CN103978032A - 一种细晶超塑性ta15钛合金薄板的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，包括以下步骤：一、加热TA15钛合金板坯；二、进行第一轧制，得到第一半成品板坯；三、加热第一半成品板坯；四、进行第二轧制，得到第二半成品板坯；五、将多张第二半成品板坯制成叠轧包；六、加热叠轧包；七、进行第三轧制和退火处理，拆包后依次进行碱洗、酸洗、砂光和剪切处理，得到细晶超塑性TA15钛合金薄板。利用本发明加工的TA15钛合金薄板组织均匀，晶粒细小，超塑性能优良，性能一致性良好，具有良好的工艺可控性和批量生产稳定性。

Description

一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法

技术领域

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法。

背景技术

细晶钛合金因其具有较高的超塑性，可经超塑成型加工薄壁结构件，广泛代替飞行器各类精密铸件、锻件，用于制造导弹尾翼、导弹壳体等飞行器复杂结构部件，起到明显的减重效果，大幅提高有效载荷。该类构件一般具有高筋薄腹的特征，形状复杂，且投影面积较大，对组织性能要求很高。

TA15钛合金具有良好的综合力学性能，其强度、断裂韧性、疲劳极限、抗应力腐蚀能力略高于TC4钛合金，可作为飞机结构钛合金用材，用于制造飞机隔框、壁板等工作温度较高、受力较复杂的重要结构零件，现已在国内得到了大量应用，其中以板材的应用最为广泛，主要应用于发动机机匣、焊接承力框等航空用关键构件。但由于TA15钛合金存在强度高、塑性差、冷轧变形量小等特点，薄板生产难度大，特别是板材的晶粒度、平直度较难控制，各向异性控制水平较差，造成TA15钛合金板材的质量不稳定，成品率低，超塑性能不高，限制了TA15钛合金板材在高端领域的应用。

传统的TA15钛合金薄板的加工工艺通常采用单向轧制，板材在轧制过程中方向不发生变化，晶粒在轧制过程中沿一个方向变形，导致横纵向显微组织差异较大，板材加工流线明显，且板材表面沿轧制方向会产生“条绒沟”。另外，传统工艺一般采用“热轧+冷轧”相结合的工艺来加工细晶超塑性TA15钛合金板材，由于冷轧变形的加工硬化明显，后续热处理难以消除该影响，导致板材塑性较低；且由于冷轧变形量较小，每道次减薄量较小，轧程较多，加工成本高。

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，提供一种具有良好的工艺可控性和批量生产稳定性的细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法。利用该方法加工的TA15钛合金薄板组织均匀，晶粒细小，超塑性能优良，性能一致性良好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将厚度为48mm～60mm的TA15钛合金板坯置于加热炉中，在温度为910℃～930℃的条件下保温，保温时间t₁满足：1.25H₁-5≤t₁≤1.25H₁+5，其中H₁为TA15钛合金板坯的厚度，H₁的单位为mm，t₁的单位为min；

步骤二、将步骤一中保温后的TA15钛合金板坯送入热轧机中进行第一轧制，得到厚度为9mm～10.5mm的第一半成品板坯；所述第一轧制为单向轧制；

步骤三、将步骤二中所述第一半成品板坯置于加热炉中，在温度为890℃～910℃的条件下保温，保温时间t₂满足：2H₂-5≤t₂≤2H₂+5，H₂为第一半成品板坯的厚度，H₂的单位为mm，t₂的单位为min；

步骤四、将步骤三中保温后的第一半成品板坯送入热轧机中进行第二轧制，得到厚度为3mm～4mm的第二半成品板坯；所述第二轧制的轧制方向与第一轧制的轧制方向垂直；

步骤五、将步骤四中所述第二半成品板坯在温度为690℃～710℃的条件下保温20min～25min进行表面氧化处理，然后将4～6张表面氧化处理后的第二半成品板坯整齐叠放于上钢板和下钢板之间，并将边侧用钢条进行包覆，之后整体焊封成厚度为48mm～63mm的叠轧包；

步骤六、将步骤五中所述叠轧包置于加热炉中，在温度为910℃～930℃的条件下保温，保温时间t₃满足：1.25H₃-5≤t₃≤1.25H₃+5，其中H₃为叠轧包的厚度，H₃的单位为mm，t₃的单位为min；

步骤七、将步骤六中保温后的叠轧包送入热轧机中进行第三轧制，再将第三轧制后的叠轧包进行退火处理，然后将退火处理后的叠轧包拆包取出经第三轧制后的第二半成品板坯，之后将第三轧制后的第二半成品板坯依次进行碱洗、酸洗、砂光和剪切处理，得到厚度为0.5mm～1.4mm，平均晶粒尺寸不大于5μm的细晶超塑性TA15钛合金薄板，该钛合金薄板在温度为880℃～940℃，应变速率1×10^-4s^-1～1×10^-3s^-1条件下的延伸率不小于800％。

上述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤二中所述第一轧制的具体过程为：先以20％～25％的道次加工率将TA15钛合金板坯轧制至厚度为18mm～20.5mm，然后以12％～19％的道次加工率将TA15钛合金板坯轧制至厚度为9mm～10.5mm。

上述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤四中所述第二轧制的具体过程为：先以20％～25％的道次加工率将第一半成品板坯轧制至厚度为5.3mm～6.3mm，然后以11％～19％的道次加工率将第一半成品板坯轧制至厚度为3mm～4mm。

上述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤七中所述第三轧制的道次加工率为9％～25％。

上述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤七中所述退火处理的温度为850℃～900℃，所述退火处理的时间为0.5h～1h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用换向轧制工艺，能够显著减小横向和纵向变形量差距，使晶粒得到比较均匀的变形，改善板材因单方向变形量较大轧制形成的织构、加工流线等不利于均匀性的组织缺陷，组织均匀性高，板材横纵向性能差距小。

2、本发明采用包覆叠轧工艺，生产效率高，采用高温热轧，材料塑性好，不容易出现裂纹；可以实现单道次大变形量轧制，充分细化组织，使长条α相含量≤15％，并且内外部钛板的组织接近一致；包覆叠轧可以明显减小坯料在轧制过程中的温降，可在一火次轧制中实现多道次变形，以大变形充分破碎并球化原始长条α相，达到细化组织的目的，轧制效率也相应提高。另外，由于包覆钢板的保护作用，轧辊或者叠轧包上的杂物不会对板材表面质量造成影响。

3、本发明对于第一轧制、第二轧制和第三轧制前的加热温度和保温时间进行严格限制，充分利用TA15钛合金的高温塑性及再结晶作用，可以获得平均晶粒尺寸≤5μm的细晶组织。

4、本发明在包覆叠轧前进行表面氧化处理，表面氧化处理所得到的微氧化层可以有效防止板材在轧制过程中发生粘接，产生表面压坑等缺陷，方便拆包；也消除了传统工艺涂覆防氧化涂层不均匀的问题，使表面光洁度大大提高，有利于改善板材的表面质量。

5、本发明对于第一轧制、第二轧制和第三轧制的道次加工率进行严格限制，尤其控制第一轧制和第二轧制在初始轧制时保持较大的道次变形率，利用坯料的高温塑性进行大变形量轧制，充分破碎晶粒；随着坯料的温度降低道次变形率减小，能够防止变形量过大造成坯料开裂。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例1加工的细晶超塑性TA15钛合金薄板的显微组织照片。

图2为本发明实施例2加工的细晶超塑性TA15钛合金薄板的显微组织照片。

图3为本发明实施例3加工的细晶超塑性TA15钛合金薄板的显微组织照片。

图4为本发明实施例4加工的细晶超塑性TA15钛合金薄板的显微组织照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法包括以下步骤：

步骤一、将厚度为48mm的TA15钛合金板坯置于加热炉中，在温度为920℃的条件下保温65min；

步骤二、将步骤一中保温后的TA15钛合金板坯送入热轧机中进行第一轧制，具体过程为：先以25％，21.5％，20.5％，20％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至18mm，然后以19％，17.5％，14.5％，12％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至9mm，得到第一半成品板坯；所述第一轧制为单向轧制；

步骤三、将步骤二中所述第一半成品板坯置于加热炉中，在温度为900℃的条件下保温18min；

步骤四、将步骤三中保温后的第一半成品板坯送入热轧机中进行第二轧制，具体过程为：先以25％，21％的道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至5.3mm，然后以19％，17％，15％的道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至3mm，得到第二半成品板坯；所述第二轧制的轧制方向与第一轧制的轧制方向垂直；

步骤五、将步骤四中所述第二半成品板坯在温度为700℃的条件下保温25min进行表面氧化处理，然后将6张表面氧化处理后的第二半成品板坯整齐叠放于厚度均为18mm的上钢板和下钢板之间，将边侧用钢条进行包覆，之后整体焊封成厚度为54mm的叠轧包；

步骤六、将步骤五中所述叠轧包置于加热炉中，在温度为920℃的条件下保温67.5min；

步骤七、将步骤六中保温后的叠轧包送入热轧机中进行第三轧制，各道次加工率分别为：25％，22％，20.5％，20％，18.5％，16％，13.5％，11％，再将第三轧制后的叠轧包进行退火处理(退火温度850℃，保温时间1h)，然后将退火后的叠轧包拆包，除去上、下钢板和钢条,取出经第三轧制后的第二半成品板坯，其厚度为0.65mm，之后将厚度为0.65mm的第二半成品板坯依次进行碱洗、酸洗、砂光和剪切处理，得到厚度为0.5mm的细晶超塑性TA15钛合金薄板。

本实施例加工的TA15钛合金薄板的显微组织照片如图1所示，由图1可知，本实施例加工的TA15钛合金薄板的平均晶粒尺寸为4.7μm，组织均匀，晶粒细小。在应变速率为1×10^-4/s的条件下，对本实施例TA15钛合金薄板进行900℃高温拉伸试验，其纵向延伸率为852％，横向延伸率为802％，横纵向超塑性能差异≤5％。由此可知本实施例加工的TA15钛合金薄板具有优良的超塑性能。

实施例2

本实施例细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法包括以下步骤：

步骤一、将厚度为50mm的TA15钛合金板坯置于加热炉中，在温度为910℃的条件下保温65min；

步骤二、将步骤一中保温后的TA15钛合金板坯送入热轧机中进行第一轧制，具体过程为：先以24％，21％，20.5％，20％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至19mm，然后以18％，15％，14％，12％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至10mm，得到第一半成品板坯；所述第一轧制为单向轧制；

步骤三、将步骤二中所述第一半成品板坯置于加热炉中，在温度为890℃的条件下保温20min；

步骤四、将步骤三中保温后的第一半成品板坯送入热轧机中进行第二轧制，具体过程为：先以23％，20.5％的道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至6.1mm，然后以18.5％，16.5％，15％的道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至3.5mm，得到第二半成品板坯；所述第二轧制的所述第二轧制的轧制方向与第一轧制的轧制方向垂直；

步骤五、将步骤四中所述第二半成品板坯在温度为690℃的条件下保温20min进行表面氧化处理，然后将6张表面氧化处理后的第二半成品板坯整齐叠放于厚度均为21mm的上钢板和下钢板之间，将边侧用钢条进行包覆，之后整体焊封成厚度为63mm的叠轧包；

步骤六、将步骤五中所述叠轧包置于加热炉中，在温度为910℃的条件下保温75min；

步骤七、将步骤六中保温后的叠轧包送入热轧机中进行第三轧制，各道次加工率分别为：25％，21％，20％，17.5％，15％，13％，11.5％，9％，再将第三轧制后的叠轧包进行退火处理(退火温度850℃，保温时间1h)，然后将退火后的叠轧包拆包，除去上、下钢板和钢条,取出经第三轧制后的第二半成品板坯，其厚度为0.9mm，之后将厚度为0.9mm的第二半成品板坯依次进行碱洗、酸洗、砂光和剪切处理，得到厚度为0.8mm的细晶超塑性TA15钛合金薄板。

本实施例加工的TA15钛合金薄板的显微组织照片如图2所示，由图2可知，本实施例加工的TA15钛合金薄板的平均晶粒尺寸为3.7μm，组织均匀，晶粒细小。在应变速率为1×10^-4/s的条件下，对本实施例TA15钛合金薄板进行900℃高温拉伸试验，其纵向延伸率为865％，横向延伸率为831％，横纵向超塑性能差异≤5％。由此可知本实施例加工的TA15钛合金薄板具有优良的超塑性能。

实施例3

本实施例细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法包括以下步骤：

步骤一、将厚度为54mm的TA15钛合金板坯置于加热炉中，在温度为930℃的条件下保温70min；

步骤二、将步骤一中保温后的TA15钛合金板坯送入热轧机中进行第一轧制，具体过程为：先以25％，22.5％，21％，20％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至19.8mm，然后以18％，16.5％，15％，13％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至10mm，得到第一半成品板坯；所述第一轧制为单向轧制；

步骤三、将步骤二中所述第一半成品板坯置于加热炉中，在温度为890℃的条件下保温25min；

步骤四、将步骤三中保温后的第一半成品板坯送入热轧机中进行第二轧制，具体过程为：先以21％，20％道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至6.3mm，然后以17％，14％，11％的道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至4mm，得到第二半成品板坯；所述第二轧制的所述第二轧制的轧制方向与第一轧制的轧制方向垂直；

步骤五、将步骤四中所述第二半成品板坯在温度为710℃的条件下保温22min进行表面氧化处理，然后将5张表面氧化处理后的第二半成品板坯整齐叠放于厚度均为20mm的上钢板和下钢板之间，将边侧用钢条进行包覆，之后整体焊封成厚度为60mm的叠轧包；

步骤六、将步骤五中所述叠轧包置于加热炉中，在温度为930℃的条件下保温80min；

步骤七、将步骤六中保温后的叠轧包送入热轧机中进行第三轧制，各道次加工率分别为：23％，20％，18％，15％，13％，11％，10％，再将第三轧制后的叠轧包进行退火处理(退火温度850℃，保温时间1h)，然后将退火后的叠轧包拆包，除去上、下钢板和钢条,取出经第三轧制后的第二半成品板坯，其厚度为1.3mm，之后将厚度为1.3mm的第二半成品板坯依次进行碱洗、酸洗、砂光和剪切处理，得到厚度为1.2mm的细晶超塑性TA15钛合金薄板。

本实施例加工的TA15钛合金薄板的显微组织照片如图3所示，由图3可知，本实施例加工的TA15钛合金薄板的平均晶粒尺寸为4.0μm，组织均匀，晶粒细小。在应变速率为1×10^-3/s的条件下，对本实施例TA15钛合金薄板进行940℃高温拉伸试验，其纵向延伸率为880％，横向延伸率为852％，横纵向超塑性能差异≤5％。由此可知本实施例加工的TA15钛合金薄板具有优良的超塑性能。

实施例4

本实施例细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法包括以下步骤：

步骤一、将厚度为60mm的TA15钛合金板坯置于加热炉中，在温度为930℃的条件下保温70min；

步骤二、将步骤一中保温后的TA15钛合金板坯送入热轧机中进行第一轧制，具体过程为：先以25％，24.5％，23％，21.5％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至20.5mm，然后以18％，16％，14.5％，13％的道次加工率将TA15钛合金板坯的厚度轧制至10.5mm，得到第一半成品板坯；所述第一轧制为单向轧制；

步骤三、将步骤二中所述第一半成品板坯置于加热炉中，在温度为910℃的条件下保温16min；

步骤四、将步骤三中保温后的第一半成品板坯送入热轧机中进行第二轧制，具体过程为：先以24％，21％的道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至6.3mm，然后以17％，14％，11％的道次加工率将第一半成品板坯的厚度轧制至4.0mm，得到第二半成品板坯；所述第二轧制的轧制方向与第一轧制的轧制方向垂直；

步骤五、将步骤四中所述第二半成品板坯在温度为690℃的条件下保温25min进行表面氧化处理，然后将4张表面氧化处理后的第二半成品板坯整齐叠放于厚度均为16mm的上钢板和下钢板之间，将边侧用钢条进行包覆，之后整体焊封成厚度为48mm的叠轧包；

步骤六、将步骤五中所述叠轧包置于加热炉中，在温度为910℃的条件下保温55min；

步骤七、将步骤六中保温后的叠轧包送入热轧机中进行第三轧制，各道次加工率分别为：23％，20％，16％，12％，10％，再将第三轧制后的叠轧包进行退火处理(退火温度900℃，保温时间0.5h)，然后将退火后的叠轧包拆包，除去上、下钢板和钢条,取出经第三轧制后的第二半成品板坯，其厚度为1.5mm，之后将厚度为1.5mm的第二半成品板坯依次进行碱洗、酸洗、砂光和剪切处理，得到厚度为1.4mm的细晶超塑性TA15钛合金薄板。

本实施例加工的TA15钛合金薄板的显微组织照片如图4所示，由图4可知，本实施例加工的TA15钛合金薄板的平均晶粒尺寸为5μm，组织均匀，晶粒细小。在应变速率为1×10^-4/s的条件下，对本实施例TA15钛合金薄板进行880℃高温拉伸试验，其纵向延伸率为840％，横向延伸率为812％，横纵向超塑性能差异≤5％。由此可知本实施例加工的TA15钛合金薄板具有优良的超塑性能。

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 (5)

1.一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将厚度为48mm～60mm的TA15钛合金板坯置于加热炉中，在温度为910℃～930℃的条件下保温，保温时间t₁满足：1.25H₁-5≤t₁≤1.25H₁+5，其中H₁为TA15钛合金板坯的厚度，H₁的单位为mm，t₁的单位为min；

步骤二、将步骤一中保温后的TA15钛合金板坯送入热轧机中进行第一轧制，得到厚度为9mm～10.5mm的第一半成品板坯；所述第一轧制为单向轧制；

步骤三、将步骤二中所述第一半成品板坯置于加热炉中，在温度为890℃～910℃的条件下保温，保温时间t₂满足：2H₂-5≤t₂≤2H₂+5，H₂为第一半成品板坯的厚度，H₂的单位为mm，t₂的单位为min；

步骤四、将步骤三中保温后的第一半成品板坯送入热轧机中进行第二轧制，得到厚度为3mm～4mm的第二半成品板坯；所述第二轧制的轧制方向与第一轧制的轧制方向垂直；

步骤五、将步骤四中所述第二半成品板坯在温度为690℃～710℃的条件下保温20min～25min进行表面氧化处理，然后将4～6张表面氧化处理后的第二半成品板坯整齐叠放于上钢板和下钢板之间，并将边侧用钢条进行包覆，之后整体焊封成厚度为48mm～63mm的叠轧包；

步骤六、将步骤五中所述叠轧包置于加热炉中，在温度为910℃～930℃的条件下保温，保温时间t₃满足：1.25H₃-5≤t₃≤1.25H₃+5，其中H₃为叠轧包的厚度，H₃的单位为mm，t₃的单位为min；

步骤七、将步骤六中保温后的叠轧包送入热轧机中进行第三轧制，再将第三轧制后的叠轧包进行退火处理，然后将退火处理后的叠轧包拆包取出经第三轧制后的第二半成品板坯，之后将第三轧制后的第二半成品板坯依次进行碱洗、酸洗、砂光和剪切处理，得到厚度为0.5mm～1.4mm，平均晶粒尺寸不大于5μm的细晶超塑性TA15钛合金薄板，该钛合金薄板在温度为880℃～940℃，应变速率1×10^-4s^-1～1×10^-3s^-1条件下的延伸率不小于800％。

2.根据权利要求1所述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤二中所述第一轧制的具体过程为：先以20％～25％的道次加工率将TA15钛合金板坯轧制至厚度为18mm～20.5mm，然后以12％～19％的道次加工率将TA15钛合金板坯轧制至厚度为9mm～10.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤四中所述第二轧制的具体过程为：先以20％～25％的道次加工率将第一半成品板坯轧制至厚度为5.3mm～6.3mm，然后以11％～19％的道次加工率将第一半成品板坯轧制至厚度为3mm～4mm。

4.根据权利要求1所述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤七中所述第三轧制的道次加工率为9％～25％。

5.根据权利要求1所述的一种细晶超塑性TA15钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤七中所述退火处理的温度为850℃～900℃，所述退火处理的时间为0.5h～1h。