CN101139670A - 一种钛合金板材的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金板材的加工工艺，该加工工艺是将海绵钛、工业纯铝和Al－85V中间合金经过包合金包、电级压制和等离子组焊，然后采用二次真空自耗电弧熔炼方法熔炼成铸锭，然后将熔炼成的铸锭进行开坯，最后将开坯后的铸锭下料切成板坯，在空气锤上自由锻造成板坯，然后在轧机上进行轧制，轧制温度为900－1000℃，保温50分钟，开始轧制时，道次变形量控制在3～4个毫米，经二火次2－5道次及中间中断，最后轧制成钛合金板材，经表面刨、洗机加工后交付。本发明操作方便，工艺可控性强，该工艺可使TC4－DT合金板材保持良好的强度、断裂韧性及塑性的匹配，板材性能批次稳定性提高。

Description

一种钛合金板材的加工工艺

技术领域

本发明涉及一种合金板材的加工方法，特别是涉及一种TC4-DT低间隙钛合金板材的新型加工工艺。

背景技术

Ti-6Al-4V是使用最广泛、最成熟的典型的(α+β)两相钛合金，各国相继研发的历史已近四十年、并有各自的合金牌号。其成份特征为：合金元素允许波动范围较宽(Al：5.5％-6.75％)，杂质允许含量较高(Fe：0.3％max、O：0.2％max、H：0.015％max)；从而带来较高的冶金缺陷可能性、较低的塑性和韧性及较短的使用寿命。为此，以美、英为首的少数发达国家又在近20年开发了相应的低间隙合金，如美国UNS R56401、ASTM F468、Grade 23、AMS4930、Ti-64ELI，英国IMI318ELI，法国TA6VELI等，广泛应用于低温、医疗、舰船及飞行器等重要领域。其成份特征为：合金元素允许波动范围较窄(Al：5.5％～6.5％)，杂质允许含量较低(Fe：0.25％max、O：0.13％max、H：0.0125％)；从而带来较小的冶金缺陷可能性、较高的塑性和韧性、较好的焊接性能及较长的使用寿命。比Ti-6Al-4V合金的K_1C提高近一倍、da/dN降低达一个数量级，现已应用在先进的战斗机和新一代民机上。例如，美国将Ti-6Al-4V和Ti-6Al-4V ELI合金应用于F-16战斗机的水平尾翼转轴、波音767的第一号驾驶舱风档玻璃窗骨架和UH60A“黑鹰”、SH60B“海鹰”、CH53E“超级种马”等直升机的主旋翼、尾旋翼转动部件。民机波音747的主起落架用的支撑梁大型模锻件(重1545kg、长6.2m、宽0.95m、投影面积4.06m²)，自1969年开始生产直到如今仍在供应中。如今，美国第四代战机F22、F/A-18E/F等的Ti-6Al-4V(Ti-6Al-4V ELI)钛合金应用已经进入采用更大型整体模锻件的成熟应用阶段，如F22战斗机零件中钛合金占飞机重量的41％，其中Ti-6Al-4V ELI又占钛合金重量的87.5％。其中F-22后机身整体式隔框(重1590kg、长3.8m、宽1.7m、投影面积5.53m²)是目前世界上最大的钛合金闭式模锻件。

从提高材料的损伤容限角度考虑，近几年发展的近β锻造、β热处理等工艺，过分强调温度的作用，要求控制温度十分严格，即工艺窗口非常窄，这在生产实践中很难做到，易造成局部热效应过高，导致合金组织的严重不均匀性，使材料质量不稳定。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种操作方便、工艺可控性强的钛合金板材的加工工艺。该工艺可使TC4-DT合金板材保持良好的强度、断裂韧性及塑性的匹配，板材性能批次稳定性提高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种钛合金板材的加工工艺，其特征在于该工艺包括以下步骤：

(1)铸锭熔炼：选用杂质含量不超过0.3％、Ti元素的含量不小于99.7％的优质0级海绵钛、工业纯铝和Al-85V中间合金，经过包合金包、电级压制和等离子组焊，然后采用二次真空自耗电弧熔炼方法熔炼成铸锭，其中所述包合金包是指为了增加中间合金的布料均匀性，将中间合金用铝箔包成包的形式加入；

(2)铸锭开坯：选择开坯温度为1100℃，天燃气炉加热，在1600T水压机上开坯，开坯分三火次完成，铸锭在900℃装炉升温到1100℃后，保温6小时出炉锻造，经三次镦粗后，完成第一火；第二火在1000℃保温4小时后，单向拔长锻造；第三火在950℃保温180分钟后，单向拔长，至此开坯完成，其中所述镦粗是指使坯料高度减小、横截面增加的工序；

(3)板坯制备及板材轧制：将开坯后的铸锭下料切成方形板坯，在空气锤上自由锻造，然后在轧机上进行轧制，轧制温度为900-1000℃，保温50分钟，开始轧制时，道次变形量控制在3～4个毫米，经二火次2-5道次及中间中断，最后轧制成钛合金板材，经表面刨、洗机加工后交付。

本发明与现有技术相比具有什么优点：本发明加工窗口较宽，组织均匀性容易控制，能充分发挥低间隙钛合金的性能优势，加工的材料强度、韧性及塑性匹配良好，板材性能的批次稳定性得到提高。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

(1)铸锭熔炼

选用低杂质含量的优质0级海绵钛、工业纯铝、Al-85V中间合金。经过包合金包、电级压制、等离子组焊，最后采用二次真空自耗电弧熔炼方法熔炼了一个1吨铸锭，尺寸为：Φ420×1510mm。铸锭成分的重量百分比为Al：6.16％、V：3.95％、Fe：0.03％、C：0.04％、N：0.014％、O：0.06％、H：0.001％、Si：＜0.03％。

(2)铸锭开坯

选择开坯温度为1100℃，天燃气炉加热，在1600T水压机上开坯。开坯分三火次完成，铸锭在900℃装炉升温到1100℃后，保温6h出炉锻造，经三次镦粗后(压下量约为110mm)，完成第一火；第二火在1000℃保温4h后，单向拔长锻造；第三火在950℃保温180min后，单向拔长到方形110⁺¹⁰mm×1100^±2mm，至此开坯完成。

(3)板坯制备及板材轧制

下料切成方形110⁺¹⁰mm×200^±2mm左右板坯，在3吨空气锤上自由锻造成δ50^±5mm×200^±1mm×200-250mm板坯。然后在550mm轧机上进行轧制，轧制温度930℃，保温50分钟，开始轧制时，道次变形量控制在3～4个毫米。经二火次2-5道次及中间中断，最后轧制成δ32mm厚板材，经表面刨、洗机加工后交付。

(4)板材热处理

TC4-DT合金α+β终轧δ32mm规格厚板，整体处理(950℃/1hWQ+550℃/8hAC)后室温力学性能及断裂韧性如表1所示。板材整体处理后，强度-塑性-断裂韧性良好匹配，强度达到900MPa以上，同时其断裂韧性K_1C达到90MPa·

以上。

实施例2

(1)铸锭熔炼

选用低杂质含量的优质0级海绵钛、工业纯铝、Al-85V中间合金。经过包合金包、电级压制、等离子组焊，最后采用二次真空自耗电弧熔炼方法熔炼了一个1吨铸锭，尺寸为：Φ420×1510mm。铸锭成分的重量百分比为Al 6.24％、V 4.3％、Fe＜0.01％、C 0.022％、N 0.011％、O 0.1％、H 0.004％。

(2)铸锭开坯

选择开坯温度为1100℃，天燃气炉加热，在1600T水压机上开坯。每段开坯分三火次完成，铸锭在900℃装炉升温到1100℃后，保温6h出炉锻造，经三次镦粗后(压下量约为110mm)，完成第一火；第二火在1000℃保温4h后，单向拔长锻造；第三火在970℃保温180min后，单向拔长到方形110⁺¹⁰mm×1100^±2mm，至此开坯完成。

(3)板坯制备及板材轧制

下料切成方形110⁺¹⁰mm×200^±2mm左右板坯，在3吨空气锤上自由锻造成δ50^±5mm×200^±1mm×200-250mm板坯。然后在550mm轧机上进行轧制，轧制温度950℃，保温50分钟，开始轧制时，道次变形量控制在3～4个毫米。经二火次2-5道次及中间中断，最后轧制成δ32mm厚板材，经表面刨、洗机加工后交付。

(4)板材热处理

TC4-DT合金α+β终轧δ32mm规格厚板，整体处理(950℃/1hWQ+550℃/8hAC)后室温力学性能及断裂韧性如表1所示。板材整体处理后，强度-塑性-断裂韧性良好匹配，都达到指标要求，强度达到1000MPa以上，同时其断裂韧性K_1C达到77MPa·

以上。

TC4-DT合金α+β终轧δ32mm厚板整体处理后室温力学性能及断裂韧性如表1

Claims (1)

1.一种钛合金板材的加工工艺，其特征在于该工艺包括以下步骤：

(1)铸锭熔炼：选用杂质含量不超过0.3％、Ti元素的含量不小于99.7％的0级海绵钛、工业纯铝和Al-85V中间合金，经过包合金包、电级压制和等离子组焊，然后采用二次真空自耗电弧熔炼方法熔炼成铸锭，其中所述包合金包是指为了增加中间合金的布料均匀性，将中间合金用铝箔包成包的形式加入；

(2)铸锭开坯：选择开坯温度为1100℃，天燃气炉加热，在1600T水压机上开坯，开坯分三火次完成，铸锭在900℃装炉升温到1100℃后，保温6小时出炉锻造，经三次镦粗后，完成第一火；第二火在1000℃保温4小时后，单向拔长锻造；第三火在950℃保温180分钟后，单向拔长，至此开坯完成，其中所述镦粗是指使坯料高度减小、横截面增加的工序；

(3)板坯制备及板材轧制：将开坯后的铸锭下料切成方形板坯，在空气锤上自由锻造，然后在轧机上进行轧制，轧制温度为900-1000℃，保温50分钟，开始轧制时，道次变形量控制在3～4个毫米，经二火次2-5道次及中间中断，最后轧制成钛合金板材，经表面刨、洗机加工后交付。