專利名稱：：鈦合金β鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是鈦合金P鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，屬材料科學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
。技術(shù)背景近a型和a—P型鈦合金因熱變形工藝不同可以獲得四種類型顯微組織，其中實(shí)際應(yīng)用最多的鍛件是雙態(tài)組織。網(wǎng)籃組織與雙態(tài)組織比較，具有更優(yōu)良的綜合性能，其斷裂韌度、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力、疲勞強(qiáng)度和蠕變抗力高，大大提高構(gòu)件的使用壽命，對(duì)設(shè)計(jì)人員有巨大的吸引力。但網(wǎng)籃組織長(zhǎng)期以來(lái)未被鍛件的使用者所接受，主要是因?yàn)橐坏┕に噧?yōu)化不好，會(huì)顯著降低鍛件的塑性。解決網(wǎng)籃組織的塑性問(wèn)題一直是鈦合金P鍛造的一大難題。為了能更好地優(yōu)化鈦合金g鍛造工藝參數(shù)，曾有過(guò)許多關(guān)于工藝參數(shù)一組織一性能之間關(guān)系的報(bào)道，例如加熱溫度、加熱時(shí)間與P晶粒直徑的關(guān)系；組織參數(shù)D、d、b值與力學(xué)性能的定量關(guān)系研究，并給出了它們之間的經(jīng)驗(yàn)公式。但是尚未看到3鍛造工藝參數(shù)一組織參數(shù)一力學(xué)性能三者之間的定量關(guān)系研究。主要原因可能是組織參數(shù)的測(cè)試誤差較大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)工藝狀況的需要而設(shè)計(jì)提供了一種鈦合金0鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其目的是直接建立3鍛造工藝參數(shù)與力學(xué)性能之間的定量關(guān)系，這種定量關(guān)系不僅能夠優(yōu)化工藝參數(shù)，獲得高塑性的網(wǎng)籃組織，而且可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要的不同性能指標(biāo)要求，優(yōu)化不同的、最佳的e鍛造工藝參數(shù)，從而更簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、有效地控制P鍛造工藝，正確地指導(dǎo)高質(zhì)量鈦合金模鍛件的實(shí)際生產(chǎn)。本發(fā)明技術(shù)方案是通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的該種鈦合金P鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于該方法提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式4=1/29十8ri式中；是P鍛綜合參數(shù)，6的物理意義代表^晶粒平均直徑D，D與^之間呈線性關(guān)系；3鍛溫度e二T—Te，T是e區(qū)加熱溫度，Te是P相變點(diǎn)溫度；加熱系數(shù)n二t/S，t是e區(qū)加熱時(shí)間，S為坯料厚度；在一定的變形量下(e=10%60%),P鍛綜合參數(shù)C與鍛件的斷面收縮率V和鍛件的沖擊韌性aKu均呈線性定量關(guān)系；4與鍛件的斷裂韌度Ku:具有峰值定量關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的鍛件不同力學(xué)性能指標(biāo)，通過(guò)上述定量關(guān)系的優(yōu)化組合，獲得最佳的模鍛工藝窗口，確定p鍛造工藝參數(shù)e和i]。該優(yōu)化方法及其經(jīng)驗(yàn)公式；=1/29+8ri適用的鈦合金類型為近a型鈦合金、a—P型鈦合金和近P型鈦合金。上述定量關(guān)系的獲得是采用分段加熱的P鍛造工藝實(shí)現(xiàn)的，其工藝過(guò)程是鈦合金坯料在電阻爐中預(yù)熱，預(yù)熱溫度為P相變點(diǎn)(T》以下2040°C，預(yù)熱時(shí)間隨坯料厚度而增加。將預(yù)熱保溫后的坯料隨爐升溫至P相變點(diǎn)以上溫度加熱后鍛造。采用分段加熱的P鍛造工藝來(lái)獲得定量關(guān)系是因?yàn)橐酝腜鍛造多采用將坯料直接在P區(qū)加熱的方法。這種加熱方法有兩個(gè)缺點(diǎn)。一是在P區(qū)的加熱時(shí)間長(zhǎng)，使晶粒過(guò)分長(zhǎng)大；二是加熱坯料的外部在P區(qū)的加熱時(shí)間比內(nèi)部要長(zhǎng)很多，造成內(nèi)外部P晶粒尺寸的差異以及組織和力學(xué)性能的差別。坯料的截面越大，差別也越大，尤其是對(duì)大型鍛件的均勻性影響更大。采用在a+P區(qū)與e區(qū)相結(jié)合的分段加熱方法，而且主要是在a+P區(qū)預(yù)熱，然后快速升溫至e區(qū)加熱，則可大大縮短在P區(qū)的加熱時(shí)間，獲得細(xì)小的、均勻的P晶粒尺寸和均勻的力學(xué)性能。圖1是本發(fā)明方法實(shí)施例1中鈦合金試驗(yàn)?zāi)ｅ懠牧W(xué)性能和晶粒平均直徑D與P鍛綜合參數(shù)S的關(guān)系圖，圖中百分?jǐn)?shù)表示變形量。圖2是本發(fā)明方法實(shí)施例2中鈦合金生產(chǎn)模鍛件的斷面收縮率ur與e鍛綜合參數(shù)；的關(guān)系圖，圖中虛線表示95%置信度區(qū)間。具體實(shí)施方式以下將結(jié)合應(yīng)用實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳述實(shí)施例1給定Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-lFe鈦合金模鍛件設(shè)計(jì)指標(biāo)為ob》1080MPa，ur》20%，aKU>25J/cm2，KI(;>60MPaV^，確定其分段加熱0鍛造工藝參數(shù)。Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-lFe是高鉬當(dāng)量a—P型鈦合金，其e相變點(diǎn)為87(TC左右。引入P鍛工藝參數(shù)e和ri。P鍛溫度e表示P區(qū)加熱溫度T(。C)與P相變點(diǎn)Te(°C)的溫度差，即e二T一Tp;加熱系數(shù)q表示P區(qū)加熱時(shí)間t(min)與坯料厚度S(100mm)的比值，gpil=t/S。變形量用e(%)表示。首先通過(guò)工藝試驗(yàn)建立P鍛造工藝參數(shù)與V、aKU、KK的定量關(guān)系。工藝試驗(yàn)用坯料厚度lOOmm，模鍛變形量取值10%、35%、60%。在III類爐，即有效工作區(qū)最大溫度偏差不大于士10。C的電阻爐中對(duì)坯料加熱，并采用可控硅控溫，控溫精度士2。C。坯料在爐溫到達(dá)預(yù)熱溫度后裝爐，擺放在有效工作區(qū)內(nèi)。首先在Te—3(TC預(yù)熱60min，然后升至P區(qū)不同溫度加熱并模鍛，第二火模鍛在a+P區(qū)進(jìn)行。鍛件經(jīng)過(guò)820°C/2h,爐冷至750'C/2h，風(fēng)冷+62(TC/4h，空冷的雙重退火。選用不同的P鍛工藝參數(shù)(e、ii)得到4個(gè)試驗(yàn)?zāi)ｅ懠鍛工藝參數(shù)與相應(yīng)的力學(xué)性能列于表l。表1Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-lFe鈦合金試驗(yàn)?zāi)ｅ懠覝亓W(xué)性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>注數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣平均值。通過(guò)對(duì)各種數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，找到了經(jīng)驗(yàn)公式c=1/2e+8n來(lái)表示e和ri的綜合作用，稱之為P鍛綜合參數(shù)。C與V、aKu均呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，見(jiàn)回歸方程式(1)(6)和圖l;4與KK:呈峰值關(guān)系。=10%V(%)=51.1476-1.8597CR2=0.9961(1)=35%V(%)=49.0204-1.28414R2=0.9976(2)=60%V(%)=50.6775-1.01994R2=0.9945(3)=10%aKU(J/cm2)=42.9381-0.36224R2=0.8982(4)=35%aKU(J/cm2)=52.0953-0.42414R2=0.8481(5)=60%aKU(J/cm2)=50.7198-0.39564R2=0.9502(6)由圖1可見(jiàn)，隨C的增加，V和^值均呈線性下降。變形量e越小，V值越小，而且V—;直線的斜率(絕對(duì)值)越大，說(shuō)明隨變形量的減小，4對(duì)V值的影響越大。3ku與e的關(guān)系要復(fù)雜一些，小變形10%的aKU值最小，中變形35%的aKu值最大，大變形60%的aKu值介于二者之中，但aKu—6直線的斜率相近，三條直線幾乎是平行的。從圖1上還看到，KIC與C之間并沒(méi)有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是具有峰值關(guān)系。在C增加到12左右時(shí)，Kn;達(dá)到最大值。原因是網(wǎng)籃組織的e晶粒和a集群尺寸增加到一定程度，使裂紋擴(kuò)展的曲折程度和路徑達(dá)到最大值，P晶粒和a集群尺寸再增大，裂紋擴(kuò)展路徑反而下降。KK值隨變形量e的增加而下降，e為10%35%范圍的Kk;僮比35%60%范圍的下降速度慢。這些規(guī)律表明，所建立的經(jīng)驗(yàn)公式4二1/29+8n很好地揭示了e、H與V、aKU、KK之間的相互關(guān)系，達(dá)到了用1個(gè)參數(shù)C替代2個(gè)參數(shù)9、n的目的，從而使得ur—；、aKu—S和KK一^關(guān)系非常簡(jiǎn)單。實(shí)際上4的物理意義代表P晶粒平均直徑，這一點(diǎn)從圖1中晶粒直徑D與C的線性關(guān)系即可說(shuō)明。因此也就容易理解變形量e越小，；值所代表的e晶粒直徑對(duì)W值的影響越大。實(shí)施例1大型模鍛件工藝參數(shù)的確定可以按以下步驟進(jìn)行A.由表1確定，ob隨C和e的變化不大，在1119114曹a范圍，均滿足1080MPa的要求，工藝參數(shù)不限定。B.由圖1判斷，v和8ku均隨；值增加而下降，而KK則與6具有峰值關(guān)系，為了獲得三者較高的綜合力學(xué)性能，6值為6~11的范圍較為合適。C.根據(jù)鍛件的實(shí)際變形量e確定S值。大型模鍛件的變形量e大約為10%15%，宜選取稍小的4值。D.確定分段加熱P鍛造工藝參數(shù)P鍛溫度e二5'C;e區(qū)加熱時(shí)間55min，加熱系數(shù)il為0.55，由經(jīng)驗(yàn)公式4=1/29+81^計(jì)算的6值為6.9。E.驗(yàn)證結(jié)果以變形量e=10%和4二6.9推算的力學(xué)性能為:nr=38.3%，aKU=40.4J/cm2，Kn;約88MPa^。大型模鍛件的實(shí)測(cè)性能為ob=1128MPa，S5=14.5%，W=35.6%，aKU=40.7J/cm2,KIC=79.8MPa^(C—L方向)。這一結(jié)果表明，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較吻合，V和aKu的誤差很小，KK的誤差稍大一些，可能與取樣方向不完全一致有關(guān)。應(yīng)用實(shí)例2:給定Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si鈦合金模鍛件設(shè)計(jì)指標(biāo)為Ob^980MPa，ur>25%，確定其分段加熱P鍛造工藝參數(shù)。Ti-6A1-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si是高鋁當(dāng)量a—p型鈦合金，其e相變點(diǎn)為97crc左右。首先采用分段加熱e鍛造進(jìn)行了不同工藝參數(shù)試驗(yàn)。鍛件經(jīng)800°C/2h，空冷的普通退火。對(duì)該合金的研究結(jié)果表明，經(jīng)驗(yàn)公式；=1/2e+8q同樣適用。9個(gè)模鍛件試驗(yàn)結(jié)果同樣得到了￥_;線性回歸方程式(7)，其相關(guān)系數(shù)R2為0.9873，見(jiàn)圖2。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)公式4=1/29+8iT具有普遍意義。由方程(7)及其標(biāo)準(zhǔn)差S二1.2955計(jì)算出具有95。/。置信度的上、下限方程式(8)、(9)。V(%)=54.9141—3.56064(7)上限方程式V(%)=57.4534—3.56064(8)下限方程式￥(%)=52.3748—3.5606;(9)實(shí)施例2的工藝參數(shù)的確定可以按以下步驟進(jìn)行A.ob隨6的變化不大，而且均滿足980MPa的要求，工藝參數(shù)不限定。8.將指標(biāo)￥>25%代入95%置信度下限方程式(9)計(jì)算出〖《7.69。C.根據(jù)P區(qū)加熱時(shí)，最后一件的加熱時(shí)間為40min，則加熱系數(shù)il計(jì)算為0.40。D.將；《7.69和n=o.40代入經(jīng)驗(yàn)公式c=1/2e+8ii，計(jì)算出e《9.o。c。E.確定分段加熱e鍛造工藝參數(shù)6鍛溫度9=5°<:;加熱系數(shù)il二0.40，加熱最長(zhǎng)時(shí)間40min。權(quán)利要求1.鈦合金β鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于該方法提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式ζ＝1/2θ+8η式中ζ是β鍛綜合參數(shù)，ζ的物理意義代表β晶粒平均直徑D，D與ζ之間呈線性關(guān)系；β鍛溫度θ＝T-Tβ，T是β區(qū)加熱溫度，Tβ是β相變點(diǎn)溫度；加熱系數(shù)η＝t/δ，t是β區(qū)加熱時(shí)間，δ為坯料厚度；在一定的變形量下，β鍛綜合參數(shù)ζ與鍛件的斷面收縮率ψ和鍛件的沖擊韌性aKU均呈線性定量關(guān)系；ζ與鍛件的斷裂韌度KIC具有峰值定量關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的鍛件不同力學(xué)性能指標(biāo)，通過(guò)上述定量關(guān)系的優(yōu)化組合，獲得最佳的模鍛工藝窗口，確定β鍛造工藝參數(shù)θ和η。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的鈦合金e鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于該優(yōu)化方法及其經(jīng)驗(yàn)公式C=1/2e+8il適用的鈦合金類型為近a型鈦合金、a—0型鈦合金和近3型鈦合金。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的鈦合金e鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于上述變形量在試驗(yàn)?zāi)ｅ懠贤瑫r(shí)取值10%、35%、60%,坯料厚度取值是100mm。4..根據(jù)權(quán)利要求l所述的鈦合金e鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于上述定量關(guān)系的獲得是采用分段加熱的e鍛造工藝實(shí)現(xiàn)的，其工藝過(guò)程是鈦合金坯料在電阻爐中預(yù)熱，預(yù)熱溫度為e相變點(diǎn)(Te)以下2040'C，預(yù)熱時(shí)間隨坯料厚度而增加。將預(yù)熱保溫后的坯料隨爐升溫至P相變點(diǎn)以上溫度加熱后鍛造。全文摘要本發(fā)明是鈦合金β鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化方法，該方法提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式ζ＝1/2θ+8η，式中ζ是β鍛綜合參數(shù)，ζ的物理意義代表β晶粒平均直徑D，D與ζ之間呈線性關(guān)系；β鍛溫度θ＝T-T_β，T是β區(qū)加熱溫度，T_β是β相變點(diǎn)溫度；加熱系數(shù)η＝t/δ，t是β區(qū)加熱時(shí)間，δ為坯料厚度；在一定的變形量下，β鍛綜合參數(shù)ζ與鍛件的斷面收縮率ψ和鍛件的沖擊韌性a_KU均呈線性定量關(guān)系；ζ與鍛件的斷裂韌度K_IC具有峰值定量關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的鍛件不同力學(xué)性能指標(biāo)，通過(guò)上述定量關(guān)系的優(yōu)化組合，獲得最佳的模鍛工藝窗口，確定分段加熱的β鍛造工藝參數(shù)θ和η，正確指導(dǎo)鍛件的實(shí)際生產(chǎn)。該方法及其經(jīng)驗(yàn)公式ζ＝1/2θ+8η適用于近α型、α-β型和近β型各種鈦合金。文檔編號(hào)C22F1/18GK101270461SQ20081009752公開(kāi)日2008年9月24日申請(qǐng)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(chǔ)俊鵬,菁曾,李興無(wú),李建華,沙愛(ài)學(xué),熊運(yùn)森,王慶如,靜謝申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)公司北京航空材料研究院;中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)(德陽(yáng))萬(wàn)航模鍛廠