專利名稱：：鈦合金β鍛造工藝參數優化方法
技術領域：
：本發明是鈦合金P鍛造工藝參數優化方法，屬材料科學
技術領域：
。技術背景近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，其中實際應用最多的鍛件是雙態組織。網籃組織與雙態組織比較，具有更優良的綜合性能，其斷裂韌度、疲勞裂紋擴展抗力、疲勞強度和蠕變抗力高，大大提高構件的使用壽命，對設計人員有巨大的吸引力。但網籃組織長期以來未被鍛件的使用者所接受，主要是因為一旦工藝優化不好，會顯著降低鍛件的塑性。解決網籃組織的塑性問題一直是鈦合金P鍛造的一大難題。為了能更好地優化鈦合金g鍛造工藝參數，曾有過許多關于工藝參數一組織一性能之間關系的報道，例如加熱溫度、加熱時間與P晶粒直徑的關系；組織參數D、d、b值與力學性能的定量關系研究，并給出了它們之間的經驗公式。但是尚未看到3鍛造工藝參數一組織參數一力學性能三者之間的定量關系研究。主要原因可能是組織參數的測試誤差較大。
發明內容本發明是根據現有技術工藝狀況的需要而設計提供了一種鈦合金0鍛造工藝參數優化方法，其目的是直接建立3鍛造工藝參數與力學性能之間的定量關系，這種定量關系不僅能夠優化工藝參數，獲得高塑性的網籃組織，而且可以根據設計需要的不同性能指標要求，優化不同的、最佳的e鍛造工藝參數，從而更簡便、準確、有效地控制P鍛造工藝，正確地指導高質量鈦合金模鍛件的實際生產。本發明技術方案是通過以下措施來實現的該種鈦合金P鍛造工藝參數優化方法，其特征在于該方法提出了一個經驗公式4=1/29十8ri式中；是P鍛綜合參數，6的物理意義代表^晶粒平均直徑D，D與^之間呈線性關系；3鍛溫度e二T—Te，T是e區加熱溫度，Te是P相變點溫度；加熱系數n二t/S，t是e區加熱時間，S為坯料厚度；在一定的變形量下(e=10%60%),P鍛綜合參數C與鍛件的斷面收縮率V和鍛件的沖擊韌性aKu均呈線性定量關系；4與鍛件的斷裂韌度Ku:具有峰值定量關系，根據設計要求的鍛件不同力學性能指標，通過上述定量關系的優化組合，獲得最佳的模鍛工藝窗口，確定p鍛造工藝參數e和i]。該優化方法及其經驗公式；=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。上述定量關系的獲得是采用分段加熱的P鍛造工藝實現的，其工藝過程是鈦合金坯料在電阻爐中預熱，預熱溫度為P相變點(T》以下2040°C，預熱時間隨坯料厚度而增加。將預熱保溫后的坯料隨爐升溫至P相變點以上溫度加熱后鍛造。采用分段加熱的P鍛造工藝來獲得定量關系是因為以往的P鍛造多采用將坯料直接在P區加熱的方法。這種加熱方法有兩個缺點。一是在P區的加熱時間長，使晶粒過分長大；二是加熱坯料的外部在P區的加熱時間比內部要長很多，造成內外部P晶粒尺寸的差異以及組織和力學性能的差別。坯料的截面越大，差別也越大，尤其是對大型鍛件的均勻性影響更大。采用在a+P區與e區相結合的分段加熱方法，而且主要是在a+P區預熱，然后快速升溫至e區加熱，則可大大縮短在P區的加熱時間，獲得細小的、均勻的P晶粒尺寸和均勻的力學性能。圖1是本發明方法實施例1中鈦合金試驗模鍛件的力學性能和晶粒平均直徑D與P鍛綜合參數S的關系圖，圖中百分數表示變形量。圖2是本發明方法實施例2中鈦合金生產模鍛件的斷面收縮率ur與e鍛綜合參數；的關系圖，圖中虛線表示95%置信度區間。具體實施方式以下將結合應用實例對本發明作進一步地詳述實施例1給定Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-lFe鈦合金模鍛件設計指標為ob》1080MPa，ur》20%，aKU>25J/cm2，KI(;>60MPaV^，確定其分段加熱0鍛造工藝參數。Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-lFe是高鉬當量a—P型鈦合金，其e相變點為87(TC左右。引入P鍛工藝參數e和ri。P鍛溫度e表示P區加熱溫度T(。C)與P相變點Te(°C)的溫度差，即e二T一Tp;加熱系數q表示P區加熱時間t(min)與坯料厚度S(100mm)的比值，gpil=t/S。變形量用e(%)表示。首先通過工藝試驗建立P鍛造工藝參數與V、aKU、KK的定量關系。工藝試驗用坯料厚度lOOmm，模鍛變形量取值10%、35%、60%。在III類爐，即有效工作區最大溫度偏差不大于士10。C的電阻爐中對坯料加熱，并采用可控硅控溫，控溫精度士2。C。坯料在爐溫到達預熱溫度后裝爐，擺放在有效工作區內。首先在Te—3(TC預熱60min，然后升至P區不同溫度加熱并模鍛，第二火模鍛在a+P區進行。鍛件經過820°C/2h,爐冷至750'C/2h，風冷+62(TC/4h，空冷的雙重退火。選用不同的P鍛工藝參數(e、ii)得到4個試驗模鍛件。P鍛工藝參數與相應的力學性能列于表l。表1Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-lFe鈦合金試驗模鍛件室溫力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>注數據為3個試樣平均值。通過對各種數學模型的計算，找到了經驗公式c=1/2e+8n來表示e和ri的綜合作用，稱之為P鍛綜合參數。C與V、aKu均呈簡單的線性關系，見回歸方程式(1)(6)和圖l;4與KK:呈峰值關系。=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，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(絕對值)越大，說明隨變形量的減小，4對V值的影響越大。3ku與e的關系要復雜一些，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之間并沒有簡單的線性關系，而是具有峰值關系。在C增加到12左右時，Kn;達到最大值。原因是網籃組織的e晶粒和a集群尺寸增加到一定程度，使裂紋擴展的曲折程度和路徑達到最大值，P晶粒和a集群尺寸再增大，裂紋擴展路徑反而下降。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。這些規律表明，所建立的經驗公式4二1/29+8n很好地揭示了e、H與V、aKU、KK之間的相互關系，達到了用1個參數C替代2個參數9、n的目的，從而使得ur—；、aKu—S和KK一^關系非常簡單。實際上4的物理意義代表P晶粒平均直徑，這一點從圖1中晶粒直徑D與C的線性關系即可說明。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W值的影響越大。實施例1大型模鍛件工藝參數的確定可以按以下步驟進行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具有峰值關系，為了獲得三者較高的綜合力學性能，6值為6~11的范圍較為合適。C.根據鍛件的實際變形量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P鍛溫度e二5'C;e區加熱時間55min，加熱系數il為0.55，由經驗公式4=1/29+81^計算的6值為6.9。E.驗證結果以變形量e=10%和4二6.9推算的力學性能為:nr=38.3%，aKU=40.4J/cm2，Kn;約88MPa^。大型模鍛件的實測性能為ob=1128MPa，S5=14.5%，W=35.6%，aKU=40.7J/cm2,KIC=79.8MPa^(C—L方向)。這一結果表明，實測值與計算值比較吻合，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。應用實例2:給定Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si鈦合金模鍛件設計指標為Ob^980MPa，ur>25%，確定其分段加熱P鍛造工藝參數。Ti-6A1-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si是高鋁當量a—p型鈦合金，其e相變點為97crc左右。首先采用分段加熱e鍛造進行了不同工藝參數試驗。鍛件經800°C/2h，空冷的普通退火。對該合金的研究結果表明，經驗公式；=1/2e+8q同樣適用。9個模鍛件試驗結果同樣得到了￥_;線性回歸方程式(7)，其相關系數R2為0.9873，見圖2。這一結果進一步說明經驗公式4=1/29+8iT具有普遍意義。由方程(7)及其標準差S二1.2955計算出具有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)實施例2的工藝參數的確定可以按以下步驟進行A.ob隨6的變化不大，而且均滿足980MPa的要求，工藝參數不限定。8.將指標￥>25%代入95%置信度下限方程式(9)計算出〖《7.69。C.根據P區加熱時，最后一件的加熱時間為40min，則加熱系數il計算為0.40。D.將；《7.69和n=o.40代入經驗公式c=1/2e+8ii，計算出e《9.o。c。E.確定分段加熱e鍛造工藝參數6鍛溫度9=5°<:;加熱系數il二0.40，加熱最長時間40min。權利要求1.鈦合金β鍛造工藝參數優化方法，其特征在于該方法提出了一個經驗公式ζ＝1/2θ+8η式中ζ是β鍛綜合參數，ζ的物理意義代表β晶粒平均直徑D，D與ζ之間呈線性關系；β鍛溫度θ＝T-Tβ，T是β區加熱溫度，Tβ是β相變點溫度；加熱系數η＝t/δ，t是β區加熱時間，δ為坯料厚度；在一定的變形量下，β鍛綜合參數ζ與鍛件的斷面收縮率ψ和鍛件的沖擊韌性aKU均呈線性定量關系；ζ與鍛件的斷裂韌度KIC具有峰值定量關系，根據設計要求的鍛件不同力學性能指標，通過上述定量關系的優化組合，獲得最佳的模鍛工藝窗口，確定β鍛造工藝參數θ和η。2.根據權利要求l所述的鈦合金e鍛造工藝參數優化方法，其特征在于該優化方法及其經驗公式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.根據權利要求l所述的鈦合金e鍛造工藝參數優化方法，其特征在于上述變形量在試驗模鍛件上同時取值10%、35%、60%,坯料厚度取值是100mm。4..根據權利要求l所述的鈦合金e鍛造工藝參數優化方法，其特征在于上述定量關系的獲得是采用分段加熱的e鍛造工藝實現的，其工藝過程是鈦合金坯料在電阻爐中預熱，預熱溫度為e相變點(Te)以下2040'C，預熱時間隨坯料厚度而增加。將預熱保溫后的坯料隨爐升溫至P相變點以上溫度加熱后鍛造。全文摘要本發明是鈦合金β鍛造工藝參數優化方法，該方法提出了一個經驗公式ζ＝1/2θ+8η，式中ζ是β鍛綜合參數，ζ的物理意義代表β晶粒平均直徑D，D與ζ之間呈線性關系；β鍛溫度θ＝T-T_β，T是β區加熱溫度，T_β是β相變點溫度；加熱系數η＝t/δ，t是β區加熱時間，δ為坯料厚度；在一定的變形量下，β鍛綜合參數ζ與鍛件的斷面收縮率ψ和鍛件的沖擊韌性a_KU均呈線性定量關系；ζ與鍛件的斷裂韌度K_IC具有峰值定量關系。根據設計要求的鍛件不同力學性能指標，通過上述定量關系的優化組合，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θ和η，正確指導鍛件的實際生產。該方法及其經驗公式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C22F1/18GK101270461SQ20081009752公開日2008年9月24日申請日期2008年5月12日優先權日2008年5月12日發明者儲俊鵬,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