專利名稱：：一種鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗方法，屬金屬材料科學
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：隨著先進飛機對高減重、長壽命要求的不斷提高，比強度高、耐腐蝕性能好的鈦合金在飛機上的用量也在不斷增加。鈦合金模鍛件主要用于制造飛機上的隔框、梁和發(fā)動機壓氣機盤等重要承力零部件，對鍛件性能有很高要求。與鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼不同，鈦合金鍛造工藝參數(shù)對合金顯微組織和力學性能有很大影響。以TC6、TC11鈦合金為例，在化學成分固定的情況下，鍛造工藝變化可使延伸率S最大波動達15%，斷面收縮率^/達45%，沖擊韌性a肌達50J/cm2，斷裂韌性K^達60MPaV^，光滑試樣的疲勞極限達150MPa，持久強度和蠕變強度達80120MPa。從一定意義上講，鍛造工藝對性能的影響比合金成分的影響更顯著。研究鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗方法主要有3種(1)熱模擬試驗熱模擬是研究各類金屬在不同變形條件下應力一應變行為的基礎(chǔ)試驗方法。通過設(shè)定不同的加熱溫度、應變速率、變形量等工藝參數(shù)，可獲得金屬在拉伸或壓縮過程中的應力一應變曲線，用于指導鍛造工藝的制定。由于熱模擬試樣尺寸小，熱模擬后通常只能進行顯微組織和硬度分析，無法切取拉伸、沖擊、斷裂等力學性能試樣，因此不能有效建立起"工藝一組織一性能"三者對應關(guān)系。(2)鐓餅試驗鐓餅試驗是最常用的研究鍛造參數(shù)與鍛件力學性能關(guān)系的試驗方法。在對新合金進行鍛造工藝研究或?qū)σ延泻辖疬M行工藝優(yōu)化時，通常采用該方法。鐓餅試驗方法的要點是先切取同樣大小的試驗坯料，然后按不同的工藝對坯料進行鐓粗變形，通過從餅坯上切取力學性能試樣建立起"工藝一組織一性能"對應關(guān)系。這種試驗方法的缺點主要有(a)鐓粗變形存在明顯的區(qū)域不均勻性。在餅坯截面上同時存在變形死區(qū)、大變形區(qū)及自由變形區(qū)，不同區(qū)域上組織性能都有很大差異。取樣位置不當很容易造成力學性能試驗結(jié)果分散性大，嚴重時甚至會誤導模鍛工藝制定。(b)研究變形量對力學性能的影響時，每種變形量都需要鍛成獨立的坯料，試驗效率低。另外，坯料變形量通過控制壓機或錘頭壓下量保證，容易受操作人員主觀因素影響，很難作到與設(shè)計的變形量完全一致。(3)模鍛試驗該方法是直接采用現(xiàn)成的模具來研究鍛造工藝參數(shù)對鍛件性能的影響。這種方法得到的試驗結(jié)果能夠代表合金在不同鍛造工藝下的真實性能水平，但也存在缺點，主要包括(a)無法定量研究變形量對鍛件力學性能的影響，由于飛機上的鍛件多為高筋薄壁結(jié)構(gòu)形式，筋部是通過反擠壓成形的，變形量很難精確計算；(b)鍛件上可以切取力學性能試樣的位置少，材料利用率低；(c)鍛件形狀復雜，制坯需要多火次完成，工作量大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明正是在現(xiàn)在技術(shù)的基礎(chǔ)之上，提出了一種鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗方法，其目的是找到一種研究鈦合金鍛造工藝參數(shù)的新方法。采用該方法獲得的試驗專用鍛件低倍組織均勻、性能數(shù)據(jù)分散性小、材料利用率極高，可以有效避免傳統(tǒng)鐓餅試驗造成的組織和性能不均勻性。采用該試驗方法可以精確研究鍛造工藝參數(shù)與鍛件力學性能之間的定量關(guān)系，揭示合金"工藝一組織一性能"內(nèi)在關(guān)系。本發(fā)明的目的是通過以下措施來實現(xiàn)的該種鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗方法，其特征在于該方法的步驟是1)對鈦合金棒材進行多火次各方向鍛造，獲得盡量均勻的原始組織，低倍組織應符合"鈦合金低倍組織10級評級圖"中的13級；2)將改鍛后的棒材在P相變點(Te)以下305(TC制成厚度100±2mm，寬度130士2mm，長度260mm的坯料；3)坯料在20(TC左右預熱12h，涂覆鈦合金模鍛專用潤滑劑Ti一6;4)將模具表面預熱至35(TC以上，坯料出爐后迅速放入模具型槽內(nèi)進行模鍛，模鍛在12火內(nèi)完成，并在坯料上獲得10%、35%和60%三個不同的變形量；5)鍛件熱處理后，在不同變形量部位切取各種類型的力學性能試樣，用于確定鍛造溫度、保溫時間、變形量等鍛造參數(shù)與鍛件力學性能和顯微組織之間的定量關(guān)系。為了實現(xiàn)這一要求，該試驗方法是在一定形狀的鍛件上實現(xiàn)的，在這個鍛件上同時獲得10%、35%和60%三個不同的變形量。采用不同厚度的坯料，還能獲得更寬范圍的不同變形量。該試驗方法可代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍛造工藝研究方法一鐓餅法，用于已有鈦合金鍛造工藝優(yōu)化、新研制鈦合金鍛造工藝制定及相近合金之間的全面性能比較。通過該試驗方法還能夠獲得變形量、鍛造溫度、保溫時間等鍛造參數(shù)與拉伸強度、延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性、斷裂韌度、疲勞強度等力學性能的定量關(guān)系，這種定量關(guān)系可直接用于指導飛機、發(fā)動機上鈦合金模鍛件的生產(chǎn)。圖1是本發(fā)明實施例2的變形量與延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性和斷裂韌度的對應關(guān)系圖。具體實施例方式以下將結(jié)合實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步地詳述實施例1鐓餅法與本發(fā)明方法的對比試驗原材料采用TC18(Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-1Fe)鈦合金*155mm棒材。首先對棒材在Te—3(TC進行各方向鍛件，分兩火完成，每火鐓拔各一次，鐓拔變形量均在50%左右。將改鍛后的棒材鍛至表1中給出的尺寸，然后分別采用鐓餅法和本發(fā)明試驗方法對坯料進行鍛造，本發(fā)明方法具體工藝參數(shù)見表1及如下步驟1)對鈦合金棒材進行多火次各方向鍛造，獲得盡量均勻的原始組織，低倍組織應符合"鈦合金低倍組織10級評級圖"中的13級；2)將改鍛后的棒材在相變點以下305(TC制成厚度100土2mm，寬度130士2mm，長度260mm的坯料；3)坯料在20(TC左右預熱12h，涂覆鈦合金模鍛專用潤滑劑Ti一6;4)將模具表面預熱至35(TC以上，坯料出爐后迅速放入模具型槽內(nèi)進行模鍛，模鍛在12火內(nèi)完成，并在鍛件上獲得10%、35%和60%三個不同的變形量；5)鍛件熱處理后，在不同變形量部位切取各種類型的力學性能試樣,用于確定鍛造溫度、保溫時間、變形量等鍛造參數(shù)與鍛件力學性能和顯微組織之間的定量關(guān)系。表l鐓餅法和本發(fā)明試驗方法采用的鍛造工藝參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>試驗結(jié)果見表2。由表2可見，采用鐓餅法進行試驗時，縱橫向性能差異和數(shù)據(jù)分散性都很大，相鄰取樣位置上Ob波動最大值達50MPa，v達15%，Kn;達12MPaV^;另外，斷裂韌度的試驗結(jié)果也不符合組織性能關(guān)系的基本規(guī)律。眾所周知，鈦合金在兩相區(qū)鍛造時獲得等軸或雙態(tài)組織，斷裂韌度較低；在P相變點以上鍛造時，初生a相形態(tài)由等軸轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺?，斷裂韌度會明顯提高。從鐓餅試驗結(jié)果看，兩相區(qū)鍛造和在e區(qū)鍛造Kk是相當?shù)?。由?可以看出，采用本發(fā)明試驗方法獲得的鍛件性能均勻性明顯好于鐓餅試驗。鍛件縱橫向性能差異和數(shù)據(jù)分散性都很小，相鄰取樣位置上Ob波動最大值僅為9MPa，11/為4%，K^為4MPaV^。P相變點以上鍛造時Ku;平均值為58.8MPaV^，明顯高于兩相區(qū)鍛造時的37.2MPaV^。從上述結(jié)果不難看出，采用本發(fā)明方法研究鈦合金鍛造工藝參數(shù)有明顯優(yōu)越性。表2不同試驗方法下TC18鈦合金鍛件主要力學性能測試結(jié)果(e=35%)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注鍛后熱處理制度825°C，2h，爐冷至750°C，2h，AC+620°C,4h，AC。由圖1可見，在選定的試驗溫度下，變形量與延伸率、斷面收縮率和斷裂韌度均呈良好的線性關(guān)系，公式如下S5(%)=0.07e+11.9R2=0.9992(1)V(%)=0.43e+20.1R2=0.9986(2)KIC(MPaV^)=—0.32e+102.1R2=0.9892(3)aKU(J/cm2)=—0.013e2+1.2e+29.7R2=1(4)相關(guān)系數(shù)分別為0.9992、0.9986、0.9892。變形量e每增加10%，延伸率提高0.7%;斷面收縮率提高4.3%;KK下降3.2MPa^。沖擊韌性和變形量之間呈二次方關(guān)系，aKu先隨變形量增加而提高，當變形量超過35%后，aKu又開始降低。盡管按以往的鍛造工藝試驗方法，技術(shù)人員已經(jīng)對變形量與鈦合金塑性、斷裂韌度之間的一般規(guī)律有所了解，即變形量增加塑性提高，斷裂韌度下降。但目前還未見有關(guān)變形量與鈦合金力學性能定量關(guān)系的研究報道。采用本發(fā)明獲得的試驗結(jié)果表明，變形量對延伸率、斷面收縮率和斷裂韌度的影響十分顯著。技術(shù)人員可以根據(jù)上述定量關(guān)系，調(diào)整坯料尺寸，保證模鍛件上合理的變形量，從而獲得塑性與斷裂韌度的最佳匹配。權(quán)利要求1.一種鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗方法，其特征在于該方法的步驟是1)對鈦合金棒材進行多火次各方向鍛造，獲得盡量均勻的原始組織，低倍組織應符合“鈦合金低倍組織10級評級圖”中的1～3級；2)將改鍛后的棒材在β相變點(Tβ)以下30～50℃制成厚度100±2mm，寬度130±2mm，長度260±2mm的坯料；3)坯料在200℃左右預熱1～2h，涂覆鈦合金模鍛專用潤滑劑Ti-6；4)將模具表面預熱至350℃以上，坯料出爐后迅速放入模具型槽內(nèi)進行模鍛，模鍛在1～2火內(nèi)完成，并在鍛件上獲得10％、35％和60％三個不同的變形量；5)鍛件熱處理后，在不同變形量部位切取各種類型的力學性能試樣，用于確定鍛造溫度、保溫時間、變形量等鍛造參數(shù)與鍛件力學性能和顯微組織之間的定量關(guān)系。全文摘要本發(fā)明涉及一種鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗方法，其步驟是1)對鈦合金棒材進行多火次各方向鍛造，獲得盡量均勻的原始組織；2)將改鍛后的棒材在β相變點(T_β)以下30～50℃制成坯料；3)坯料在200℃左右預熱1～2h，涂覆鈦合金模鍛專用潤滑劑Ti-6；4)將模具表面預熱至350℃以上，模鍛在1～2火內(nèi)完成，并在鍛件上獲得10％、35％和60％三個不同的變形量；5)鍛件熱處理后，在不同變形量部位取各種類型的力學性能試樣，確定鍛造溫度、保溫時間、變形量等參數(shù)與力學性能和顯微組織之間的定量關(guān)系。技術(shù)人員可以根據(jù)上述定量關(guān)系，調(diào)整坯料尺寸，保證模鍛件上合理的變形量，從而獲得塑性與斷裂韌度的最佳匹配。文檔編號C22F1/18GK101294265SQ20081009752公開日2008年10月29日申請日期2008年5月12日優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日發(fā)明者儲俊鵬,菁曾,李興無,李建華,沙愛學,熊運森,王慶如,靜謝申請人:中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空材料研究院;中國第二重型機械集團(德陽)萬航模鍛廠