[發明專利]一種航空發動機用高強度β鍛鈦合金鍛件組織控制方法

在審

• 申請號: 202110870008.3
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113649503A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 鄧雨亭;李四清;王旭;黃旭;王周田;李曉強
• 申請（專利權）人: 中國航發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有限責任公司
• 主分類號: B21J1/06
• 分類號: B21J1/06;B21K29/00;C22F1/18
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

本發明涉及一種航空發動機用高強度β鍛鈦合金鍛件組織控制方法，包括以下步驟：將鈦合金棒坯加熱到相變點以上20℃～50℃；將棒坯鍛造成鍛件毛坯，各部位變形量均達到40％以上；將鍛件毛坯水冷至室溫；對鍛件毛坯進行退火熱處理；對鍛件毛坯進行固溶和時效熱處理。本發明在β鍛造工藝中采用了鍛后水冷的技術路線，通過在固溶和時效熱處理前增加一次退火熱處理，解決了鍛后水冷表面急冷層組織不均勻和拉伸塑性低的問題，顯著提升了鍛件心部強度和整體強度的均勻性。

技術領域

本發明屬于鈦合金組織控制技術領域，具體涉及一種航空發動機用高強度β鍛鈦合金鍛件組織控制方法。

背景技術

β鍛造是指將坯料加熱到β相變點以上進行的鍛造，鍛件可獲得充分編織的網籃組織，具有良好的斷裂韌性和蠕變性能，被廣泛用于制造航空發動機風扇和壓氣機。對于采用β鍛工藝的鈦合金(國內牌號為TC17和TC19的鈦合金)通常富含較多的β穩定元素，其快速冷卻可獲得亞穩定的β相，低溫時效處理使亞穩相轉變為次生α相，可通過調整熱處理制度調整鍛件組織和強度等性能。但隨著航空發動機對高推重比的要求，鍛件尺寸不斷增大且形狀更為復雜，合金淬透性的限制導致鍛件如果采用鍛后風冷或空冷，得到的鍛件心部強度不能滿足設計要求且強度性能分散性大，后續熱處理對鍛件組織性能調控的窗口非常窄。

鍛后冷卻速度決定了α片層的寬度和晶界α相的厚度，這2個參數隨著冷卻速度的提高而降低，因此鍛后水冷可以通過得到細小的片層α相顯著提升鍛件心部強度。但鍛后水冷易使鍛件表面形成急冷層，鍛態低倍組織不均勻，鍛態顯微組織為原始β晶界上析出了斷續的晶界α相和極少部分晶界附近的α片層，經固溶和時效熱處理后的顯微組織為晶粒內部析出了短而細的α片層，α片層編織狀態差且長寬低于10:1，為不合格組織，嚴重降低鍛件拉伸塑性。

中國專利“一種TC4鈦合金盤鍛件的β鍛及熱處理方法(CN109482796B)”，公開了一種采用400KJ對機錘模鍛，加熱在相變點上30～40℃進行β相區鍛造，變形量達到40％，鍛后先空冷5～6分鐘，然后水冷，得到細小均勻的鍛態網籃組織，鍛后熱處理采用相變點以下30～40℃固溶，水冷然后進行620～630℃時效的熱處理，得到細小穩定的網籃組織，性能具備高強度并兼顧一定塑性。該專利僅針對TC4鈦合金β鍛鍛件，采用鍛后先空冷后水冷的工藝，得到細小均勻的鍛態網籃組織，多種因素影響第一階段空冷所需時間，5～6分鐘難以推廣至其他尺寸或其他類型的鈦合金鍛件，若時間太長則達不到提升強度的效果，若時間太短，多數富含β穩定元素較多的鈦合金則不能析出尺寸符合要求的α片層，依舊形成急冷層組織顯著降低塑性。

發明內容

鑒于現有技術的上述情況，本發明的目的是提供一種航空發動機用高強度β鍛鈦合金鍛件組織控制方法，解決了鍛后水冷表面急冷層組織不均勻和拉伸塑性低的問題，顯著提升了鍛件心部強度和整體強度的均勻性，實現對鍛后水冷鍛件表面急冷層組織和性能的調控。

本發明的上述目的是利用以下技術方案實現的：

一種航空發動機用高強度β鍛鈦合金鍛件組織控制方法，包括以下步驟：

將鈦合金棒坯加熱到相變點以上20℃～50℃；

將棒坯鍛造成鍛件毛坯，各部位變形量均達到40％以上；

將鍛件毛坯水冷至室溫；

對鍛件毛坯進行退火熱處理；

對鍛件毛坯進行固溶和時效熱處理。

進一步地，所述對鍛件毛坯進行退火熱處理的熱處理制度為：T～(T+100)℃保溫H～(H+3)小時，空冷至室溫，其中所述T為鈦合金α片層最佳轉變溫度(即，“鼻尖”溫度點)，所述H為α片層最佳轉變溫度下的轉變終了時間，單位小時。由TTT曲線可知退火處理可得到粗大魏氏體α片層，選擇此退火溫度和保溫時間可高效率預析出鍛件表面急冷層的α片層，且不顯著粗化鍛件心部α片層厚度。