一种确定近Α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法.pdf

本发明是一种确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的实验方法，钛合金材料经过相变点以上30℃加热，在相变点以下多个方向反复锻造。在1～2火内完成局部加载成形，加热锻造温度为相变点以下15～40℃，加载速度0.4～0.6mm/s。局部加载变形量小于总变形量，在最后一个火次同步进行整体加载；若局部加载变形量达到总变形量要求，不执行整体加载。热处理后取样进行测试和金相分析，精确获取不同加载方式、变形量分配、中间冷却方式、热处理制度等参数同锻件不同区域的力学性能、微观组织之间的定量关系，可根据上述的定量

1.  一种确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法，包括标准试件制备、等温局部加载成形、锻件力学性能测试和定量金相分析，其特征在于，所述的确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法包括以下步骤：
步骤1.坯料改锻；将所选用的近α型钛合金铸锭相变点以上开坯，锻后水冷至25℃；将坯料经过T_β+30℃×5h加热，水冷至25℃；坯料加热到T_β-40～T_β50℃，采用自由锻工艺依次在长、宽、高三个方向锻造，循环1～2次，坯料变形量50～60％；锻后水冷至25℃，细化晶粒尺寸；
步骤2.试件制备；将改锻后的坯料加热到T_β-40℃，制备成矩形方坯；方坯表面车光，缺陷局部打磨，得到试件；
步骤3.等温局部加载；将试件沿长度方向划分为相同的A区和B区两个加载区；在A区和B区两个加载区之间存留变形协调的过渡区C区；过渡区C区的长度为局部加载压下量的1.4～1.6倍；对不同的加载区依次进行局部加载成形，在1～2火内完成局部加载成形；等温局部加载包括局部-整体加载变形方式或局部加载变形方式，其具体实施过程是：
I、当采用局部-整体加载变形方式时
a.局部加载；试件加热到T_β-15～T_β40℃，保温1h；上砧头和下砧头加热至T_β-25～T_β50℃；A区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量；锻造方式为一火锻造或两火锻造：当一火锻造时，A区局部加载后的试件冷却过程不执行；当两火锻造时，试件冷却至25℃再加热至T_β-15～T_β40℃；上砧头和下砧头加热到T_β-(25～50℃)；B区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量；
b.整体加载；在完成局部加载成形的最后一个火次后同步进行整体加载；A区和B区同时下压，变形量控制在5～10％；
II、当采用局部加载变形方式时
试件加热到T_β-15～T_β40℃，保温1h；上砧头和下砧头加热到T_β-25～T_β50℃；A区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量；锻造方式为一火锻造或两火锻造；当一火锻造时，A区局部加载后的试件冷却过程不执行；当两火锻造是，试件冷却至25℃后，再加热到T_β-15～T_β40℃，上砧头和下砧头加热到T_β-25～T_β50℃；B区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量；
步骤4.热处理；锻后冷却至25℃；将锻件加热到再结晶温度，保温1h，冷却至25℃；
步骤5.排样取样；根据室温拉伸、高温拉伸、冲击韧性、高温持久、断裂韧性和金相分析等试验所需试样的要求在锻件上合理排样，用线切割方法取样并标号分装；各试验用试样在A区、B区和C区都取得试样；
步骤6.力学性能测试和金相分析；
步骤7.数据处理分析。

2.  如权利要求1所述一种确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法，其特征在于，所述的等温局部加载中采用局部-整体加载变形方式时，局部加载变形量是总变形量减去整体加载变形量；采用局部加载变形方式时，局部加载变形量是总变形量的100％。

一种确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法
一、技术领域
本发明涉及热加工领域，具体是一种确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法。
二、背景技术
局部加载等温成形工艺为难变形材料大型复杂整体构件的精密成形提供了一条新的有效途径。但其成形过程是一个多火次、多工步、多道次的复杂过程。并且成形过程中材料要经历多道次、多火次和高温下的多次局部加载，多次反复交替进行的加载和卸载，不均匀变形尤为突出，以及未加载区存在空烧、过渡区的不均匀变形协调等现象。这些因素导致加工过程中锻件微观组织演化复杂、力学性能难以控制，对合理工艺参数的选取确定十分迫切。
采用传统的直接模锻试验确定工艺参数的方法周期长、成本高。并且针对高筋薄壁等复杂结构锻件，锻件力学性试验和金相分析试验试样的取样位置少。特别是由于高筋薄壁的结构特征、实际锻造过程测量误差难以控制等原因，导致无法精确研究工艺参数和锻件力学性能之间的定量关系。在公开号为CN 101294265A的专利中披露了一种钛合金锻造工艺参数的试验方法，但其针对整体锻造工艺，不能反映局部加载等温成形工艺中的局部加载变形特征以及不同加载区、过渡区的变形协调，并且无法精确获得工艺参数与等温局部加载成形后整体构件不同加载区以及过渡区的力学性能、微观组织之间的定量关系。
三、发明内容
为克服现有技术中存在的无法定量研究成形工艺参数对局部加载等温成形锻件不同加载区以及过渡区的力学性能和微观组织的影响的问题，本发明提出一种确定近α型钛合金等温局部加载工艺参数的方法。
本发明采用的技术方案包括标准试件制备、等温局部加载成形、锻件力学性能测试和定量金相分析，具体过程为：
步骤1、坯料改锻；将所选用的近α型钛合金铸锭相变点以上开坯，锻后水冷至25℃，以改善材料的冶金质量；接着将坯料经过T_β+30℃×5h加热、水冷至25℃，以提高材料的组织和成分均匀性；然后将坯料加热到T_β-(40～50℃)，采用自由锻工艺依次在长、宽、高三个方向锻造，循环1～2次，多个方向反复锻造，坯料变形量50～60％；锻后水冷至25℃，细化晶粒尺寸。
步骤2、试件制备；将改锻后的坯料加热到T_β-40℃，制备成矩形方坯。方坯表面车光，缺陷局部打磨，得到试件。
步骤3、等温局部加载；将试件沿长度方向划分成长度相同的两个加载区A区和B区，在A区和B区两个加载区之间存在一变形协调的过渡区C区，对不同的加载区依次进行局部加载成形，在1～2火内完成局部加载成形。过渡区C区的长度为局部加载压下量的1.4～1.6倍。
等温局部加载采用两种加载方法：局部-整体加载变形方式或局部加载变形方式。当采用局部-整体加载变形方式时，局部加载变形量是总变形量减去整体加载变形量；当采用局部加载变形方式时，局部加载变形量是总变形量的100％。等温局部加载的具体实施过程是：
当采用局部-整体加载变形方式时：
a.局部加载。试件加热到T_β-(15～40℃)，保温1h；上砧头和下砧头加热到T_β-(25～50℃)。A区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量。锻造方式为一火锻造或两火锻造。当一火锻造时，A区局部加载后的试件冷却过程不执行；当两火锻造，试件冷却至25℃后，再加热到T_β-(15～40℃)，上砧头和下砧头加热到T_β-(25～50℃)。B区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量。b.整体加载。在完成局部加载成形的最后一个火次后同步进行整体加载，A、B区同时下压，变形量控制在5～10％。
当采用局部加载变形方式时：
试件加热到T_β-(15～40℃)，保温1h；上砧头和下砧头加热到T_β-(25～50℃)。A区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量。锻造方式为一火锻造或两火锻造。当一火锻造时，A区局部加载后的试件冷却过程不执行；当两火锻造，试件冷却至25℃后，再加热到T_β-(15～40℃)，上砧头和下砧头加热到T_β-(25～50℃)。B区局部加载，压下速度0.4～0.6mm/s，压下量为局部加载变形量。
步骤4、热处理；锻后冷却至25℃，然后将锻件加热到再结晶温度，保温1h，冷却至25℃。
步骤5、排样取样；根据室温拉伸、高温拉伸、冲击韧性、高温持久、断裂韧性和金相分析等试验所需试样的要求在锻件上合理排样，用线切割方法取样并标号分装。各试验用试样在A区、B区和C区都取得试样。
步骤6、力学性能测试和金相分析；分别按标准进行室温拉伸试验、高温拉伸试验、冲击韧性试验、高温持久试验和断裂韧性试验；制备金相试样，进行金相分析。
步骤7、数据处理分析。
本发明通过试验方法，建立包括压下量、成形温度、加载道次、中间冷却方式和热处理方式在内的局部加载等温成形工艺参数与锻件不同区域室温拉伸性能、高温拉伸性能、持久性能、冲击性能、断裂韧性等力学性能及微观组织之间的定量关系。采用该方法可以精确研究等温局部加成形工艺参数与锻件不同加载区域的力学性能和微观组织之间的定量关系，研究结果可直接用于指导钛合金隔框等大型复杂整体构件等温局部加载成形工艺参数的选择确定。
四、附图说明
附图1是试件局部加载分区示意图。
附图2是确定等温局部加载工艺参数试验方法的流程图。
附图3是本发明实施例一锻件A区的微观组织。
附图4是本发明实施例一锻件B区的微观组织。
附图5是本发明实施例一锻件C区的微观组织。
附图6是本发明实施例二锻件A区的微观组织。
附图7是本发明实施例二锻件B区的微观组织。
附图8是本发明实施例二锻件C区的微观组织。
附图9是本发明实施例三锻件A区的微观组织。
附图10是本发明实施例三锻件B区的微观组织。
附图11是本发明实施例三锻件C区的微观组织。
五、具体实施方式
实施例一：
本实施例的原材料采用TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金铸锭，相变点Tβ是990℃。具体实施过程如下：
步骤1、坯料改锻
将所TA15钛合金铸锭加热至1090℃开坯，锻后水冷至25℃；将开坯后材料加热至1020℃，保温5h，水冷至25℃；然后将坯料加热到950℃，多个方向反复锻造，变形量50～60％，锻后水冷至25℃。
步骤2、试件制备
将改锻后的坯料加热到950℃，制备成长380mm、宽170mm、厚43mm的方坯。方坯表面车光，缺陷局部打磨，得到试件。
步骤3、等温局部加载
将试件沿长度方向划分成相同的A区和B区两个加载区，其长度为180mm；在A区和B区两个加载区之间存留变形协调的过渡区C区，其长度为20mm。在630吨等温锻液压机上进行等温局部加载，在2火内完成局部加载成形。等温局部加载采用局部-整体加载方式，总压下量为17mm，局部加载压下量13mm，平均局部加载变形量30％。其具体实施过程是：
a.局部加载。试件加热到950℃，保温1h；上砧头和下砧头加热到940℃。A区局部加载，上砧头压下速度0.6mm/s，压下量为13mm。试件风冷后，再加热到950℃；上砧头和下砧头加热到940℃。B区局部加载，上砧头压下速度0.6mm/s，压下量为13mm。
b.整体加载。在完成局部加载成形的最后一个火次后同步进行，A、B区同时下压，压下速度0.6mm/s，压下量4mm，变形量为10％。
步骤4、热处理
锻后风冷至25℃，然后将锻件加热到830℃，保温1h，风冷至25℃。
步骤5、排样取样
在锻件上合理排样，用线切割方法取样并标号分装。在A区、B区和C区都取得试样。
步骤6、力学性能测试和金相分析
按HB5143-1996标准在ENST 1196拉伸试验机上进行室温拉伸试验；按HB5195-1996标准在ENST 1196拉伸试验机上进行高温拉伸试验；按HB5144-1996标准在JB-30B冲击试验机上进行冲击韧性试验；按HB5150-1996标准在Mπ-3T拉伸机上进行高温持久试验；按HB5142-1996标准在INSTON 1251试验机上进行断裂韧性试验。
制备金相试样，进行金相分析，LEICAMEF4A倒立金相显微镜观察组织形貌并拍摄金相照片。
步骤7、数据处理分析。
锻件各区的力学性能如表1-2所示。
表1：实施例一锻件拉伸性能

表2：实施例一锻件持久性能、冲击韧性、断裂韧性

A区、B区和C区的微观组织如附图3～附图5所示。
实施例二：
本实施例的原材料采用TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金铸锭，相变点Tβ是990℃。具体实施过程如下：
步骤1、坯料改锻
将所TA15钛合金铸锭加热至1090℃开坯，锻后水冷至25℃；将开坯后材料加热至1020℃，保温5h，水冷至25℃；然后将坯料加热到950℃，多个方向反复锻造，变形量50～60％，锻后水冷至25℃。
步骤2、试件制备
将改锻后的坯料加热到950℃，制备成长380mm、宽170mm、厚43mm的方坯。方坯表面车光，缺陷局部打磨，得到试件。
步骤3、等温局部加载
将试件沿长度方向划分成长度相同的A区和B区两个加载区，其长度为180mm；在A区和B区两个加载区之间存留变形协调的过渡区C区，其长度为20mm。在630吨等温锻液压机上进行等温局部加载，在2火内完成局部加载成形。等温局部加载采用局部-整体加载方式，总压下量为17mm，局部加载压下量13mm，平均局部加载变形量30％。其具体实施过程是：
a.局部加载。试件加热到970℃，保温1h；上砧头和下砧头加热到960℃。A区局部加载，上砧头压下速度0.5mm/s，压下量为13mm。试件水冷后，再加热到970℃；上砧头和下砧头加热到960℃。B区局部加载，上砧头压下速度0.5mm/s，压下量为13mm。
b.整体加载。在完成局部加载成形的最后一个火次后同步进行，A、B区同时下压，压下速度0.5mm/s，压下量4mm，变形量为10％。
步骤4、热处理
锻后水冷至25℃，然后将锻件加热到830℃，保温1h，风冷至25℃。
步骤5、排样取样
在锻件上合理排样，用线切割方法取样并标号分装。在A区、B区和C区都取得试样。
步骤6、力学性能测试和金相分析
按HB5143-1996标准在ENST 1196拉伸试验机上进行室温拉伸试验；按HB5195-1996标准在ENST 1196拉伸试验机上进行高温拉伸试验；按HB5144-1996标准在JB-30B冲击试验机上进行冲击韧性试验；按HB5150-1996标准在Mπ-3T拉伸机上进行高温持久试验；按HB5142-1996标准在INSTON 1251试验机上进行断裂韧性试验。
制备金相试样，进行金相分析，LEICA MEF4A倒立金相显微镜观察组织形貌并拍摄金相照片。
步骤7、数据处理分析。
锻件各区的力学性能如表3～表4所示。
表3：实施例二锻件拉伸性能

表4：实施例二锻件持久性能、冲击韧性、断裂韧性

A、B、C区的微观组织如附图6～附图8所示。
实施例三
本实施例的原材料采用TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金铸锭，相变点Tβ是990℃。具体操作如下：
步骤1、坯料改锻
将所TA15钛合金铸锭加热至1090℃开坯，锻后水冷至25℃；将开坯后材料加热至1020℃，保温5h，水冷至25℃；然后将坯料加热到950℃，多个方向反复锻造，变形量50～60％，锻后水冷至25℃。
步骤2、试件制备
将改锻后的坯料加热到950℃，制备成长380mm、宽170mm、厚43mm的方坯。方坯表面车光，缺陷局部打磨，得到试件。
步骤3、等温局部加载
将试件沿长度方向划分成长度相同的A区和B区两个加载区，其长度为177.5mm；在A区和B区两个加载区之间存留变形协调的过渡区C区，其长度为25mm。在630吨等温锻液压机上进行等温局部加载，在1火内完成局部加载成形。等温局部加载采用局部加载方式，总压下量17mm，局部加载压下量17mm，平均局部加载变形量40％。其具体实施过程是：
试件加热到975℃，保温1h；上砧头和下砧头加热到965℃。A区局部加载，上砧头压下速度0.4mm/s，压下量为17mm。B区局部加载，上砧头压下速度0.4mm/s，压下量为17mm。
步骤4、热处理
锻后水冷至25℃，然后将锻件加热到830℃，保温1h，风冷至25℃。
步骤5、排样取样
在锻件上合理排样，用线切割方法取样并标号分装。在A区、B区和C区都取得试样。
步骤6、力学性能测试和金相分析
按HB5143-1996标准在ENST 1196拉伸试验机上进行室温拉伸试验；按HB5195-1996标准在ENST 1196拉伸试验机上进行高温拉伸试验；按HB5144-1996标准在JB-30B冲击试验机上进行冲击韧性试验；按HB5150-1996标准在Mπ-3T拉伸机上进行高温持久试验；按HB5142-1996标准在INSTON 1251试验机上进行断裂韧性试验。
制备金相试样，进行金相分析，LEICA MEF4A倒立金相显微镜观察组织形貌并拍摄金相照片。
步骤7、数据处理分析。
锻件各区的力学性能如表5和表6所示。
表5：实施例三锻件拉伸性能

表6：实施例三锻件持久性能、冲击韧性、断裂韧性

A区、B区和C区的微观组织如附图9～附图11所示。