CN106955893A - 一种超塑成形用sp700钛合金薄板的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛合金材料加工技术领域，涉及一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法。本发明包括以下步骤：一、在β相变点附近进行一火次锻造，水冷后得到中间坯；步骤二、进行第一热轧，得到第一热轧板坯；步骤三、进行第二热轧，得到第二热轧板坯；步骤四、进行中间退火处理；步骤五、进行冷轧，得到冷轧板坯；步骤六、进行成品退火处理，得到厚度为0.5mm～1.2mm的SP700钛合金薄板。本发明操作简单，工艺稳定可控，制备的SP700钛合金薄板的组织均匀，晶粒细小，性能一致性良好，满足超塑成形的相关技术要求。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料加工技术领域，涉及一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法。
背景技术
随着航空航天、船舶、汽车等工业技术的快速发展，对高品质超塑成形用钛合金薄板提出了更高的要求。SP700钛合金(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)是一种富含β相的α+β两相钛合金，该合金具有良好的冷、热加工性能，优良的综合机械性能以及优异的超塑性，已成为国外航空航天设计中被普遍采用的机体结构材料，并以超塑成形用SP700钛合金薄板的应用最为广泛，可用于超塑成形/扩散连接工艺制造舱门、隔板、尾翼、壳体和导风管等薄壁、复杂形状零件，大大减少了连接件数量，满足了整体化结构设计要求，提高了结构的疲劳性能和可靠性，并起到显著的减重效果。
由于钛合金比强度高，加工变形抗力大，易产生加工硬化和时效效应，对设备和操作的要求高，特别是板材的晶粒度、表面质量生产控制难度大，工艺可控性和批量生产稳定性较差。传统工艺常在板材轧制的中间工序进行一次β淬火处理以细化晶粒，但由于中间工序板材的厚度较薄，在急冷时易发生严重扭曲变形，使得后续的整形、打磨、切割等工作量大大增加，可操作性和稳定性控制难度增大，严重制约了工艺的灵活性和实用性，且经常造成表面氧化层去除不完全，影响最终板材的形状尺寸和表面质量。此外，传统的钛合金板材多采用热轧的方法进行最终产品的成形，由于钛合金的比热容小，导热性差，热轧时温度损失快，工艺塑性变差，对现场工艺操作和轧制设备的要求较高，且不均匀冷却产生的残余应力，会导致板材发生变形和开裂，对最终板材的组织细化、超塑性能和表面质量产生不利影响，虽然采用包覆叠轧工艺能够在一定程度上降低坯料的温度损失，但包覆叠轧需要进行轧前钢板的焊接和轧后的脱除，板材表面易出现橘皮现象，势必导致工序繁杂，控制难度增加，不利于进行大规模工业化生产。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法。
本发明采用的技术方案是：
步骤一、将SP700钛合金坯料在始锻温度β相变点以上10℃～25℃，终锻温度不低于β相变点以下15℃的条件下进行一火次锻造，水冷后进行表面修磨处理，得到厚度为20mm～45mm的中间坯；
步骤二、将中间坯在β相变点以下60℃～90℃的加热炉中保温15min～45min，然后送入热轧机进行第一次热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为4mm～6mm的热轧板坯；所述第一次热轧的轧制方向为单向轧制，道次数为5～8道次；
步骤三、将经第一次热轧板坯在β相变点以下80℃～100℃的加热炉中保温10min～30min，然后进行第二次热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为1.5mm～3mm的热轧板坯；所述第二热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，道次数为4～6道次；
步骤四、将经第二次热轧板坯进行中间退火处理，中间退火处理的温度为600℃～650℃，中间退火处理的保温时间为10min～20min；
步骤五、将经中间退火处理的热轧板坯送入冷轧机中进行冷轧，得到厚度为0.5mm～1.2mm的冷轧板坯；所述冷轧的轧制方向与第二热轧的轧制方向平行，冷轧由2～4个轧程完成；
步骤六、将冷轧板坯进行成品退火处理，成品退火处理的温度为650℃～750℃，成品退火处理的保温时间为30min～90min，经酸洗和表面修磨处理后得到厚度为0.5mm～1.2mm。
步骤一中所述SP700钛合金坯料为检验合格的棒材或板坯。
步骤二中所述第一次热轧的道次数为5～8道次，所述第一热轧的每道次变形量不大于35％。
步骤三中所述第二热轧的道次数为4～6道次，所述第二热轧的每道次变形量不大于25％。
步骤五中所述冷轧由2～4个轧程完成，各轧程的变形量不大于20％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明首先将原材料棒材或板坯在β相变点附近加热保温并进行一火次锻造变形，目的是破碎粗大的β晶粒，均匀化组织，消除原材料带来的组织性能差异，有利于提高板材组织的一致性和稳定性；锻造变形后迅速水冷淬火，抑制冷却过程中晶粒内析出的长条状α相粗化，获得细小均匀的片层组织；随后在β相变点以下进行多道次大变形热轧，作用是充分破碎晶界α相和长条状α相，获得等轴化的细晶组织，最终得到平均晶粒尺寸不大于5μm的细晶粒SP700钛合金薄板。
(2)本发明在β相变点附近锻造变形后选择的中间坯厚度为20mm～45mm，该厚度范围既可以满足水冷淬火时较好的淬透性，又能确保在迅速水冷时不会发生翘曲变形，无需额外增加校形、修磨、剪切等繁杂工序，大大简化了生产工序，降低了工作量，提高了生产效率，此外，采用较薄的中间坯进行热轧时，对现场工艺操作和轧制设备的要求大大降低，易于实现变形量和板形的控制。
(3)本发明最终产品采用冷轧工艺制备，并在冷轧之前对热轧坯料进行一次中间退火处理，以消除热轧后由于冷却不均匀而产生的残余应力，提高工艺塑性，防止板材在冷轧时发生变形和开裂，与传统热轧方法相比，显著提高了最终产品的表面质量和尺寸精度。
(4)本发明采用“β相变点附近锻造后淬火以均匀化组织、多道次大变形热轧以细化组织、中间退火后冷轧成形”相结合的工艺路线，通过对始锻温度、保温时间、终锻温度，以及轧制加热温度、保温时间、轧制道次、每道次变形量、退火处理等工艺参数的综合控制，解决了SP700钛合金薄板表面质量差、各向异性水平低等技术难题，最终制备的SP700钛合金薄板的组织均匀，平均晶粒尺寸不大于5μm，室温抗拉强度不小于930MPa，屈服强度不小于870MPa，延伸率不小于15％，性能一致性良好，满足超塑成形的相关技术要求，具有良好的工艺可控性和批量生产稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的SP700钛合金薄板的金相组织照片。
图2为本发明实施例2制备的SP700钛合金薄板的金相组织照片。
图3为本发明实施例3制备的SP700钛合金薄板的金相组织照片。
图4为本发明实施例4制备的SP700钛合金薄板的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
步骤一、将SP700钛合金坯料在始锻温度为β相变点以上10℃～25℃，终锻温度不低于β相变点以下15℃的条件下进行一火次锻造，水冷后进行表面修磨处理，得到厚度为20mm～45mm的中间坯。
步骤二、将步骤一中所述中间坯在β相变点以下60℃～90℃的加热炉中保温15min～45min，然后送入热轧机进行第一热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为4mm～6mm的第一热轧板坯；所述第一热轧的轧制方向为单向轧制。
步骤三、将步骤二中所述第一热轧板坯在β相变点以下80℃～100℃的加热炉中保温10min～30min，然后送入热轧机中进行第二热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为1.5mm～3mm的第二热轧板坯；所述第二热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直。
步骤四、将步骤三中所述第二热轧板坯进行中间退火处理。
步骤五、将步骤四中所述经中间退火处理的第二热轧板坯送入冷轧机中进行冷轧，得到厚度为0.5mm～1.2mm的冷轧板坯；所述冷轧的轧制方向与第二热轧的轧制方向平行。
步骤六、将步骤五中所述冷轧板坯进行成品退火处理，经酸洗和表面修磨处理后得到厚度为0.5mm～1.2mm，平均晶粒尺寸不大于5μm，室温抗拉强度不小于930MPa，屈服强度不小于870MPa，延伸率不小于15％的SP700钛合金薄板。
上述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤一中所述坯料为检验合格的SP700钛合金棒材或板坯。
上述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤二中所述第一热轧的道次数为5～8道次，所述第一热轧的道次变形量变形量不大于35％。
上述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤三中所述第二热轧的道次数为4～6道次，所述第二热轧的道次变形量不大于25％。
上述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤四中所述中间退火处理的温度为600℃～650℃，所述中间退火处理的保温时间为10min～20min。
上述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤五中所述冷轧分2～4个轧程完成，各轧程的变形量不大于20％。
上述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤六中所述成品退火处理的温度为650℃～750℃，所述成品退火处理的保温时间为30min～90min。
实施例1
本实施例为厚度0.5mm的超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、将检验合格的SP700钛合金板坯在始锻温度为β相变点以上10℃，终锻温度不低于β相变点以下15℃的条件下进行一火次相变点附近的锻造，然后浸水快速冷却至室温，经表面修磨处理得到厚度为20mm的中间板坯。
步骤二、将步骤一中所述中间板坯在β相变点以下65℃保温15min后进行5道次的第一热轧，保持第一热轧的轧制方向为单向轧制，各道次变形量分别为：20％，30％，35％，25％，20.5％，空冷至室温后进行表面修磨处理得到厚度为4.3mm的第一热轧板坯。
步骤三、将步骤二中所述第一热轧板坯在β相变点以下80℃的加热炉中保温10min后进行6道次的第二热轧，保持第二热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，各道次变形量分别为：16％，23％，25％，19％，12.5％，10.5％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为1.3mm的第二热轧板坯。
步骤四、将步骤三中所述第二热轧板坯进行中间退火处理，具体过程：将步骤三中所述第二热轧板坯置于退火炉中，在温度为630℃条件下保温18min后随炉自然冷却。
步骤五、将步骤四中所述经过中间退火处理的第三热轧板坯进行4个轧程的冷轧，保持冷轧的轧制方向与第二热轧的轧制方向平行，各个轧程的变形量均为20％，得到厚度为0.5mm的冷轧板坯。
步骤六、将步骤冷轧板坯在700℃条件下加热保温55min后自然冷却，经酸洗和表面修磨处理后，得到厚度为0.5mm的超塑成形用SP700钛合金薄板。
采用本实施例制备的超塑成形用SP700钛合金薄板的在室温条件下的抗拉强度为996MPa，屈服强度为933MPa，延伸率为17％，纵横向显微组织均为细小均匀的等轴组织，平均晶粒尺寸为4.6μm，满足超塑成形的相关技术要求。
实施例2
本实施例为厚度0.8mm的超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、将检验合格的SP700钛合金板坯在始锻温度为β相变点以上20℃，终锻温度不低于β相变点以下15℃的条件下进行一火次相变点附近的锻造，然后浸水快速冷却至室温，经表面修磨处理得到厚度为30mm的中间板坯。
步骤二、将步骤一中所述中间板坯在β相变点以下90℃保温35min后进行7道次的第一热轧，保持第一热轧的轧制方向为单向轧制，各道次变形量分别为：22％，35％，28.5％，24％，21％，20.5％，16％，空冷至室温后进行表面修磨处理得到厚度为4.3mm的第一热轧板坯。
步骤三、将步骤二中所述第一热轧板坯在β相变点以下100℃的加热炉中保温25min后进行4道次的第二热轧，保持第二热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，各道次变形量分别为：22％，25％，16％，10.5％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为1.9mm的第二热轧板坯。
步骤四、将步骤三中所述第二热轧板坯进行中间退火处理，具体过程：将步骤三中所述第二热轧板坯置于退火炉中，在温度为600℃条件下保温20min后随炉自然冷却。
步骤五、将步骤四中所述经过中间退火处理的第三热轧板坯进行4个轧程的冷轧，保持冷轧的轧制方向与第二热轧的轧制方向平行，各个轧程的变形量分别为20％，20％，20％，15％，得到厚度为1.2mm的冷轧板坯。
步骤六、将步骤冷轧板坯在720℃条件下加热保温65min后自然冷却，经酸洗和表面修磨处理后，得到厚度为0.8mm的超塑成形用SP700钛合金薄板。
采用本实施例制备的超塑成形用SP700钛合金薄板的在室温条件下的抗拉强度为987MPa，屈服强度为930MPa，延伸率为20％，纵横向显微组织均为细小均匀的等轴组织，平均晶粒尺寸为4.5μm，满足超塑成形的相关技术要求。
实施例3
本实施例为厚度1.0mm的超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、将检验合格的SP700钛合金板坯在始锻温度为β相变点以上15℃，终锻温度不低于β相变点以下15℃的条件下进行一火次相变点附近的锻造，然后浸水快速冷却至室温，经表面修磨处理得到厚度为40mm的中间板坯。
步骤二、将步骤一中所述中间板坯在β相变点以下80℃保温45min后进行6道次的第一热轧，保持第一热轧的轧制方向为单向轧制，各道次变形量分别为：27％，35％，32％，26.5％，21.5％，16％，空冷至室温后进行表面修磨处理得到厚度为6.2mm的第一热轧板坯。
步骤三、将步骤二中所述第一热轧板坯在β相变点以下95℃的加热炉中保温30min后进行4道次的第二热轧，保持第二热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，各道次变形量分别为：25％，23％，19.5％，18％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为2.3mm的第二热轧板坯。
步骤四、将步骤三中所述第二热轧板坯进行中间退火处理，具体过程：将步骤三中所述第二热轧板坯置于退火炉中，在温度为640℃条件下保温15min后随炉自然冷却。
步骤五、将步骤四中所述经过中间退火处理的第三热轧板坯进行4个轧程的冷轧，保持冷轧的轧制方向与第二热轧的轧制方向平行，各个轧程的变形量分别为17％，20％，17％，15％，得到厚度为1.0mm的冷轧板坯。
步骤六、将步骤冷轧板坯在750℃条件下加热保温30min后自然冷却，经酸洗和表面修磨处理后，得到厚度为1.0mm的超塑成形用SP700钛合金薄板。
采用本实施例制备的超塑成形用SP700钛合金薄板的在室温条件下的抗拉强度为997MPa，屈服强度为951MPa，延伸率为18％，纵横向显微组织均为细小均匀的等轴组织，平均晶粒尺寸为4.3μm，满足超塑成形的相关技术要求。
实施例4
本实施例为厚度1.2mm的超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、将检验合格的SP700钛合金板坯在始锻温度为β相变点以上25℃，终锻温度不低于β相变点以下15℃的条件下进行一火次相变点附近的锻造，然后浸水快速冷却至室温，经表面修磨处理得到厚度为45mm的中间板坯。
步骤二、将步骤一中所述中间板坯在β相变点以下75℃保温40min后进行8道次的第一热轧，保持第一热轧的轧制方向为单向轧制，各道次变形量分别为：29％，33％，33％，23.5％，22％，20.5％，18％，15％，空冷至室温后进行表面修磨处理得到厚度为4.7mm的第一热轧板坯。
步骤三、将步骤二中所述第一热轧板坯在β相变点以下95℃的加热炉中保温15min后进行5道次的第二热轧，保持第二热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，各道次变形量分别为：22.5％，15％，13％，9％，5％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为2.3mm的第二热轧板坯。
步骤四、将步骤三中所述第二热轧板坯进行中间退火处理，具体过程：将步骤三中所述第二热轧板坯置于退火炉中，在温度为650℃条件下保温10min后随炉自然冷却。
步骤五、将步骤四中所述经过中间退火处理的第三热轧板坯进行3个轧程的冷轧，保持冷轧的轧制方向与第二热轧的轧制方向平行，各个轧程的变形量分别为20％，20％，18％，得到厚度为1.2mm的冷轧板坯。
步骤六、将步骤冷轧板坯在650℃条件下加热保温75min后自然冷却，经酸洗和表面修磨处理后，得到厚度为1.2mm的超塑成形用SP700钛合金薄板。
采用本实施例制备的超塑成形用SP700钛合金薄板的在室温条件下的抗拉强度为1018MPa，屈服强度为955MPa，延伸率为16％，纵横向显微组织均为细小均匀的等轴组织，平均晶粒尺寸为4.6μm，满足超塑成形的相关技术要求。
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。凡是根据本发明技术实质所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种超塑成形用SP700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SP700钛合金坯料在始锻温度β相变点以上10℃～25℃，终锻温度不低于β相变点以下15℃的条件下进行一火次锻造，水冷后进行表面修磨处理，得到厚度为20mm～45mm的中间坯；
步骤二、将中间坯在β相变点以下60℃～90℃的加热炉中保温15min～45min，然后送入热轧机进行第一次热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为4mm～6mm的热轧板坯；所述第一次热轧的轧制方向为单向轧制，道次数为5～8道次；
步骤三、将经第一次热轧板坯在β相变点以下80℃～100℃的加热炉中保温10min～30min，然后进行第二次热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为1.5mm～3mm的热轧板坯；所述第二热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，道次数为4～6道次；
步骤四、将经第二次热轧板坯进行中间退火处理，中间退火处理的温度为600℃～650℃，中间退火处理的保温时间为10min～20min；
步骤五、将经中间退火处理的热轧板坯送入冷轧机中进行冷轧，得到厚度为0.5mm～1.2mm的冷轧板坯；所述冷轧的轧制方向与第二热轧的轧制方向平行，冷轧由2～4个轧程完成；
步骤六、将冷轧板坯进行成品退火处理，成品退火处理的温度为650℃～750℃，成品退火处理的保温时间为30min～90min，经酸洗和表面修磨处理后得到厚度为0.5mm～1.2mm。
2.根据权利要求1所述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤一中所述SP700钛合金坯料为检验合格的棒材或板坯。
3.根据权利要求1所述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤二中所述第一次热轧的道次数为5～8道次，所述第一热轧的每道次变形量不大于35％。
4.根据权利要求1所述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤三中所述第二热轧的道次数为4～6道次，所述第二热轧的每道次变形量不大于25％。
5.根据权利要求1所述的一种超塑成形用SP700钛合金薄板的加工方法，其特征在于，步骤五中所述冷轧由2～4个轧程完成，各轧程的变形量不大于20％。
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