倒八方處理,每火次鍛造比為3.0之間,進一步細化和均勻化坯料的組織,鍛后采用空冷。
步驟3,成品鍛造:
將經(jīng)步驟2中間鍛造的鍛坯在相變點以下80℃(970℃)加熱,摔圓,摔圓時鍛造比為1.3,鍛到成品尺寸Φ200mm,鍛后采用空冷,即得到WSTi64311SC鈦合金棒材。
實施例3
步驟1,開坯鍛造:
鑄錠開坯分三火鍛造完成,第一火鍛造加熱溫度選取1250℃,加熱9小時后出爐,對鑄錠進行一次拔長變形,變形完成后進行倒八方處理,鍛比為1.5。第二火和第三火開坯溫度選取1110℃和1090℃,每火加熱保溫7小時,出爐后進行鐓粗和拔長,拔長后做倒八方處理,每火鐓拔鍛比為3.0,鍛后均采用水淬。
步驟2,中間鍛造:
將經(jīng)步驟1開坯鍛造后的鑄錠在兩相區(qū)等溫改鍛七火次,每火次加熱溫度選取在相變點以下60℃(990℃)進行,避免鍛造溫度超出熱加工窗口,每火次均采用30mm厚石棉包裹,物料出爐后依次進行鐓粗、拔長以及倒八方處理,每火次鍛造比為2.5,鍛后采用空冷。
步驟3,成品鍛造:
將經(jīng)步驟2中間鍛造的鍛坯在相變點以下70℃(980℃)加熱,摔圓,摔圓時鍛造比為1.2,鍛到成品尺寸Φ250mm,鍛后采用空冷,即得到WSTi64311SC鈦合金棒材。
圖1是經(jīng)過本工藝鍛造制備出成品規(guī)格為Φ300mm棒材的低倍組織圖,可以看出低倍無明顯的冶金缺陷,組織均勻,呈模糊晶。圖2、3為相應棒材的邊部和心部的顯微組織,可以看出邊部與心部的顯微組織非常均勻,初生α相尺寸約30μm~40μm。對得到的棒材進行整體熱處理,并測試其力學性能,結果如表1所示。
表1 Φ300mm規(guī)格棒材力學性能列表
圖4是經(jīng)過本工藝鍛造制備出成品規(guī)格為Φ200mm棒材的低倍組織圖,可以看出低倍無明顯的冶金缺陷,組織均勻,呈模糊晶。圖5、6為相應棒材的邊部和心部的顯微組織,可以看出邊部與心部的顯微組織非常均勻,初生α相尺寸約20μm~30μm。對得到的棒材進行整體熱處理,并測試其力學性能,結果如表2所示。
表2 Φ200mm規(guī)格棒材力學性能列表
表1和表2數(shù)據(jù)表明,WSTi64311SC鈦合金Φ300mm和Φ200mm規(guī)格棒材擁有良好的室溫強度和塑性匹配,在600℃條件下,具有良好的高溫強度,優(yōu)異的抗蠕變和耐持久性能,同時保持一定的熱穩(wěn)定性能,滿足航空發(fā)動機600℃及以下環(huán)境使用要求。