CN106425317A - 一种Ti‑B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法 - Google Patents

一种Ti‑B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Ti‑B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法,包括:将Ф620~Ф750mm的Ti‑B19高强度钛合金铸锭开坯锻造2~3火次,得到锻坯;将经开坯锻造后的锻坯反复镦粗和拔长2~3火次后,采用轴向拔长的方式,得到棒坯;将棒坯进行钻孔,得到管坯;将管坯进行2~3火次的芯轴拔长,得到直径为Ф400~Ф500mm,长度不小于2000mm的Ti‑B19高强度钛合金半成品管材;将半成品管材进行热处理和表面处理,得到成品管材。本发明所提供的制备工艺,工艺流程短,可生产出多种尺寸规格的Ti‑B19钛合金大口径厚壁管材。所生产的高强度厚壁钛合金管材组织均匀,性能稳定,加工成本低。

Description

一种Ti-B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法
技术领域
本发明属于金属加工技术领域,具体涉及一种Ti-B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法。
背景技术
高强钛合金具有较高的高温强度和变形抗力,制造高强度大口径厚壁管材具有相当大的技术难度。现有的钛合金厚壁管材生产方法主要有:挤压、锻造+轧制、斜扎穿孔、棒材钻镗孔,或这些方法的联合生产。由于挤压设备成本高、工模具投资大、挤压设备能力不足以及没有理想的润滑方式,不适合小批量、多规格厚壁管材生产;斜扎穿孔设备投资大,能够生产的管材壁厚受限。对于口径大于Ф400mm、壁厚大于100mm的高强度厚壁管材,国内一般采用先锻造成品棒坯再进行钻镗孔的方式成型(棒材掏孔工艺)。这种方法成材率较低,对于材料价值比较大的钛合金来说,材料成本太大。
发明内容
本发明提供一种Ti-B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法。其生产流程短,需要的工装设备简单,可生产较宽规格范围的厚壁管材,管材单重超过1吨。且成品率高,成本低,管材组织均匀、性能稳定,工艺过程简单可控。
本发明的技术解决方案包括以下步骤:
步骤一、将直径为Ф620~Ф750mm的Ti-B19钛合金铸锭切除冒口和底部,并去除表面缺陷,得到合适的Ti-B19钛合金铸锭;
步骤二、在天然气炉中将Ti-B19钛合金铸锭加热到1100~1180℃,保温2~3小时,出炉后在锻压机上进行开坯锻造,锻比控制在4~5.5,终锻温度不低于850℃,得到锻坯;
步骤三、将锻坯在电阻炉中加热至β相变点以上120~200℃,在锻压机上进行2~3火次的镦拔变形,锻造过程中,逐火次降低锻造温度50~150℃。且其每火次的终锻温度不低于750℃;之后采用径向拔长的方式,锻造至外径为Ф620~Ф700mm的棒坯,锻后采用水冷方式冷却,总锻比为10~20;
步骤四、对步骤三生产的棒坯去除表面缺陷后进行钻孔,得到内径为Ф220~260mm,内孔粗糙度不大于3.2μm的管坯;
步骤五、将步骤四所生产的管坯加热至β相变点以上80~100℃,保温2.5~3小时;将长度为3000mm,直径为Ф205~230mm,且具有1:300锥度的钢棒,在150~300℃下预热2~3小时,并涂抹润滑剂后穿入所述管坯内,在锻压机上进行2~3火次锻造至外径为Ф480mm,然后将钢棒取出,得到半成品管材;
步骤六、将所得到的半成品管材进行热处理和表面处理后,得到成品管材。
所述步骤五中的润滑剂为二硫化钼或石墨乳。
所述步骤六中的热处理工艺为:将半成品管材在电阻炉内进行退火,固溶温度为800~950℃,保温0.5~4小时后空冷或快冷,时效温度为450~600℃,保温2~24小时后空冷。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1.本发明可以生产较宽规格范围的Ti-B19钛合金厚壁管材,操作工序少,生产灵活,工模具制作简单,非常适合小批量、多规格管材的生产。
2.本发明与传统的棒材掏孔工艺相比,由于钻孔工序在半成品阶段完成,原材料浪费少,可大幅节约原材料成本。
3.本发明与现有技术相比,可保证厚壁管材的组织均匀性和力学性能稳定性。可生产单重超过1吨,长度大于2000mm的无缝厚壁钛合金管材。
具体实施方式
实施例1:
步骤一、原料准备:使用Ti-B19钛合金自耗电极经3次真空自耗熔炼得到名义成分为Ti-3Al-5Mo-5V-4Cr-2Zr,直径为Ф720mm的Ti-B19钛合金铸锭。将Ti-B19钛合金铸锭切除冒口和底部,并采用机加的方式去除表面缺陷。所得的Ti-B19钛合金铸锭的直径为Ф694mm;
步骤二、开坯锻造:在天然气炉中将步骤一生产的Ti-B19钛合金铸锭加热到1150℃,保温2.5小时。出炉后在3150t水压机上进行开坯锻造,进行2火次的镦拔变形,终锻温度为895℃,锻比为5.22,得到锻坯;
步骤三、中间锻造:将锻坯在电阻炉中在β相变点以上120~180℃加热后,在3150t水压机上进行3火次的镦拔变形。锻造过程中,逐火次降低锻造温度50~150℃,细化组织。终锻温度为842℃,锻比为11.58。之后采用径向拔长的方式,在2500t油压机上锻造至外径为Ф650mm的棒坯。锻后采用水冷方式冷却。
步骤四、管坯制备:对步骤三生产的棒坯使用打磨的方式去除表面缺陷后进行钻孔,得到内径为Ф245mm,内孔粗糙度不大于3.2μm,内径倒角20mm×45°的管坯;
步骤五、管材成型锻造:将钢制芯棒在250℃下预热2.5小时后,穿入经修磨掉表面缺陷的管坯内。在3150t水压机上进行3火次的芯轴拔长变形锻造至外径为Ф483mm,然后将钢棒取出,得到半成品管材;
所述钢棒长度为3000mm,直径逐渐减小且具有1:300锥度的钢棒,其最大直径为205mm。钢棒上涂润滑剂为二硫化钼。所述管坯锻造时的加热温度为β相变点以上80~100℃,保温2.5小时,终锻温度为744℃,锻后空冷;
步骤六、后续处理:将所得到的半成品管材进行固溶时效热处理,所选用的热处理工艺为:870℃保温1h后快冷+540℃保温16h后空冷。热处理后的管材采用机加工的方式去除表面氧化皮后,得到尺寸为Ф460/Ф230×2250mm成品管材。
在成品管材上切取2个Ф5mm的常规拉伸试样,取样方向为弦向,取样位置在壁厚1/2处。在Zwick万能试验机上进行室温拉伸测试。测试结果见表1。结果表明,通过本发明生产的高强度厚壁管材,其力学性能满足客户相关标准要求。
表1
试样编号 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(%)
1 1275 1155 7.5
2 1260 1150 8.0
标准要求 1200 1100 6
实施例2:
步骤一、原料准备:使用Ti-B19钛合金自耗电极经3次真空自耗熔炼得到名义成分为Ti-3Al-5Mo-5V-4Cr-2Zr,直径为Ф720mm的Ti-B19钛合金铸锭。将Ti-B19钛合金铸锭切除冒口和底部,并采用机加的方式去除表面缺陷。所得的Ti-B19钛合金铸锭的直径为Ф694mm;
步骤二、开坯锻造:在天然气炉中将Ti-B19钛合金铸锭加热到1150℃,保温2.5小时。出炉后在3150t水压机上进行开坯锻造,进行3火次的镦拔变形,终锻温度为886℃,锻比为5.40,得到锻坯;
步骤三、中间锻造:将锻坯在电阻炉中在β相变点以上120~180℃加热后,在3150t水压机上进行3火次的镦拔变形。锻造过程中,逐火次降低锻造温度50~150℃,细化组织。终锻温度为851℃,锻比为11.58。之后采用径向拔长的方式,在2500t油压机上锻造至外径为Ф650mm的棒坯。锻后采用空冷方式冷却。
步骤四、管坯制备:对步骤三生产的棒坯使用打磨的方式去除表面缺陷后进行钻孔,得到内径为Ф245mm,内孔粗糙度不大于3.2μm,内径倒角20mm×45°的管坯;
步骤五、管材成型锻造:将钢制芯棒在250℃下预热2.5小时后,穿入经修磨掉表面缺陷的管坯内。在3150t水压机上进行3火次的芯轴拔长变形锻造至外径为Ф483mm,然后将钢棒取出,得到半成品管材;
所述钢棒长度为3000mm,直径逐渐减小且具有1:300锥度的钢棒,其最大直径为205mm。钢棒上涂润滑剂为二硫化钼。所述管坯锻造时的加热温度为β相变点以上80~100℃,保温2.5小时,终锻温度为744℃,锻后空冷;
步骤六、后续处理:将所得到的半成品管材进行固溶时效热处理,所选用的热处理工艺为:890℃保温0.5h后空冷+540℃保温16h后空冷。热处理后的管材采用机加工的方式去除表面氧化皮后,得到尺寸为Ф460/Ф230×2250mm成品管材。
在成品管材上切取2个Ф5mm的常规拉伸试样,取样方向为弦向,取样位置在壁厚1/2处。在Zwick万能试验机上进行室温拉伸测试。测试结果见表2。结果表明,通过本发明生产的高强度厚壁管材,其力学性能满足客户相关标准要求。
表2
试样编号 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(%)
1 1270 1200 8.0
2 1280 1210 7.5
标准要求 1200 1100 6
本发明所提供的制备工艺,工艺流程短,可生产出多种尺寸规格的Ti-B19钛合金大口径厚壁管材。所生产的高强度厚壁钛合金管材组织均匀,性能稳定,加工成本低。
上述实施例,只是本发明的较佳实施例,并非用来限制本发明实施范围,故凡以本发明权利要求所述内容所做的等同变化,均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种Ti-B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤一、将直径为Ф620~Ф750mm的Ti-B19钛合金铸锭切除冒口和底部,并去除表面缺陷,得到合适的Ti-B19钛合金铸锭;
步骤二、在天然气炉中将Ti-B19钛合金铸锭加热到1100~1180℃,保温2~3小时,出炉后在锻压机上进行开坯锻造,锻比控制在4~5.5,终锻温度不低于850℃,得到锻坯;
步骤三、将锻坯在电阻炉中加热至β相变点以上120~200℃,在锻压机上进行2~3火次的镦拔变形,锻造过程中,逐火次降低锻造温度50~150℃。且其每火次的终锻温度不低于750℃;之后采用径向拔长的方式,锻造至外径为Ф620~Ф700mm的棒坯,锻后采用水冷方式冷却,总锻比为10~20;
步骤四、对步骤三生产的棒坯去除表面缺陷后进行钻孔,得到内径为Ф220~260mm,内孔粗糙度不大于3.2μm的管坯;
步骤五、将步骤四所生产的管坯加热至β相变点以上80~100℃,保温2.5~3小时;将长度为3000mm,直径为Ф205~230mm,且具有1:300锥度的钢棒,在150~300℃下预热2~3小时,并涂抹润滑剂后穿入所述管坯内,在锻压机上进行2~3火次锻造至外径为Ф480mm,然后将钢棒取出,得到半成品管材;
步骤六、将所得到的半成品管材进行热处理和表面处理后,得到成品管材。
2.根据权利要求1所述的一种Ti-B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法,其特征在于:所述步骤五中的润滑剂为二硫化钼或石墨乳。
3.根据权利要求1或2所述的一种Ti-B19高强度钛合金大口径厚壁管材的制备方法,其特征在于所述步骤六中的热处理工艺为:将半成品管材在电阻炉内进行退火,固溶温度为800~950℃,保温0.5~4小时后空冷或快冷,时效温度为450~600℃,保温2~24小时后空冷。
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