一种缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法与流程

1.本发明涉及金属热变形成型技术领域，具体涉及一种缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法。


背景技术：

2.目前，高强韧钛合金通常采用与常规钛合金相同的自由锻造的方式完成各种规格棒材的制备，而自由锻造过程通常由单相区锻造、低-高-低-高锻造、两相区锻造和成型锻造四个过程组成。尽管自由锻造这种方法在常规高强韧钛合金领域应用已经成熟，但是，由于该方法在完成两相区镦拔锻造后，成型锻造采用了大锻比净拔长锻造，导致成品棒材存在各向异性差异大、横向塑性难以符合标准要求、断裂韧性偏低等问题。
3.tc18等超高强钛合金（强度≥1300mpa）的变形抗力相对于高强韧钛合金进一步增大，同时较多的合金元素在β晶界的富集阻碍了合金的回复和再结晶过程，因此，采用上述现有技术中的自由锻造方法会加剧了锻造棒材的各向异性；而且如tc18等超高强钛合金本身塑性富余量较低，因此会进一步加剧各向异性，从而严重降低了超高强钛合金的合格率。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，该方法通过提升成型锻造过程中的再结晶程度，降低β晶粒的织构强度，从而缓解成品棒材的各向异性。
5.本发明主要是以tc18钛合金铸锭为原料，其整体锻造过程为单相区开坯锻造、低-高-低-高锻造、两相区锻造、成型拔长锻造。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，其特征在于，是在自由锻造过程中的成型锻造步骤中，将经过两相区锻造的锻坯在相变点温度以下30~50℃进行1~3个火次拔长，火次间进行空冷或热料回炉，然后进行再结晶处理，最后将经过再结晶处理的锻坯进行拔长。
7.进一步，上述缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，具体是通过如下步骤来实现的：步骤1）、将超高强钛合金铸锭按照常规超高强钛合金自由锻造工艺完成单相区锻造、低-高-低-高锻造和两相区锻造；步骤2）、将步骤1）中经过两相区锻造得到的锻坯在t
β-（30~50）℃进行1~3个火次拔长，单火次拔长变形量为30%~50%，道次间采用空冷或热料回炉，锻后空冷或水冷；步骤3）、将经过步骤2）得到的锻坯进行再结晶处理，处理方式是在t
β
+（10~50）℃对棒材进行加热，加热完成后对坯料进行变形量为0~25%拔长锻造，实现坯料的再结晶；步骤4）、将经过步骤3）得到的锻坯在t
β-（30~50）℃进行1~5个火次拔长，单火次拔长变形量为10%~40%，本阶段，棒材的累积变形量不得低于30%；步骤5）、将经过步骤4）得到的锻坯摔圆，摔圆拔长变形量为10~20%，最终获得各向
异性较低、β晶界模糊的两相区锻造棒材。
8.进一步，上述步骤2）与步骤3）为一个完整的再接处理过程，该过程重复n次才进入步骤4），其中n为大于等于1的整数。
9.进一步，上述步骤2）中加热系数为0.3~0.7；步骤3）中加热系数为0.3~0.7；步骤4）中加热系数为0.6~0.7。
10.与现有技术相比，本发明具备的有益效果是：本发明通过现有自由锻造工艺中的成型锻造过程中进行再结晶处理，有效提升成型锻造过程中的再结晶程度，从而降低β晶粒的织构强度，从而缓解成品棒材的各向异性。
附图说明
11.图1为本发明工艺路线与现有技术锻造工艺路线对比图，其中（a）为本发明的锻造工艺路线，（b）为现有技术锻造工艺路线；图2为对比例一中所制备的棒材的低倍组织与高倍组织（其中左边的为低倍组织图，右边的为高倍组织图）；图3为本发明实施例一中制备的棒材的低倍组织与高倍组织（其中左边的为低倍组织图，右边的为高倍组织图）；图4本发明实施例二中制备的棒材的低倍组织与高倍组织（其中左边的为低倍组织图，右边的为高倍组织图）；图5本发明实施例三中制备的棒材的低倍组织与高倍组织（其中左边的为低倍组织图，右边的为高倍组织图）；图6本发明实施例四中制备的棒材的低倍组织与高倍组织（其中左边的为低倍组织图，右边的为高倍组织图）；图7本发明实施例五中制备的棒材的低倍组织与高倍组织（其中左边的为低倍组织图，右边的为高倍组织图）。
具体实施方式
12.现结合附图及具体实施例，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同或相似方案均应落在本发明的保护范围内。且下文中：
“◇”
指代的是坯料横截面为正八边形坯料的厚度，“φ”指代的是横截面为圆形的坯料的直径；“l”指代的是坯料的长度；t
β
为相变点温度。
13.本发明所指各向异性产生的主要原因是棒材在拔长过程中β晶粒的单向拉长导致的横、纵向晶界密度差异性较大，并可通过动态回复与动态再结晶有效消除。但在两相区锻造过程中，动态回复与动态再结晶过程受位错迁移速度的影响，而位错迁移在热变形过程中受柯氏气团的钉扎作用（该作用的机制是，合金元素以固溶或间歇式固溶体的形式溶入ti基体中，由于合金化元素与基本元素的原子尺寸存在差异，ti基体的晶格点阵结构发生畸变，该畸变会形成柯氏气团钉扎位错的迁移。合金的合金化程度越高，钉扎作用就越强，变形过程动态回复于再接晶程度就越弱），同锻比拔长条件下成品棒材的各向异性也就越强，因此，超高强钛合金拔长棒材通常具有剧烈的各向异性。由此，为了缓解棒材的各向异
性，必须减弱柯氏气团对位错滑移的阻碍作用。柯氏气团的钉扎作用与合金中原子的扩散速度负相关，所以提升原子在热变形过程中的扩散速度是提升再结晶水平，缓解棒材各向异性的有效手段。
14.对比例1（即tc18钛合金棒材常规超高强钛合金自由锻造工艺）步骤一、将tc18钛合金熔炼成φ760mm规格铸锭；步骤二、参照表1对步骤一得到的铸锭进行单相区开坯锻造、低-高-低-高锻造和两相区均匀化锻造，完成锻造后的坯料规格为
◇
560
×
lmm；表1 ：步骤三、将经过步骤二得到的锻坯在t
β-40℃进行7火次的成型拔长锻造，具体每火次拔长锻造的的工艺参数如下表2所示，最终拔长至最终尺寸为φ210
×
lmm；表2：
15.对比例一最终制备的棒材其低倍组织、高倍组织如图2所示，力学性能如表2所示。
16.实施例一本实施例的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，具体通过如下步骤来完成：步骤1）、按照对比例1中步骤一制备得到规格为φ760mm铸锭，按照对比例1中的步骤二制备得到规格为
◇
560
×
lmm的锻坯；步骤2）、将步骤1）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
440mm
×
l，锻后空冷；步骤3）、将经过步骤2）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、10%的净拔长量拔长至
◇
420mm
×
l，锻后空冷；
步骤4）、将经过步骤3）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
330mm
×
l，锻后空冷；步骤5）、将经过步骤4）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、10%的净拔长量拔长至
◇
310mm
×
l，锻后空冷；步骤6）、将经过步骤5）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，随后将完成加热的坯料经1火次、30%的净拔长量拔长至
◇
260mm
×
l，锻后空冷；步骤7）、将经过步骤6）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，随后将完成加热的坯料经1火次、20%的净拔长量拔长至
◇
260mm
×
l，锻后空冷；步骤8）、将经过步骤7）制备得到的坯料在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，之后摔圆至φ220mm
×
l，机加后，即完成φ210mm
×
l棒材制备。
17.实施例二最终制备的棒材其低倍组织、高倍组织如图2所示，且该实施例涉及到的各火次技术参数及最终的棒材各向异性指标如下表3所示：表3：实施例二本实施例的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，具体通过如下步骤来完成：步骤1）、按照对比例1中步骤一制备得到规格为φ760mm铸锭，按照对比例1中的步骤二制备得到规格为
◇
560
×
lmm的锻坯；步骤2）、将步骤1）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
440mm
×
l，锻后热料回炉；步骤3）、将步骤2）制备得到的锻坯，按照0.3的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、30%的净拔长量拔长至
◇
370mm
×
l，锻后空冷；步骤4）、将经过步骤3）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、10%的净拔长量拔长至
◇
350mm
×
l，锻后空冷；步骤5）、将经过步骤4）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
270mm
×
l，锻后空冷；步骤6）、将经过步骤5）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、10%的净拔长量拔长至
◇
260mm
×
l，锻后空冷；步骤7）、将经过步骤6）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，随后将完成加热的坯料经1火次、20%的净拔长量拔长至
◇
235mm
×
l，锻后空冷；步骤8）、将经过步骤7）制备得到的坯料在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加
热，之后摔圆至φ220mm
×
l，机加后，即完成φ210mm
×
l棒材制备。
18.实施例二最终制备的棒材其低倍组织、高倍组织如图2所示，且该实施例涉及到的各火次技术参数及最终的棒材各向异性指标如下表4所示：表4：
19.实施例三本实施例的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，具体通过如下步骤来完成：步骤1）、按照对比例1中步骤一制备得到规格为φ760mm铸锭，按照对比例1中的步骤二制备得到规格为
◇
560
×
lmm的锻坯；步骤2）、将步骤1）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
440mm
×
l，锻后空冷；步骤3）、将经过步骤2）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、10%的净拔长量拔长至
◇
420mm
×
l，锻后空冷；步骤4）、将经过步骤3）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
300mm
×
l，锻后空冷；步骤5）、将经过步骤4）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数保温，完成加热后，经1火次、30%的净拔长量拔长至
◇
260mm
×
l，锻后空冷；步骤6）、将经过步骤5）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，随后将完成加热的坯料经1火次、25%的净拔长量拔长至
◇
235mm
×
l，锻后空冷；步骤7）、将经过步骤6）制备得到的坯料在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，之后摔圆至φ220mm
×
l，机加后，即完成φ210mm
×
l棒材制备。
20.上述实施例最终制备的棒材其低倍组织、高倍组织如图5所示，且该实施例涉及到的各火次技术参数及最终的棒材各向异性指标如下表5所示：表5：
实施例四本实施例的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，具体通过如下步骤来完成：步骤1）、按照对比例1中步骤一制备得到规格为φ760mm铸锭，按照对比例1中的步骤二制备得到规格为
◇
560
×
lmm的锻坯；步骤2）、将步骤1）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
440mm
×
l，锻后空冷；步骤3）、将经过步骤2）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、20%的净拔长量拔长至
◇
400mm
×
l，锻后空冷；步骤4）、将经过步骤3）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
310mm
×
l，锻后空冷；步骤5）、将经过步骤4）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、20%的净拔长量拔长至
◇
275mm
×
l，锻后空冷；步骤6）、将经过步骤5）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，随后将完成加热的坯料经1火次、25%的净拔长量拔长至
◇
235mm
×
l，锻后空冷；步骤7）、将经过步骤6）制备得到的坯料在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，之后摔圆至φ220mm
×
l，机加后，即完成φ210mm
×
l棒材制备。
21.上述实施例最终制备的棒材其低倍组织、高倍组织如图6所示，且该实施例涉及到的各火次技术参数及最终的棒材各向异性指标如下表6所示：表6：实施例五本实施例的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，具体通过如下步骤来完成：步骤1）、按照对比例1中步骤一制备得到规格为φ760mm铸锭，按照对比例1中的步骤二制备得到规格为
◇
560
×
lmm的锻坯；步骤2）、将步骤1）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
440mm
×
l，锻后水冷；步骤3）、将经过步骤2）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、10%的净拔长量拔长至
◇
420mm
×
l，锻后空冷；步骤4）、将经过步骤3）制备得到的锻坯，按照0.6的加热系数，在t
β-40℃下加热，随后将完成加热的坯料经1火次、40%的净拔长量拔长至
◇
330mm
×
l，锻后空冷；
步骤5）、将经过步骤4）制备得到的锻坯在t
β
+30℃下按照0.5的加热系数保温，完成加热后，经1火次、10%的净拔长量拔长至
◇
310mm
×
l，锻后空冷；步骤6）、将经过步骤5）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，随后将完成加热的坯料经1火次、30%的净拔长量拔长至
◇
260mm
×
l，锻后空冷；步骤7）、将经过步骤6）制备得到的锻坯在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，随后将完成加热的坯料经1火次、20%的净拔长量拔长至
◇
260mm
×
l，锻后空冷；步骤8）、将经过步骤7）制备得到的坯料在t
β-40℃下按照0.6的加热系数进行加热，之后摔圆至φ220mm
×
l，机加后，即完成φ210mm
×
l棒材制备。
22.上述最终制备的棒材其低倍组织、高倍组织如图7所示，且该实施例涉及到的各火次技术参数及最终的棒材各向异性指标如下表7所示：表7：结合实施例一~实施例五和对比例1可知，在开坯单相区锻造、低-高-低-高锻造和两相区均匀化锻造相同的情况下：对比实施例三和对比例1，在拔长锻造过程中，由净两相区拔长调整为增加一次再结晶锻造，再结晶工艺参数取本发明的参数范围内，所制备的超高强钛合金棒材的各向异性改善显著，原理是：经过第9火次大锻比拔长后，在tβ以上保温，促进材料的再结晶进程，使拉长的β晶粒重新转变成等轴的多边形晶粒，并通过小变形提升再结晶均匀性，减弱了棒材横向/纵向间晶界密度的差异，使棒材横向与纵向间的裂纹萌生与扩展差异性降低，从而降低了棒材的各向异性。
23.根据实施例一和实施例三，在拔长过程中，选择两次再结晶和一次再结晶，两次再结晶对棒材各向异性的改善作用更为显著，原理是：经两次再结晶后，坯料的β晶粒再一次再结晶的基础上进一步细化，较细的晶粒在拔长过程中倾向于通过晶粒滚转协调变形，而不是晶粒拔长，从而降低了晶粒的取向性。同时，部分两相区变形调整为再结晶变形后，相当于减少了成型过程的净拔长量，也有利于改善各向异性。
24.根据实施例一和实施例二，增加进入再结晶前的两相区拔长量有利于进一步改善超高强钛合金棒材各向异性，原理是：增加两相区拔长量后，再结晶前棒材累积的变形储能增加，有利于再接晶进行的更充分。
25.根据实施例一和实施例四，增加再结晶阶段变形量对再结晶的作用不显著，原因为：再结晶过程的变形改善了组织均匀性，但对晶粒度影响不大。
26.根据实施例一和实施例五，将再结晶前两相区拔长火次冷却方式由空冷调整为水冷，有利于进一步改善超高强钛合金棒材各向异性，原理是：调整为水冷后，减少了冷却过
程组织的回复作用，再结晶前棒材累积的变形储能增加，有利于再接晶进行的更充分。

技术特征：
1.一种缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，其特征在于，是在自由锻造过程中的成型锻造步骤中，将经过两相区锻造的锻坯在相变点温度以下30~50℃进行1~3个火次拔长，火次间进行空冷或热料回炉，然后进行再结晶处理，最后将经过再结晶处理的锻坯进行拔长。2.根据权利要求1所述的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，其特征在于，具体是通过如下步骤来实现的：步骤1）、将超高强钛合金铸锭按照常规超高强钛合金自由锻造工艺完成单相区锻造、低-高-低-高锻造和两相区锻造；步骤2）、将步骤1）中经过两相区锻造得到的锻坯在t
β-（30~50）℃进行1~3个火次拔长，单火次拔长变形量为30%~50%，火次间采用空冷或热料回炉，锻后空冷或水冷；步骤3）、将经过步骤2）得到的锻坯进行再结晶处理，处理方式是在t
β
+（10~50）℃对棒材进行加热，加热完成后对坯料进行变形量为0~25%拔长锻造，实现坯料的再结晶；步骤4）、将经过步骤3）得到的锻坯在t
β-（30~50）℃进行1~5个火次拔长，单火次拔长变形量为10%~40%，本阶段，棒材的累积变形量不得低于30%；步骤5）、将经过步骤4）得到的锻坯摔圆，摔圆拔长变形量为10~20%，最终获得各向异性较低、β晶界模糊的两相区锻造棒材。3.根据权利要求2所述的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，其特征在于，上述步骤2）与步骤3）为一个完整的再接处理过程，该过程重复n次才进入步骤4），其中n为大于等于1的整数。4.根据权利要求2所述的缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，其特征在于，上述步骤2）中加热系数为0.3~0.7；步骤3）中加热系数为0.3~0.7；步骤4）中加热系数为0.6~0.7。

技术总结
本发明涉及金属热变形成型技术领域，具体公开了一种缓解超高强钛合金棒材各向异性的拔长锻造方法，是在自由锻造过程中的成型锻造步骤中，将经过两相区锻造的锻坯在相变点温度以下30~50℃进行1~3个火次拔长，火次间进行空冷或热料回炉，然后进行再结晶处理，最后将经过再结晶处理的锻坯进行拔长。本发明有效提升成型锻造过程中的再结晶程度，从而降低β晶粒的织构强度，从而缓解成品棒材的各向异性。从而缓解成品棒材的各向异性。从而缓解成品棒材的各向异性。


技术研发人员：张宏岭 樊凯 李超 朱鸿昌 邹金佃 焦毅柱
受保护的技术使用者：湖南金天钛业科技有限公司
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/3/8