[发明专利]一种钛合金整体框形件的等温锻造方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料与先进制造技术领域，具体涉及一种钛合金整体框形件的等温锻造成形方法。

背景技术

钛合金是一种难变形合金，它的流变应力大于铝合金及合金钢等常见合金，在锻造过程中需要更大的载荷。大型钛合金模锻件的锻造一般采用压力机或对击锤，电液锤、蒸汽锤和空气锤等设备无法提供锻造大型钛合金锻件所需要的压力。对击锤是利用锤的高速冲击来使金属发生变形，极容易使金属局部过热，特别是对钛合金这样导热性差的材料，从而影响锻件的组织性能；国内最大的对击锤为100吨，无法锻造投影面积超过1m²的钛合金锻件。采用普通锻造方式锻造投影面积为1m²的钛合金锻件约需要4万吨压力，而国内最大的模锻压机为1万吨，显然不能够满足。

对于大型钛合金框形件，国内往往采取锻造几个相对较小的锻件再拼焊成一个完整大锻件的方法。钛合金焊接要求严格，虽然国内引进了大型电子束焊接设备，但焊接成本高，且焊接件比整体锻件可靠性要差。普通锻件轮廓较粗，加工余量大，而钛合金又属于难机加工的金属，不但要求低进刀量和低切削速度，而且钛合金的导热性差，据Sandvik公司的研究，在很低的切削速度下其刃部温度很容易达到1000℃以上，对刀具损害很大。据国外统计，对于形状复杂的普通模锻件，零件与锻件质量比小于10％，也就是说90％以上的金属被机加工去除。钛合金价格昂贵，锻件去除的金属量太多将导致零件成本大幅度增加。

近三、四十年来，随着对战斗机的战技性能要求越来越高，锻件尺寸越来越大。锻件投影面积越大、形状越复杂，所需设备的吨位就越大。但压机的吨位不能无限制增大，原因是：建造大型压机需要巨额资金，生产过程中能耗大，设备的维护困难，折旧费用高昂等。上世纪九十年代，美国魏曼·戈登公司为应对外国竞争者尤其是法国公司的竞争(前者拥有4.5万吨压机，后者拥有6.5万吨压机)，在建造新的10万吨大型压机和开发新的锻造技术上作出了选择，即开发步进锻造技术生产大型锻件，这项技术已被广泛应用在大型钛合金及高温合金锻件上，在与法国这样拥有大吨位压机的国家的竞争中取得了胜利，确保了在美国市场的绝对地位。魏曼·戈登公司生产的一个TC4整体隔框锻件，重2770kg，投影面积5.53m²，是迄今为止世界上最大的航空用钛合金锻件。步进锻造技术除压机提供的动力外，还另需提供动力以调整模具的高度，在热模锻中实现难度较大，目前国内尚未开发出类似的技术。

等温锻造是较新型的一种锻造技术，它的特点是：①适合于成形大型复杂件。等温锻造充分利用了材料在高温下变形抗力低及超塑性，锻造高筋薄腹及大型锻件非常适合，可避免／减少铆接、螺栓等连接方式，是减轻结构重量的有效手段；②锻件精度高，加工余量小。可节省大量贵重金属，大幅度减少机加工工时，批产后有明显的成本优势，如生产同一涡轮发动机零件所用原料只有普通热模锻的1／3；③等温锻造所需的加热次数少。普通模锻需16火才能锻成的锻件，等温锻造只需1～2火，这样更易于控制锻件性能。由于等温锻造形变速率小，所以不会产生类似快速锻造时的过热组织。

国内最大的钛合金等温锻件曾由宝钢特钢公司锻造，其投影面积为0.48m²，但投影面积1m²以上的钛合金锻件国内还没有涉足，而大型非对称框形件难度尤大。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的问题，提出一种钛合金整体框形件的等温锻造方法。

本发明的技术方案是：一种钛合金整体框形件的等温锻造方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一，制坯：将圆棒自由锻成长∶宽∶高＝(8-8.5)∶(2-2.5)∶1的方坯，自由锻至少保证最后一火在两相区锻造；

第二，等温锻造：方坯在等温模锻前涂上玻璃涂料，在等温锻造模具中放置时与水平呈10～16°夹角，加热温度为T_β以下30～100℃，等温锻造模具温度低于方坯10～30℃；初始加载速率不超过2mm／s，压力表上指示到8000±100吨时，保压5～10分钟，然后将压力增加到9500～9700吨保压8～15分钟；

将所述步骤二中等温模锻出来的锻坯机加工去掉中间的连板，获得最终锻件。

所述步骤二中，方坯一端和模具一侧壁相抵。

所述玻璃涂料为Al₂O₃类。