CN103146956B

CN103146956B - 一种钛合金管材及制造方法

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Publication number: CN103146956B
Application number: CN201310099577.8A
Authority: CN
Inventors: 杨英丽; 张日恒; 苏航标; 胡宏杰; 吴金平; 杜涛
Original assignee: WUHAN WUCHUAN ELECTROMECHANICAL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: Wuchang Shipbuilding Industry Group Co Ltd
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-03-26
Also published as: CN103146956A

Abstract

本发明属于钛合金管材压力加工技术领域，具体涉及一种钛合金管材及制造方法。所述管材为无缝管材，管材外径范围为140～300mm，壁厚10～30mm。制造方法为：制取钛合金棒坯，对棒坯外表面进行机械加工，并对棒坯进行超声波无损检测；对检测合格的棒坯根据成品管材的重量要求切定尺制成棒材；在所述棒材一端头部中心机械加工出导向孔、外圆倒角；在所述棒材表面均匀涂覆一层钛合金抗氧化防护涂层；待所述棒材涂层干燥后加热到950～1100℃后进行保温，使所述棒材温度均匀一致；在斜轧穿孔机上对所述棒材进行轧制。本发明生产工艺简单、流程短、生产成本低、成材率高，生产的管材表面质量好、壁厚均匀度高。

Description

一种钛合金管材及制造方法

技术领域

本发明属于钛合金管材压力加工技术领域，具体涉及一种钛合金管材及制造方法。

背景技术

随着我国国民经济及科学技术的迅猛发展，钛合金材料制备技术及产品质量得到了大幅提高，带动了钛合金应用领域的迅速扩展，近几年来对高强钛合金大口径管材的需求越来越多。

特别是一种钛合金(重量百分比组成为：Al(5.0～7.5)％，Zr(1.0～3.5)％，Nb(2.0～4.5)％，Mo(0.3～2.0)％，Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti)，由于其在具有高强度的同时具有高的韧性，目前已作为棒材、锻件、管材等形式应用于船舶领域，且管材用量逐年增大。现阶段外径140～300mm的钛合金管材均采用板材卷制-焊接的方法进行制备，存在制造周期长、焊缝数量多、成本高、可靠性差等缺点。

钛合金无缝管的生产一般采用挤压或穿孔管坯—冷轧制方法，但仅仅局限于强度级别较低中小口径钛合金无缝管的生产。对于高强钛合金无缝管，冷轧制方式很难生产。目前高强钛合金大口径无缝管可采用的制造方法有棒材－机械加工法、挤压管坯－机械加工法、锻造(或棒材－机械加工)为厚壁筒体－带芯棒精密锻造法等三种。棒材－机械加工法成材率极低，适合数量少、长度短的管材；挤压管坯－机械加工法生产工序长、成本高、成材率较低，对于外径140～300mm的管材，需要大型的挤压机及配套的大尺寸成套工模具，成本高成材率低，且生产的管材长度受限，难以满足应用需求；锻造(或棒材－机械加工)为厚壁筒体－带芯棒精密锻造法生产工序长、成本高、成材率较低，需要大型专业精锻机，并需专门制备与其相匹配的耐热钢芯模。以上三种方法均不适合长度较长，外径大于140mm钛合金无缝管材的制造。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钛合金管材(重量百分比组成为：Al(5.0～7.5)％，Zr(1.0～3.5)％，Nb(2.0～4.5)％，Mo(0.3～2.0)％，Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti)及制造方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种钛合金管材，管材合金组成按重量百分比为：Al(5.0～7.5)％，Zr(1.0～3.5)％，Nb(2.0～4.5)％，Mo(0.3～2.0)％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti，所述管材为无缝管材，管材外径范围为140～300mm，壁厚10～30mm。

一种制造钛合金管材的方法，包括以下步骤：

步骤一、制取钛合金棒坯，对所述棒坯外表面进行机械加工，并对所述棒坯进行超声波无损检测；

步骤二，对检测合格的所述棒坯根据成品管材的重量要求切定尺，制成棒材；

步骤三、在所述棒材一端头部中心机械加工导向孔及外圆倒角；

步骤四、在所述棒材表面均匀涂覆一层钛合金抗氧化防护涂层；

步骤五、待所述棒材涂层干燥后加热到950～1100℃后进行保温，使所述棒材温度均匀一致；

步骤六、在斜轧穿孔机上对所述棒材进行轧制，即制备出钛合金管材。

优选的，步骤三所述的导向孔直径为50mm～100mm、深为50mm～100mm、同轴度不大于0.3mm。

优选的，步骤三所述的棒材外圆倒角长度为50～100mm、夹角为10～20°。

优选的，步骤五所述的保温时间为90分钟-190分钟。

优选的，步骤六所述的轧制总压缩率10～17％，压扁椭圆度1.13～1.18。

优选的，还包括步骤六：将步骤五穿孔获得的管材进行内外表面喷砂处理即可获得钛合金成品管材。

更优选的，所述斜轧穿孔机为两辊斜轧穿孔机。

本发明的有益效果为：本发明涉及的钛合金无缝管材，组分配比合理，强度大，韧性好，可满足舰船用各种上层建筑排烟管系、通海系统管系、低压吹除系统管系等用高强高韧钛合金大口径无缝管材及其它领域要求大口径钛合金管材的使用要求生产工艺简单、流程短、生产成本低、成材率高，适合各种钛合金大口径无缝管材的生产。采用斜轧穿孔方法，通过在棒坯一端机械加工倒角和定心孔，控制棒坯的加热温度及均匀性、斜轧穿孔的压下变形率和椭圆度等手段，解决了高强钛合金管材斜轧穿孔时出现的轧卡问题，实现高强钛合金大口径无缝管材的顺利制造，制造的管材表面质量好、单支重量大、壁厚均匀度高，特别适合单支重量大的高强钛合金无缝管材的生产。本发明的方法制备的高强钛合金无缝管材，可满足船舶和海洋工程装备的管路等系统用高强钛合金大口径无缝管材及其它领域大口径钛合金无缝管材的需求。

附图说明

图1为本发明实施例钛合金管材制造方法中棒材结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例1

一种钛合金无缝管材，管材合金组成按重量百分比为：Al 5.0％，Zr1.0％，Nb 2.0％，Mo 0.3％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti；管材单重165Kg，规格为Φ145mm×15mm。

其具体制备过程按如下步骤：

步骤一、准备海绵钛、海绵锆、铝箔和NbTi、AlMo中间合金等原材料，经两次真空自耗电弧熔炼制备出化学成分满足Al 5.0％，Zr 1.0％，Nb2.0％，Mo 0.3％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti的钛合金铸锭，采用常规钛合金棒材生产方法，生产出Φ140±1.5mm磨光棒坯，并对所述棒坯进行超声波无损检测；

步骤二、将步骤一得到的钛合金棒坯根据成品管材单重170Kg要求切为长度2600mm定尺的棒材1；

步骤三、在棒材1一端头部中心机械加工一个直径Φ为50mm、深h为50mm、同轴度＜0.3mm的导向孔2，外圆机械加工出倒角长度l为50mm、夹角α角度为10°的倒角；

步骤四、在机械加工好定心孔的棒材1表面均匀涂抹一层KBC-12钛合金抗氧化保护涂层，并晾干；

步骤五、将晾干涂层的棒材1在电炉中进行加热，棒材1加热到950℃、保温90分钟；

步骤六、采用直径为112mm的水冷钢顶头，调整轧机轧辊间距为122mm、导板间距138mm，此时，总压缩率为11％，压扁椭圆度为1.13，在TZ200卧式两辊斜轧穿孔机对棒材1进行穿孔轧制，制备出钛合金管材；

步骤七、将穿孔轧制的管材进行表面喷砂，即得到Φ145±1.5mm×15±1.5mm、单支重达170Kg高强钛合金无缝管材。该管材的拉伸强度为885MPa，屈服强度为785MPa，延伸率为12％。

实施例2

一种钛合金无缝管材，管材合金组成按重量百分比为：Al 6.0％，Zr2.5％，Nb 3.0％，Mo 1.0％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti；管材单重160Kg，规格为Φ185×17mm。

其具体制备过程按如下步骤：

步骤一、准备海绵钛、海绵锆、铝箔和NbTi、AlMo中间合金等原材料，经三次真空自耗电弧熔炼制备出化学成分满足Al 6.0％，Zr 2.5％，Nb 3.0％，Mo 1.0％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti的钛合金铸锭，采用常规钛合金棒材生产方法，生产出Φ175±2.0mm磨光棒坯，并对所述棒坯进行超声波无损检测；

步骤二、将步骤一得到的钛合金棒坯根据成品管材单重160Kg要求切为长度1600mm定尺的棒材1；

步骤三、在棒材1一端头部中心机械加工直径Φ为60mm、深h为60mm、同轴度＜0.3mm的导向孔2，头部外圆机械加工出长度l为60mm、夹角α为15°的倒角；

步骤三、在机械加工好定心孔的棒材1表面均匀涂抹一层KBC-12钛合金抗氧化保护涂层，并在80℃条件下烘干；

步骤四、将烘干涂层的棒材1在斜底天燃气加热炉中进行加热，棒材1加热到1050℃、保温120分钟；

步骤五、采用直径为146mm的水冷钢顶头，调整轧机轧辊间距为152mm、导板间距175mm，此时总压缩率为13％，压扁椭圆度为1.15，在TZ200卧式两辊斜轧穿孔机对棒材1进行穿孔轧制，制备出钛合金管材；

步骤六、将穿孔轧制的管材进行表面喷砂，即得到Φ185±1.8mm×17±1.7mm，单支重达160Kg高强钛合金无缝管材。该管材的拉伸强度为895MPa，屈服强度为795MPa，延伸率为11％。

实施例3

一种钛合金无缝管材，管材合金组成按重量百分比为：Al 7.5％，Zr2.0％，Nb 3.5％，Mo 1.5％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti；管材单重480Kg，规格为Φ219×20mm。

其具体制备过程按如下步骤：

步骤一、准备海绵钛、海绵锆、铝箔和NbTi、AlMo中间合金等原材料，经三次真空自耗电弧熔炼制备出化学成分满足Al 7.5％，Zr 2.0％，Nb 3.5％，Mo 1.5％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti的钛合金铸锭，采用常规钛合金棒材生产方法，生产出Φ205±2.5mm车光或磨光棒坯，并对所述棒坯进行超声波无损检测；

步骤二、将步骤一得到的钛合金棒坯根据成品管材单重480Kg要求切为长度3400mm定尺的棒材1；

步骤二、在棒材1一端中心机械加工直径Φ为60mm、深h为60mm、同轴度＜0.3mm的导向孔2，头部外圆机械加工长度l为70mm、夹角α为17°的倒角；

步骤三、在机械加工好定心孔的棒材1表面均匀涂抹一层KBC-12钛合金抗氧化保护涂层，并在自然条件下晾干；

步骤四、将晾干涂层的棒材1斜底煤气发生炉中进行加热，棒材1加热到1000℃、保温130分钟；

步骤五、采用直径为174mm的水冷钢顶头，调整轧机轧辊间距为181mm、导板间距210mm，此时总压缩率为14％，压扁椭圆度为1.16，在TZ200卧式两辊斜轧穿孔机对棒材1进行穿孔轧制，制备出钛合金管材；

步骤六、将穿孔轧制的管材进行表面喷砂，即得到Φ219±2.0mm×20±2.0mm，单支重达480Kg高强钛合金无缝管材，该管材的拉伸强度为915MPa，屈服强度为815MPa，延伸率为10.5％。

实施例4

一种钛合金无缝管材，管材合金组成按重量百分比为：Al 6.0％，Zr3.5％，Nb 4.5％，Mo 2.0％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti；管材单重750Kg，规格为Φ275×25mm。

具体制备过程按如下步骤：

步骤一、准备海绵钛、海绵锆、铝箔和NbTi、AlMo中间合金等原材料，经两次真空自耗电弧熔炼制备出化学成分满足Al 6.0％，Zr 3.5％，Nb 4.5％，Mo 2.0％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti的钛合金铸锭，采用常规钛合金棒材生产方法，生产出Φ260±3.0mm车光或磨光棒坯，并对所述棒坯进行超声波无损检测；

步骤二、将步骤一得到的钛合金棒坯根据成品管材单重750Kg要求切为长度3350mm定尺的棒材1；

步骤二、在棒材1一端中心机械加工一个直径Φ为80mm、深h为80mm、同轴度＜0.3mm的导向孔2，头部外圆机械加工出倒角长度l为80mm、夹角α为18°的倒角；

步骤四、将晾干涂层的棒材1按常规的钛合金加热方法进行加热，棒材1加热到1080℃、保温160分钟；

步骤五、采用直径为221mm的水冷钢顶头，调整轧机轧辊间距为221mm、导板间距260mm，此时总压缩率为15％，压扁椭圆度为1.17，在TZ200卧式两辊斜轧穿孔机对棒材1进行穿孔轧制，制备出钛合金管材；

步骤六、将穿孔轧制的管坯进行表面喷砂，即得到Φ275±2.5mm×25±2.5mm，单支重达750Kg高强钛合金无缝管材。该管材的拉伸强度大于880MPa，屈服强度大于于785MPa，延伸率大于10％。

实施例5

一种钛合金无缝管材，管材合金组成按重量百分比为：Al 5.5％，Zr3.0)％，Nb 4.0％，Mo1.8％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti；管材单重750Kg，规格为Φ320×30mm。

具体制备过程按如下步骤：

步骤一、准备海绵钛、海绵锆、铝箔和NbTi、AlMo中间合金等原材料，经三次真空自耗电弧熔炼制备出化学成分满足Al 5.5％，Zr 3.0)％，Nb 4.0％，Mo1.8％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti的钛合金铸锭，采用常规钛合金棒材生产方法，生产出Φ300±3.5mm磨光棒坯，并对所述棒坯进行超声波无损检测；

步骤二、将步骤一得到的钛合金棒坯根据成品管材单重750Kg要求切为长度2450mm定尺的棒材1；

步骤二、在棒材1一端中心机械加工一个直径100mm、深100mm、同轴度＜0.3mm的导向孔2，头部外圆机械加工出两个倒角长度100mm、倒α为20°的倒角；

步骤三、在机械加工好导向孔2的棒材1表面均匀涂抹一层KBC-12钛合金抗氧化保护涂层，并在自然条件下晾干；

步骤四、将晾干涂层的棒材1在天燃气斜底炉中进行加热，棒材1加热到1100℃、保温190分钟；

步骤五、采用直径为255mm的水冷钢顶头，调整轧机轧辊间距为249mm、导板间距286mm，此时总压缩率为12％，压扁椭圆度为1.15，在TZ200卧式两辊斜轧穿孔机对棒材1进行穿孔轧制，制备出钛合金管材；

步骤六、将穿孔轧制的管材进行表面喷砂，即得到Φ320±3.0mm×30±3.0mm，单支重达750Kg高强钛合金无缝管材。该管材的拉伸强度为895MPa，屈服强度为795MPa，延伸率为11％。

以上实施例的钛合金无缝管材，组分配比合理，强度大，韧性好，可满足舰船用各种上层建筑排烟管系、通海系统管系、低压吹除系统管系等用高强高韧钛合金大口径无缝管材及其它领域要求大口径钛合金管材的使用要求。管材生产工艺简单、流程短、生产成本低、成材率高。解决了高强钛合金管材斜轧穿孔时出现的轧卡问题，实现高强钛合金大口径无缝管材的顺利制造。制造方法制备的高强钛合金无缝管材，可满足船舶和海洋工程装备的管路等系统用高强钛合金大口径无缝管材及其它领域大口径钛合金无缝管材的需求。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种制造钛合金管材的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤五、待所述棒材涂层干燥后加热到950～1100℃后进行保温，使所述棒材温度均匀一致，其中，保温时间为90分钟-190分钟；

步骤六、在斜轧穿孔机上对所述棒材进行轧制，即制备出钛合金管材；

其中，管材合金组成按重量百分比为：Al(5.0～7.5)％，Zr(2.0～3.5)％，Nb(3.0～4.5)％，Mo(1.0～2.0)％，杂质元素按如下要求控制Fe≤0.25％，C≤0.10％，Si≤0.15％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti；所述管材为无缝管材，管材外径范围为275～300mm，壁厚10～30mm。

2.根据权利要求1所述的制造钛合金管材的方法，其特征在于，步骤三所述的导向孔直径为50mm～100mm、深为50mm～100mm、同轴度不大于0.3mm。

3.根据权利要求1所述的制造钛合金管材的方法，其特征在于，步骤三所述的棒材外圆倒角长度为50～100mm、夹角为10～20°。

4.根据权利要求1所述的制造钛合金管材的方法，其特征在于，步骤六所述的轧制总压缩率10～17％，压扁椭圆度1.13～1.18。

5.根据权利要求1所述的制造钛合金管材的方法，其特征在于，还包括步骤七：将步骤六穿孔获得的管材进行内外表面喷砂处理，获得钛合金成品管材。

6.根据权利要求1所述的制造钛合金管材的方法，其特征在于，所述斜轧穿孔机为两辊斜轧穿孔机。