[发明专利]一种具有高强度特征的高温钛合金大尺寸曲面构件的二次模锻成形方法

说明书

本发明属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种具有高强度特征的高温钛合金大尺寸曲面构件的二次模锻成形方法。该方法包括适用的合金类型、成形工艺、热处理方法等组成要素及其优化匹配。采用高温一次成形、中温二次成形和低温退火处理三道主要工序，本发明方法制备重量500kg以上的近α型钛合金大尺寸曲面锻件，如TA15、TA32、TA33、TA37、TA38等，可获得室温强度保持率97％、高温强度保持率95％的特殊效果。采用本发明技术制备的高温钛合金大尺寸曲面构件，可用于航空航天等领域整体或分体面板或壁板结构，满足航空航天等高技术领域对轻质耐高温材料的应用需求。

技术领域

本发明属于钛基材料热加工领域，具体涉及到一种具有高强度特征的高温钛合金大尺寸曲面构件的二次模锻成形方法。

背景技术

不同时期航天航空飞行器，对材料和制备工艺有不同需要。早期的飞机或航天飞行器，大面积采用铝合金制品，实现结构轻量化，提高燃油效率、速度、挂载率及机动性。随着技术要求的提高，铝合金强度和耐温性已不能满足要求，于是以Ti-6Al-4V为代表的钛合金逐渐取代铝合金，成为飞行器结构用关键材料；高马赫数飞行器技术的发展，使传统低温部件高温化，即传统低马赫数飞行器200℃甚至更低温度工作的零件，在高马赫数飞行条件下，工作温度普遍提升，对材料的强度和耐温性均提出了更高要求。此外，飞行器结构和功能的提升，也需要更高效的整体结构做保障。

传统大尺寸曲面构件多数采用板筋工艺成形，板筋成形要求材料具有良好的成形性及焊接工艺性能。此外板筋成形受材料特性和零件变形、表面氧化限制，材料性能调控的热处理手段受限，因此传统板筋成形工艺主要以控形为主，材料及结构件性能与材料实际可达到的性能水平相比有不同程度的降低。

对于不能满足板筋成形或板筋成形后力学性能不能满足的零件，需要采用整体成形后机加工的方式制造。制造方法最大的优点是消除了零件不同位置组织性能的不一致，减少了薄弱环节，对疲劳结构件具有意义重大。

整体成形+机加工工艺同样面临形性匹配控制难题。如对高温钛合金而言，为获得最佳性能匹配，需要采用固溶时效处理制度；而固溶处理后的冷却过程中，因为锻件不同位置冷速差异，会在材料内部产生内应力，引起材料变形，从而不利于锻件尺寸精度控制；如果不采用固溶时效处理，零件性能又难以达到材料设计水平，形、性调控问题突出。

高温钛合金是上世纪50年代随航空发动机技术发展起来的一类具有特定用途的材料，目前成熟应用高温钛合金使用温度范围是350℃～600℃。与其它类别钛合金相比，高温钛合金最显著的特点是要求高持久和蠕变性能，选择锻造后整体机加成形工艺，可最大程度保留高温钛合金的固有特性。

高温钛合金有偏β型、α+β型和近α型3类，偏β型高温钛合金使用温度在450℃以下，α+β型合金使用温度在350℃～550℃范围内，现有550℃以上高温钛合金都属于近α型。近α型高温钛合金尤其是使用温度在550℃以上的近α型高温钛合金存在强韧性匹配控制难题，力学性能对成分均匀性、杂质元素含量、锻造组织均匀性、热处理温度、时间、热处理后冷速等敏感；对大尺寸曲面构件，因为还要考虑变形问题，导致强韧性匹配难度更高。

发明内容

针对航空航天领域对高温钛合金大尺寸曲面构件特征性能匹配的应用需求，本发明的目的在于提供一种具有高强度特征的高温钛合金大尺寸曲面构件的二次模锻成形方法，采用本发明技术制备的高温钛合金大尺寸曲面构件，具有与现有成熟工艺制备的锻件基本相当的强度水平，可用于航空航天等领域整体或分体面板或壁板结构，满足航空航天等高技术领域对轻质耐高温材料的应用需求。

本发明的技术方案是：

一种具有高强度特征的高温钛合金大尺寸曲面构件的二次模锻成形方法，包括高温一次成形、中温二次成形和低温退火处理三道主要工序，适用的材料包括TA15、TA32、TA33、TA37或TA38高温钛合金材料，具体步骤如下：

1)高温一次成形