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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