钛合金具有比强度高、韧性好、耐海水腐蚀,特别是耐海水中的氯离子腐蚀等优良的综合特性,被誉为“海洋金属”,是海洋工程装备的最佳选材。TA24是低合金化的Ti-Al-Mo-Zr系近α 型钛合金,其主要特点是比TA5高的使用强度和优异的工艺塑性,同时还具有良好的焊接性能和耐腐蚀性能。该合金集中等强度、高的塑性、良好的加工性和成形性、优异的耐蚀性、可焊性于一体,在舰船、海洋工程、化工工业等方面广泛应用,是主要的船用钛合金之一,现已用于盐水泵、大口径流体输送管、接管、换热器等设备。

本文采用自由锻造方式制备φ690mm/φ635mm×1000mm规格TA24钛合金筒形锻件,研究锻造工艺及高温退火热处理对TA24合金锻件组织及性能的影响,为后续该产品工业生产的工艺优化和改进提供技术支撑,以确保产品质量稳定。

试验材料及方法

试验材料

试验材料为宝鸡钛业股份有限公司熔炼的φ720mm铸锭。铸锭按目标成分配料,经二次真空自耗电弧炉熔炼,其头、底部位的化学成分分析结果见表1,采用差热法测定铸锭的α+β/β 相转变温度为988℃。从表1可以看出铸锭不同部位化学成分波动较小,满足标准规定要求。

试验方法

本次试制产品为薄壁筒形锻件。根据其结构特点,结合宝鸡钛业股份有限公司在TA24钛合金锻件制备方面多年的生产经验,确定本次试制产品的生产工艺流程为：铸锭→开坯锻造→打磨→中间锻造→打磨→棒坯→下料→镦粗、冲孔→扩孔→打磨→芯轴拔长→退火→机加→探伤→理化检验→检查→成品锻件。锻造过程可分为棒坯制备和成品锻造两个阶段。

⑴棒坯制备。棒坯制备在自动化控制程度高的万吨液压机上进行。开坯锻造在β 转变温度以上镦拔变形,确保变形量不小于60%。中间锻造采取逐级降温的加热工艺,先后在β 转变温度以上和α+β两相区反复镦拔变形,单火次变形量不小于40%,总变形量不小于80%。棒坯制备过程严格控制工步送进量、压下量和翻转角度,同时结合高温均匀化处理工艺,有效均匀和细化棒坯组织,提高棒坯整个截面和长度方向上的均匀性。棒坯锻造后的规格为φ480mm,经表面处理后锯切下料,制备成一定高径比的锻件坯料。

⑵成品锻造。成品锻造主要包含冲孔、扩孔和芯轴拔长工序,均在α+β 两相区进行,锻造设备采用3150t水压机。棒坯经镦粗后采用实心冲头双面冲孔,冲头直径φ250mm。锻坯冲孔后采用芯轴扩孔,扩孔过程严格控制压下量、压下速度和旋转角度,并根据坯料内孔尺寸及时调整芯棒直径,确保锻坯表面质量和尺寸均匀。经多火次扩孔后,锻坯规格为φ/φ670mm×500mm。芯轴拔长过程需根据每火次变形量及锻坯内孔尺寸,采用定制的芯棒和摔子,拔长过程操作机旋转要均匀,并严格控制压下量,以保证环坯的尺寸均匀。经多火次芯轴拔长后,成品锻坯规格为φ710mm/φ620mm×约1250mm,成品锻造总变形量超60%。同时,成品锻造过程,每火次加热前均在坯料表面涂刷专用润滑保温涂层,锻造过程提前预热工模具,严格控制坯料表面温降,确保锻件外形尺寸和性能满足标准规定要求。

结果分析与讨论

表面质量及外形尺寸

图1 是自由锻制备的TA24钛合金大口径薄壁筒形锻件实物照片。锻坯端头存在喇叭口和裙边,长度约80mm,局部区域有微小裂纹；切除端头余量后,情况有明显改善,整体外形尺寸规整,内外表面质量良好,满足后续机加要求,锻件经机加后实测尺寸为φ694mm/φ637mm×1004mm,满足试制尺寸要求。

显微组织与性能

锻件锻造成形经800℃,保温2h,空冷热处理后,在其端部截取截面为20mm×20mm样环,取样进行室温力学性能测试及显微组织观察。图2为成品锻件显微组织照片,从图中可以看出锻件显微组织为典型的两相区加工组织,在转变β 基体上均匀分布着初生α 相。其初生α 相形态呈现为球状,经测定纵横向显微组织中初生α 相含量均为35%,平均晶粒尺寸均为11.2μm,组织均匀性好。表2为成品锻件室温力学性能测试结果,从表中可以看出锻件各项性能均满足相关标准指标要求,且强度、塑性及冲击吸收能量较指标要求均有较大的富余量。综合分析可知本次试制锻件制备工艺设计合理,变形充分、均匀,锻造过程参数控制有效,成品锻件显微组织为双态组织,综合性能优良。

超声波探伤

锻件锻造成形并经热处理和机加工后,按照GB/T 5193-2020标准100%进行超声波探伤,杂波水平满足φ1.2-12dB,探伤结果优良,满足相关标准指标要求。

结论

⑴采用自由锻方式制备TA24钛合金大口径薄壁筒形锻件是可行的,锻坯外观质量、外形尺寸较好,满足后续加工要求；锻件经热处理后,显微组织为双态组织,综合性能优良,满足相关标准要求。

⑵采用自由锻方式制备的TA24钛合金大口径薄壁筒形锻坯,端部区域存在一定的喇叭口和裙边,因此在后续的工业化生产中需进一步优化锻造工艺,提高锻件尺寸均匀性,降低生产成本。