在鈦合金近等溫局部加載成形中獲得三態(tài)組織的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱加工領(lǐng)域，具體是一種鈦合金近等溫局部加載成形微觀組織控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件(如鈦合金隔框構(gòu)件)采用輕質(zhì)高強材料和大型整體化的結(jié)構(gòu)，有效地提高了結(jié)構(gòu)效率和減輕了裝備重量，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。局部加載成形通過多道次變換加載位置和累積局部變形實現(xiàn)構(gòu)件的整體成形，可以控制材料流動，有效降低成形載荷，拓寬成形構(gòu)件的尺寸范圍，為此類鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件的精密成形提供了一條新的有效途徑。鈦合金的多種微觀組織形態(tài)中，由等軸α、條狀α和β轉(zhuǎn)變基體組成的三態(tài)組織，綜合了等軸組織和網(wǎng)籃組織的性能特點，同時具有高的強度、塑性、韌性和低周疲勞性能，是鈦合金鍛件生產(chǎn)中理想的目標(biāo)組織形態(tài)。針對鈦合金鍛件的整體成形，周義剛等在《中國工程科學(xué)》，2001年，第3卷，5期，61-66頁上發(fā)表的《近β鍛造推翻陳舊理論發(fā)展了三態(tài)組織》論文中提出了通過近β鍛造技術(shù)獲得三態(tài)組織的方法。在申請?zhí)枮?00910073419.9的發(fā)明創(chuàng)造中公開了一種在雙相鈦合金中獲得三態(tài)組織的熱處理工藝，其特點是不經(jīng)過近熱變形預(yù)處理，通過兩歩高低溫?zé)崽幚慝@得三態(tài)組織。在鈦合金鍛件的局部加載成形中，申請?zhí)枮?00910023618.9的發(fā)明創(chuàng)造公開了一種通過物理模擬實驗確定近α鈦合金等溫局部加載成形工藝參數(shù)的方法，但采用該方法確定的局部加載工藝參數(shù)只能獲得等軸或雙態(tài)組織，無法獲得三態(tài)組織。專利號為ZL201110094404.8的專利公開了一種在鈦合金局部加載成形中獲得三態(tài)組織的方法。該專利中，將局部加載成形與等溫成形結(jié)合，并通過先近β鍛再常規(guī)鍛獲得三態(tài)組織的方法。該方法中模具加熱到僅比工件低15?350C的溫度，高于900 V，對模具及設(shè)備的要求很高，且損耗十分嚴(yán)重，導(dǎo)致生產(chǎn)成本很高。而近等溫成形中模具的加熱溫度比工件低約200°C左右，能夠提高模具強度、減少模具熱腐蝕，進而大幅增加模具壽命，降低生產(chǎn)成本。對鈦合金鍛件熱成形來說，常采用K403高溫合金作為模具材料，隨工作溫度降低其高溫強度迅速增加、熱腐蝕速度大幅下降，當(dāng)溫度從900°C降低到800°C時，其強度由835Mpa增加到990Mpa，保溫100小時的氧化速率由0.038gm—2h—1降低至Ij0.003gm—2h—I這兩個因素都會極大地增加模具使用壽命，降低對模具和設(shè)備的要求，從而降低生產(chǎn)成本。因此，如果將近等溫成形與局部加載成形結(jié)合應(yīng)用于鈦合金大型鍛件的熱成形，并通過參數(shù)調(diào)控獲得綜合性能突出的三態(tài)組織，將會為鈦合大型復(fù)雜整體構(gòu)件提供一種成本更低的成形方式。但近等溫成形中，由于模具與工件存在較大的溫差，成形過程中構(gòu)件存在一定程度的溫降，會引起鈦合金復(fù)雜的相轉(zhuǎn)變及組織演化，組織調(diào)控更加困難。高鵬飛等人在Journal of Materials Processing Technology，2012年，第212卷，11期，2520-2528頁上發(fā)表的Microstructure evolut1n in the local loadingforming of TA15 titanium alloy under non-1sothermal condit1n論文中通過向保溫室內(nèi)吹風(fēng)實現(xiàn)的降溫局部加載實驗，研究了局部加載成形中坯料溫降對鈦合金組織演變的影響規(guī)律，但未給出在鈦合金近等溫局部加載成形中獲得三態(tài)組織的工藝參數(shù)具體范圍。而目前尚未見報道有在鈦合金近等溫局部加載成形中獲得三態(tài)組織的工藝參數(shù)調(diào)控方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服現(xiàn)有技術(shù)在鈦合金局部加載成形中獲得三態(tài)組織時，模具加熱溫度很高，對模具及設(shè)備要求高，且損耗十分嚴(yán)重，生產(chǎn)成本很高的不足，本發(fā)明提出了一種在鈦合金近等溫局部加載成形中獲得三態(tài)組織的方法。
[0004]本發(fā)明的具體過程包括以下步驟:
[0005]第一步，坯料改鍛。將所選用的鈦合金鑄錠在相變點以上開坯，鑄錠加熱到Te+(50?100°C )，變形量50 %?60 %，鍛后水冷。將開坯后得到的毛坯加熱到Tf1-(40?50) °C的兩相區(qū)改鍛，變形量50%?60%，鍛后水冷，獲得具有細小的等軸組織或雙態(tài)組織的毛坯。
[0006]第二步，預(yù)制坯制備。將具有細小的等軸組織或雙態(tài)組織的毛坯外表包裹絕熱棉，加熱到HC，采用自由鍛進行制坯，獲得滿足設(shè)計要求的預(yù)制坯后將預(yù)制坯空冷。當(dāng)需要多火次制坯時，在每一火次加工后將毛坯包裹絕熱棉后再回爐加熱至Τ?!-4(Τ(:。
[0007]第三步，近等溫局部加載成形。當(dāng)預(yù)制坯變形量小于70%時，采用一道次加載完成變形，當(dāng)預(yù)制坯變形量大于或等于70%時，采用兩道次加載完成變形。局部加載成形利用分塊上模完成;局部加載成形的具體實施過程是:
[0008]當(dāng)采用一道次加載完成變形時:
[0009]第一加載步，將上模中的內(nèi)?；蛑心０惭b到上模座上。將模具加熱至Tf1-(185?215)°C，預(yù)制坯加熱至Te-(20?10)°C。用內(nèi)模或中模對位于所述的內(nèi)?；蛑心４怪蓖队跋碌念A(yù)制坯進行局部加載，壓下速度為0.2?0.4mm/s，變形量為總變形量的100%。完成加載后立即將預(yù)制坯出?？绽?，將模具隨爐冷卻。
[0010]第二加載步，將上模中的外模或兩個邊模安裝到上模座上。將模具加熱至辦_(185?215)°(:，預(yù)制坯加熱至1'{!-(20?10)°(:。用外?；騼蓚€邊模對位于所述的外?；騼蓚€邊模垂直投影下的預(yù)制坯進行局部加載，壓下速度為0.2?0.4mm/s，變形量等于總變形量的100%，得到預(yù)成形工件。
[0011 ]當(dāng)采用兩道次加載完成變形時:
[0012]第一道次第一加載步，將上模中的內(nèi)?；蛑心０惭b到上模座上。將模具加熱到Te-(185?215) °C，預(yù)制坯加熱到Te- (20?1) °C。用內(nèi)?；蛑心ξ挥谒龅膬?nèi)?；蛑心４怪蓖队跋碌念A(yù)制坯進行局部加載，壓下速度為0.2?0.4mm/s，變形量等于總變形量的50%。完成加載后立即將預(yù)制坯出?？绽洌瑢⒛＞唠S爐冷卻后拆卸內(nèi)?；蛑心?。
[0013]第一道次第二加載步，將上模中的外模或兩個邊模安裝到上模座上。將模具加熱到Tf1-(185?215)°C，預(yù)制坯加熱至Tfs-(20?10)°C。用外?；騼蓚€邊模對位于所述的外?；騼蓚€邊模垂直投影下的預(yù)制坯進行局部加載，壓下速度為0.2?0.4mm/s，變形量等于總變形量的50%。完成加載后立即將預(yù)制坯出?？绽?，將模具隨爐冷卻后拆卸外?；騼蓚€邊模。
[0014]第二道次第一加載步，將上模中的內(nèi)?；蛑心０惭b到上模座上。將模具加熱到Te-(185?215) °C，預(yù)制坯加熱到Te- (20?1) °C。用內(nèi)模或中模對位于所述的內(nèi)?；蛑心４怪蓖队跋碌念A(yù)制坯進行局部加載，壓下速度為0.2?0.4mm/s，變形量等于總變形量的50%。完成加載后立即將預(yù)制坯出?？绽?，將模具隨爐冷卻。
[0015]第二道次第二加載步，將上模中的外模或兩個邊模安裝到上模座上。將模具加熱到Tf1-(185?215)°C，預(yù)制坯加熱到Tfs-(20?10)°C。用外模或兩個邊模對位于所述的外?；騼蓚€邊模垂直投影下的預(yù)制坯進行局部加載，壓下速度為0.2?0.4mm/s，變形量等于總變形量的50%，得到預(yù)成形件。
[0016]第四步，精整。對局部加載后的預(yù)成形件整體加載保壓進行精整。精整時，將各分塊模具同時安裝在上模座上構(gòu)成整體上模，并使各分塊模具同時作用于該預(yù)成形件，精整保壓時間為10?15min。鍛后空冷。
[0017]第五步，熱處理。采用再結(jié)晶退火的熱處理工藝，將得到的預(yù)成形件加熱到再結(jié)晶溫度，保溫2?3h，空冷。得到具有三態(tài)組織的鈦合金鍛件。
[0018]第六步，無損檢測。
[0019]本發(fā)明在對鈦合金坯料進行改鍛和預(yù)成形后，經(jīng)過近等溫局部加載成形、精整和熱處理后獲得成形鍛件，通過控制近等溫局部加載成形的參數(shù)獲得三態(tài)組織。本發(fā)明提出的技術(shù)方案中，鍛件加熱到近β鍛溫度保溫后發(fā)生變形，模具加熱溫度比鍛件溫度低165?205°C，鍛件的加熱溫度將等軸α含量控制在合適范圍內(nèi)，鍛件和模具的加熱溫度差使得變形過程中鍛件存在一定的