CN103436735B - 一种β钛合金管材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种β钛合金管材的制备方法，该方法包括以下步骤：一、采用冷轧管机对β钛合金管坯进行一道次的开坯轧制，得到粗轧管坯；二、将粗轧管坯进行第一固溶处理；三、去除粗轧管坯的内外表面缺陷，然后采用冷轧管机进行多道次的精密轧制，并在每道次精密轧制后依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，得到精轧管坯；四、进行时效处理，得到外径为20mm～133mm，壁厚为1mm～5mm的β钛合金管材。本发明制备工艺简单，材料利用率高，生产成本低，生产周期短；采用本发明制备的β钛合金管材的组织均匀，晶粒细小弥散，机械性能优良，可广泛应用于军工、民用等领域。
Description
技术领域
本发明属于钛合金管材加工技术领域，具体涉及一种β钛合金管材的制备方法。
背景技术
β钛合金是指在淬火处理时形成亚稳定的β相基体，在时效处理过程中，β基体上逐渐析出弥散的次生α相，从而使合金获得很高的强度。通过调整时效处理的温度和时间，可以控制次生α相的数量和尺寸，从而使β型钛合金的强度和塑性在很宽的范围内变化，获得可满足不同需要的强韧性匹配。高强β钛合金管材不但具有高的比强度、而且耐腐蚀，疲劳性能优于钢、铝，在航空航天领域如发动机管路、耐压容器、舰船通海管路及核电设备有广泛的应用。高强度钛合金管材一直是我国钛合金研究领域的弱项，在我国还处于起步阶段，到目前为止国内还没有一家企业能够批量轧制生产这种断裂强度Rm在1100MPa以上的高强钛合金管材，部分企业通常都是采用棒材或挤压坯料通过深孔钻和深孔镗机加工生产的。不但材料利用率低、加工周期长、加工成本高，而且制备的管材组织状态为热加工态，没有加工流线，管材耐压值低，使用安全性较差。
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的不足，提供一种β钛合金管材的制备方法。该方法制备工艺简单，材料利用率高，生产成本低，生产周期短；采用该方法制备的β钛合金管材的组织均匀，晶粒细小弥散，机械性能优良，可广泛应用于军工、民用等领域，具有广阔的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用冷轧管机对β钛合金管坯进行一道次的开坯轧制，得到粗轧管坯；所述开坯轧制的变形量为43%～51%；
步骤二、将步骤一中所述粗轧管坯进行第一固溶处理；
步骤三、去除步骤二中第一固溶处理后的粗轧管坯的内外表面缺陷，然后采用冷轧管机对去除表面缺陷后的粗轧管坯进行2道次～6道次的精密轧制，并在每道次精密轧制后依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，得到精轧管坯；每道次精密轧制的变形量均为30%～40%；
步骤四、将步骤三中所述精轧管坯进行时效处理，得到外径为20mm～133mm，壁厚为1mm～5mm的β钛合金管材。
上述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述β钛合金管坯的化学成分按重量百分比计为：Al3%～5%，Mo3%～6%，V3%～6%，Cr1%～4%，Fe≤1.5%，Sn≤3%，余量为Ti和不可避免的杂质。
上述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述第一固溶处理的具体制度为：将粗轧管坯在温度为（Tβ+20）℃～（Tβ+50）℃的条件下保温10min～30min，然后水冷至25℃室温，其中，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃。
上述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述第二固溶处理的具体制度为：将精密轧制后的粗轧管坯在温度为（Tβ-20）℃～（Tβ+30）℃的条件下保温10min～30min，然后水冷至25℃室温，其中，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃。
上述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述开坯轧制的轧制速率为15次/分钟～20次/分钟；步骤三中每道次精密轧制的轧制速率均为30次/分钟～50次/分钟。
上述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述时效处理的具体制度为：在真空条件下，将精轧管坯在温度为480℃～600℃的条件下保温4h～8h，然后空冷至25℃室温。
上述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤一中开坯轧制前在β钛合金管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂；步骤三中每道次精密轧制前均在粗轧管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明β钛合金管材的强塑性匹配好，断裂韧性高。本发明β钛合金管材的断裂强度Rm可在1100MPa～1450MPa之间调整，远远高于常规钛合金管材的820MPa；且本发明β钛合金管材的延伸率最高可达20%，同时管材的断裂韧性在70MPa·mm1/2以上。
2、本发明材料利用率高，生产成本低，生产周期短。本发明β钛合金管材为冷轧管材，与用棒材或挤压坯进行深孔钻和深孔镗机加工的管材相比，可节省30%材料，而且管坯的轧制损耗小，成品率高。同时，本发明在道次间进行大气快速升温和快速水冷的固溶处理，不但管材表面质量好，而且能够节省真空加热的费用和生产周期，节约生产成本。
3、本发明β钛合金管材的内部组织好，具有加工流线。本发明β钛合金管与采用棒材机加工的常规管材相比，其组织状态为冷轧态，经固溶热处理，使棒材具有的粗大β晶粒细化，通过时效处理析出次生α相细小弥散，基体内部组织致密。同时，由于冷轧时同时给管材纵向和径向施加均衡力，使管材晶粒延轴向拔长，形成轴向加工流线，提高了管材耐压能力。
4、本发明可加工长度超过6m，表面质量良好的管材。本发明β钛合金管材为冷轧管，比采用棒材或挤压管坯加工的管材相比，其内外表面质量好。本发明管材的内外表面光亮，且无折皱、划痕等缺陷，超声探伤成品率高。同时本发明可生产长度超过6m，表面质量良好的β钛合金管材，这是机加工管材不可能达到的。
5、本发明β钛合金管材的组织均匀，晶粒细小弥散，机械性能良好，可广泛应用于对性能有较高需求的军工和民用领域，例如发动机液压管路、舰船通海管路、高压油管、石油探管、海水淡化、山地自行车架零部件等。由于本发明β钛合金管材的承载能力大幅度提高，尤其适用在复杂气候和恶劣地理环境下使用，因此本发明β钛合金管材具有广阔的应用前景。
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明β钛合金管材由β钛合金管坯经开坯轧制、精密轧制以及热处理（包括固溶处理和时效处理）制备而成。所述β钛合金管坯优选的化学成分按重量百分比计为：Al3%～5%，Mo3%～6%，V3%～6%，Cr1%～4%，Fe≤1.5%，Sn≤3%，余量为Ti和不可避免的杂质。所述β钛合金管坯按照常规的管坯制备工艺制备而成：首先根据设计成分选用优质海绵钛、铝钒合金、铝钼合金、电解铬、钛锡和氧化铁粉为原料进行配料，混合压制后焊接成熔炼电极，经二次或三次真空自耗熔炼制成铸锭，控制β钛合金铸锭中C≤0.1%，N≤0.03%，H≤0.15%，O≤0.15%，然后将铸锭自由锻制成棒坯，车光下料后采用常规斜轧穿孔法或常规钻孔挤压法制成β钛合金管坯。
实施例1
规格为Ф49mm×2mmβ钛合金管材的制备：
步骤一、采用常规斜轧穿孔工艺制备规格为Ф65mm×5mm，名义成分为Ti-4Al-4Mo-4V-3Cr-1Fe-2Sn（即化学成分按重量百分比计为：Al4%，Mo4%，V4%，Cr3%，Fe1%，Sn2%，余量为Ti和不可避免的杂质）的β钛合金管坯，再在β钛合金管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LG60两辊冷轧管机）进行一道次的开坯轧制，控制开坯轧制的变形量为48%，轧制速率为20次/分钟，得到规格为Ф55mm×3mm的粗轧管坯；
步骤二、将步骤一中所述粗轧管坯进行第一固溶处理，具体过程为：将粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+30）℃的条件下保温20min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃；
步骤三、用刮修、镗孔的方法去除粗轧管坯的内外表面缺陷，再在粗轧管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LD60三辊冷轧管机）进行精密轧制，得到规格为Ф49mm×2mm的精轧管坯；所述精密轧制共分2道次完成，其中第一道次的轧制变形量为34%，轧制速率为30次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф53mm×2mm，第二道次轧制的变形量为30%，轧制速率为50次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф49mm×2mm，并在第一道次轧制后对管坯依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，然后在管坯内外均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），所述第二固溶处理的具体过程为：将第一道次轧制后的粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ-20）℃的条件下保温10min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温；
步骤四、将步骤三中所述精轧管坯进行时效处理，得到外径为49mm，壁厚为2mm的β钛合金管材；所述时效处理的具体过程为：将精轧管坯置于真空退火炉中，在温度为520℃的条件下保温4h，然后空冷至25℃室温。
本实施例β钛合金管材的Rm=1320MPa，Rp0.2=1180MPa，A=8%，由此可见本实施例β钛合金管材的力学性能优良，强塑性匹配好，断裂韧性高。
实施例2
规格为Ф53mm×1.5mmβ钛合金管材的制备：
步骤一、采用常规钻孔挤压工艺制备规格为Ф89mm×8mm，名义成分为Ti-3Al-6Mo-3V-1Cr-1.5Fe-3Sn（即化学成分按重量百分比计为：Al3%，Mo6%，V3%，Cr1%，Fe1.5%，Sn3%，余量为Ti和不可避免的杂质）的β钛合金管坯，再在β钛合金管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LG60两辊冷轧管机）进行一道次的开坯轧制，控制开坯轧制的变形量为51%，轧制速率为20次/分钟，得到规格为Ф68mm×5mm的粗轧管坯；
步骤二、将步骤一中所述粗轧管坯进行第一固溶处理，具体过程为：将粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+50）℃的条件下保温10min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃；
步骤三、用刮修、镗孔的方法去除粗轧管坯的内外表面缺陷，再在粗轧管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LD60三辊冷轧管机）进行精密轧制，得到规格为Ф53mm×1.5mm的精轧管坯；所述精密轧制共分3道次完成，其中第一道次的轧制变形量为37%，轧制速率为30次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф60mm×3mm，第二道次轧制的变形量为35%，轧制速率为50次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф57mm×2mm，第三道次轧制的变形量为30%，轧制速率为50次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф53mm×1.5mm，并在第一道次和第二道次轧制后对管坯依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，然后在管坯内外均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），所述第二固溶处理的具体过程为：将管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ-20）℃的条件下保温30min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温；
步骤四、将步骤三中所述精轧管坯进行时效处理，得到外径为53mm，壁厚为1.5mm的β钛合金管材；所述时效处理的具体过程为：将精轧管坯置于真空退火炉中，在温度为600℃的条件下保温4h，然后空冷至25℃室温。
本实施例β钛合金管材的Rm=1290MPa，Rp0.2=1160MPa，A=8%，由此可见本实施例β钛合金管材的力学性能优良，强塑性匹配好，断裂韧性高。
实施例3
规格为Ф89mm×2.5mmβ钛合金管材的制备：
步骤一、采用常规钻孔挤压工艺制备规格为Ф116mm×10mm，名义成分为Ti-5Al-3Mo-6V-4Cr-0.5Fe-1.5Sn（即化学成分按重量百分比计为：Al5%，Mo3%，V6%，Cr4%，Fe0.5%，Sn1.5%，余量为Ti和不可避免的杂质）的β钛合金管坯，再在β钛合金管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LG90两辊冷轧管机）进行一道次的开坯轧制，控制开坯轧制的变形量为43%，轧制速率为20次/分钟，得到规格为Ф108mm×6mm的粗轧管坯；
步骤二、将步骤一中所述粗轧管坯进行第一固溶处理，具体过程为：将粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+20）℃的条件下保温30min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃；
步骤三、用刮修、镗孔的方法去除粗轧管坯的内外表面缺陷，再在粗轧管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LD120五辊冷轧管机）进行精密轧制，得到规格为Ф89mm×2.5mm的精轧管坯；所述精密轧制共分2道次完成，其中第一道次的轧制变形量为38%，轧制速率为30次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф95mm×4mm，第二道次轧制的变形量为40%，轧制速率为50次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф89mm×2.5mm，并在第一道次轧制后对管坯依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，然后在管坯内外均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），所述第二固溶处理的具体过程为：将第一道次轧制后的粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+10）℃的条件下保温30min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温；
步骤四、将步骤三中所述精轧管坯进行时效处理，得到外径为89mm，壁厚为2.5mm的β钛合金管材；所述时效处理的具体过程为：将精轧管坯置于真空退火炉中，在温度为480℃的条件下保温8h，然后空冷至25℃室温。
本实施例β钛合金管材的Rm=1280MPa，Rp0.2=1145MPa，A=9%，由此可见本实施例β钛合金管材的力学性能优良，强塑性匹配好，断裂韧性高。
实施例4
规格为Ф133mm×5mmβ钛合金管材的制备：
步骤一、采用常规斜轧穿孔工艺制备规格为Ф160mm×15mm，名义成分为Ti-4Al-3Mo-5V-3Cr-1Fe-2Sn（即化学成分按重量百分比计为：Al4%，Mo3%，V5%，Cr3%，Fe1%，Sn2%，余量为Ti和不可避免的杂质）的β钛合金管坯，再在β钛合金管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LG160两辊冷轧管机）进行一道次的开坯轧制，控制开坯轧制的变形量为45%，轧制速率为15次/分钟，得到规格为Ф142mm×9mm的粗轧管坯；
步骤二、将步骤一中所述粗轧管坯进行第一固溶处理，具体过程为：将粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+50）℃的条件下保温10min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃；
步骤三、用刮修、镗孔的方法去除粗轧管坯的内外表面缺陷，再在粗轧管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LD180五辊冷轧管机）进行精密轧制，得到规格为Ф133mm×5mm的精轧管坯；所述精密轧制共分2道次完成，其中第一道次的轧制变形量为37%，轧制速率为30次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф138mm×6.5mm，第二道次轧制的变形量为30%，轧制速率为50次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф133mm×5mm，并在第一道次轧制后对管坯依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，然后在管坯内外均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），所述第二固溶处理的具体过程为：将第一道次轧制后的粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+30）℃的条件下保温10min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温；
步骤四、将步骤三中所述精轧管坯进行时效处理，得到外径为133mm，壁厚为5mm的β钛合金管材；所述时效处理的具体过程为：将精轧管坯置于真空退火炉中，在温度为560℃的条件下保温4h，然后空冷至25℃室温。
本实施例β钛合金管材的Rm=1230MPa，Rp0.2=1150MPa，A=10%，由此可见本实施例β钛合金管材的力学性能优良，强塑性匹配好，断裂韧性高。
实施例5
规格为Ф20mm×1mmβ钛合金管材的制备：
步骤一、采用常规钻孔挤压工艺制备规格为Ф65mm×8mm，名义成分为Ti-3Al-4Mo-5V-4Cr-1.5Fe-2Sn（即化学成分按重量百分比计为：Al3%，Mo4%，V5%，Cr4%，Fe1.5%，Sn2%，余量为Ti和不可避免的杂质）的β钛合金管坯，再在β钛合金管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），然后采用冷轧管机（LG60两辊冷轧管机）进行一道次的开坯轧制，控制开坯轧制的变形量为50%，轧制速率为15次/分钟，得到规格为Ф50mm×5mm的粗轧管坯；
步骤二、将步骤一中所述粗轧管坯进行第一固溶处理，具体过程为：将粗轧管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+30）℃的条件下保温20min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃；
步骤三、用刮修、镗孔的方法去除粗轧管坯的内外表面缺陷，然后采用冷轧管机（LD60及LD30三辊冷轧管机）进行精密轧制，得到规格为Ф20mm×1mm的精轧管坯；所述精密轧制共分6道次完成，其中第一道次的轧制变形量为38%，轧制速率为30次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф42mm×4mm，第二道次轧制的变形量为36%，轧制速率为35次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф35mm×3mm，第三道次轧制的变形量为36%，轧制速率为35次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф30mm×2.5mm，第四道次轧制的变形量为30%，轧制速率为35次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф26mm×2mm，第五道次轧制的变形量为32%，轧制速率为35次/分钟，轧制后的管坯尺寸为Ф22mm×1.5mm，第六道次轧制的变形量为36%，轧制速率为40次/分钟，管坯尺寸为Ф20mm×1mm，并在每道次轧制前均在管坯内外均匀涂抹润滑剂（氯化石蜡润滑剂），在每道次轧制后均对管坯依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，所述第二固溶处理的具体过程为：将管坯置于电加热炉中，在温度为（Tβ+30）℃的条件下保温20min，然后浸入水槽中水冷至25℃室温；
步骤四、将步骤三中所述精轧管坯进行时效处理，得到外径为20mm，壁厚为1mm的β钛合金管材；所述时效处理的具体过程为：将精轧管坯置于真空退火炉中，在温度为560℃的条件下保温4h，然后空冷至25℃室温。
本实施例β钛合金管材的Rm=1450MPa，Rp0.2=1350MPa，A=6%，由此可见本实施例β钛合金管材的力学性能优良，强塑性匹配好，断裂韧性高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用冷轧管机对β钛合金管坯进行一道次的开坯轧制，得到粗轧管坯；所述开坯轧制的变形量为43％～51％；所述β钛合金管坯的化学成分按重量百分比计为：Al 3％～5％，Mo 3％～6％，V 3％～6％，Cr 1％～4％，Fe≤1.5％，Sn≤3％，余量为Ti和不可避免的杂质；
步骤二、将步骤一中所述粗轧管坯进行第一固溶处理；
步骤三、去除步骤二中第一固溶处理后的粗轧管坯的内外表面缺陷，然后采用冷轧管机对去除表面缺陷后的粗轧管坯进行2道次～6道次的精密轧制，并在每道次精密轧制后依次进行第二固溶处理、喷砂处理和酸洗处理，得到精轧管坯；每道次精密轧制的变形量均为30％～40％；
步骤四、将步骤三中所述精轧管坯进行时效处理，得到外径为20mm～133mm，壁厚为1mm～5mm的β钛合金管材。
2.根据权利要求1所述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述第一固溶处理的具体制度为：将粗轧管坯在温度为(Tβ+20)℃～(Tβ+50)℃的条件下保温10min～30min，然后水冷至25℃室温，其中，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃。
3.根据权利要求1所述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述第二固溶处理的具体制度为：将精密轧制后的粗轧管坯在温度为(Tβ-20)℃～(Tβ+30)℃的条件下保温10min～30min，然后水冷至25℃室温，其中，所述Tβ为β钛合金的β相变点，Tβ的单位为℃。
4.根据权利要求1所述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述开坯轧制的轧制速率为15次/分钟～20次/分钟；步骤三中每道次精密轧制的轧制速率均为30次/分钟～50次/分钟。
5.根据权利要求1所述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述时效处理的具体制度为：在真空条件下，将精轧管坯在温度为480℃～600℃的条件下保温4h～8h，然后空冷至25℃室温。
6.根据权利要求1所述的一种β钛合金管材的制备方法，其特征在于，步骤一中开坯轧制前在β钛合金管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂；步骤三中每道次精密轧制前均在粗轧管坯的内外表面均匀涂抹润滑剂。
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