CN107586998A - 一种耐高温钛合金板及其退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝0.5％‑1.2％、硅3％‑5％、铁0.2％‑0.5％、镍1.2％‑1.8％、碳0.1％‑0.2％，其余为钛；钛合金板的制备工艺包括如下步骤：步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1400‑1450℃之间，熔炼后铸锭成钛合金锭；步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理；步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5‑1μm，即制得钛合金板。本发明的一种耐高温钛合金板具有良好的热稳定性和高温抗蠕变性。本发明还公开了对上述钛合金板的进行退火的方法。

Description

一种耐高温钛合金板及其退火方法

技术领域

本发明属于钛合金板加工技术领域，涉及一种耐高温钛合金板，本发明还涉及对上述钛合金板进行退火的方法。

背景技术

目前的高温钛合金板的热稳定性往往不够理想，表现为钛合金板在高温环境使用过程中抗蠕变性能明显降低，主要原因在于高温钛合金板一般采用高温钛合金制成的，但是高温钛合金由于其高合金化，长时间工作后脆性相析出机率增大，导致组织不稳定。同时高温钛合金板的加工工艺复杂，加工成本高。

由于钛及其合金在高温下化学活性强，会与空气或加热气氛中的氧、氮、氢等气体成分发生作用，也会与板材表面的加工润滑剂、油污等发生作用，使钛及钛合金板材表面吸气或氧化，损害钛合金板的性能。为此，长期以来，钛及钛合金板材的退火均在真空电阻退火炉或惰性气体保护炉中进行。真空电阻退火炉又分为内热式和外热式退火炉。

传统的真空电阻炉退火技术较成熟，在工业生产中采用时，一般是将一批几十至几百根的钛合金板同时装入真空电阻退火炉中，抽真空后将炉温升至钛及钛合金的再结晶温度，保温1小时，然后冷却到200℃以下出炉。其主要存在以下缺点：

1.生产效率低。由于钛的导热率比较低，采用电阻炉进行间接加热，真空中主要靠热辐射传热，热传导速度非常慢。

2.成本高。(1)退火工序中能耗高，一是升温、保温、冷却过程中，板材要消耗热能，水冷炉壳也要消耗热能；二是庞大的真空机组耗电量较大，同时耗水量也很大，导致运行成本高。(2)满足真空作业条件的退火炉，体积庞大、结构复杂，设备投资高。(3)钛及其合金在高温下易与钛合金板表面的润滑剂、油污等发生作用，钛合金板在退火炉内的高温状态下持续时间较长，为防止钛合金板与污染物作用及防止油污高温分解后污染炉膛，真空退火前必须对钛合金板进行严格的清洗，为此，每次退火前板材表面除了进行除油处理外，还需消耗大量的酸液进行酸洗，工序繁琐，且增加了生产成本。(4)通入惰性气体强制冷却，虽然可提高部分生产效率，减少能耗，但氩气价格较贵，增加了物耗成本。

3.适用范围小，局限性大。(1)真空退火炉生产成本高，一般要待加工板材达到一定数量之后才开炉，仅适用于大批量的连续生产。(2)由于退火炉的炉室是封闭的，其长度有限，因此，加工处理板材的长度受限。

4.板材质量存在一定问题(1)一致性差。真空退火时，由于炉内温度分布不均匀，位于炉边部与炉中心、炉两端的板材受热的温度与时间均有较大差异，因此，同炉板材性能的一致性差。由于退火操作不通和各炉装料不同，各炉次退火的板材也常有较大差异，板材性能的波动大，稳定性差。(2)产品组织、性能相对较差。钛合金板长时间缓慢升温，储存在钛晶格中的形变能被逐渐消耗掉，再结晶的形核能力减弱，退火后的晶粒较粗大，导致产品的强度及塑性相对较低。

5.设备占地面积大；真空机组产生的噪音污染严重。

6.设备维护不便。当发热体和隔热屏等部件出现问题时，工作人员必须钻进狭窄的炉膛内进行维修，操作很困难，检修周期长，检修成本高。

一种三室退火炉，中间为升温、保温室，两端为预抽真空装料/冷却室。两端的预抽真空装料/冷却室交替工作，虽在一定程度上提高了真空退火炉的利用率，但由于受冷却工序的制约，仍存在传统真空电阻炉退火的缺陷。此外，其设备体积更庞大，设备成本更高，难于推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温钛合金板，具有良好的高温抗蠕变性。

本发明另目的是提供对上述钛合金板的进行退火的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝0.5％-1.2％、硅3％-5％、铁0.2％-0.5％、镍1.2％-1.8％、碳0.1％-0.2％，其余为钛；

钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1400-1450℃之间，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至1000±50℃，保温2-3小时，炉冷至700±10℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得钛合金板。

本发明所采用的第二种技术方案是一种钛合金板的快速退火方法，具体按照以下步骤实施：

步骤A，上料：将制得的钛合金板逐个、顺次送入中频感应退火炉中；

步骤B，在中频感应退火炉中进行退火：

(1)板材升温：板材由中频感应退火炉的升温段穿过，30～60秒内升温至高于板材的再结晶温度；

(2)板材保温：板材由中频感应退火炉的保温段穿过，使板材温度维持在退火温度，保温2～6分钟，进行再结晶退火；

步骤C，出料：板材脱离中频感应退火炉后，进行快速冷却。

优选地，板材升温是通过感应电流直接加热板材。

优选地，板材保温是通过感应电流加热板式炉，使板材间接加热。

优选地，板材上料、穿过中频感应退火炉及出料的速度同步且连续。

优选地，板材上料、穿过中频感应退火炉及出料的速度为0.1～10m/s。

优选地，板材的上料、穿过中频感应退火炉及出料均为压迫式传动。

优选地，步骤C中的快速冷却为水冷或气冷。

优选地，上料之前，先用金属清洗剂对板材除油，然后凉干。

本发明的有益效果是，本发明的一种耐高温钛合金板通过优化耐高温钛合金材料的成分和配比，尤其是添加了适量的硅、铝、铁、镍、碳等元素，可大大提高合金高温抗蠕变性能，并能提高任何温度下的强度，使该钛合金板具有良好的热稳定性和高温抗蠕变性，同时加工工艺简单、成本低，并能提高板材的内在质量和精度。本发明的一种钛合金板的快速退火方法，

1.生产效率高。

(1)利用感应电流的集肤效应，采用中频感应电流对钛合金板直接加热，板材升温速度非常快。

(2)钛合金板动态连续退火，即一根根钛合金板连续通过加热区，进行快速退火，每根钛合金板退火时间仅需几分钟，每个钛合金板的退火时间缩短了99％以上。退火板材时，钛合金板退火的生产效率可达到300～1000kg/h或更高。

2.能耗、水耗小，运行成本低。

(1)节省投资。退火在大气中进行，省去了真空系统及庞大的水冷双层炉体，退火设备结构简单，设备投资小，单位产能的投资约为真空退火炉的1/40。

(2)节能。钛合金板升温快，受热均匀，而无需长期保温；炉体流失的热量少，又省去了真空泵，故耗电量大幅度减少。

(3)节水、节酸、节油。快速退火，板材退火前只需要进行除油处理，而不必进行酸洗，表面处理简单，省去了酸洗工序，节省了大量酸液。退火时不消耗真空泵油。

3.板材质量一致性好。

通过自动控制系统控制退火，每根板材的退火温度、退火时间完全相同，不受炉内位置差异的影响，工艺重现性和产品一致性都非常好。

4.产品的组织与性能优。

快速退火使板材的晶粒细小而均匀，晶粒度优于真空退火板材2个等级以上，强度及塑性均较高，产品性能明显优于真空退火板材。

5.设备占地面积小，噪音小。退火工艺实现全自动控制，适用于各种长度板材的退火，大小批量生产均适用。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝0.5％-1.2％、硅3％-5％、铁0.2％-0.5％、镍1.2％-1.8％、碳0.1％-0.2％，其余为钛；

钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1400-1450℃之间，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至1000±50℃，保温2-3小时，炉冷至700±10℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得钛合金板。

本发明的一种钛合金板的快速退火方法，具体按照以下步骤实施：

步骤A，上料：将制得的钛合金板逐个、顺次送入中频感应退火炉中；

步骤B，在中频感应退火炉中进行退火：

(1)板材升温：板材由中频感应退火炉的升温段穿过，30～60秒内升温至高于板材的再结晶温度；

(2)板材保温：板材由中频感应退火炉的保温段穿过，使板材温度维持在退火温度，保温2～6分钟，进行再结晶退火；

步骤C，出料：板材脱离中频感应退火炉后，进行快速冷却。

优选地，板材升温是通过感应电流直接加热板材。

优选地，板材保温是通过感应电流加热板式炉，使板材间接加热。

优选地，板材上料、穿过中频感应退火炉及出料的速度同步且连续。

优选地，板材上料、穿过中频感应退火炉及出料的速度为0.1～10m/s。

优选地，板材的上料、穿过中频感应退火炉及出料均为压迫式传动。

优选地，步骤C中的快速冷却为水冷或气冷。

优选地，上料之前，先用金属清洗剂对板材除油，然后凉干。

本发明一种耐高温钛合金板的实施例如下：

实施例1

一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝0.5％、硅3％、铁0.2％、镍1.2％、碳0.1％，其余为钛；

钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1400℃，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至950℃，保温3小时，炉冷至690℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得钛合金板。

实施例2

一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝0.8％、硅4％、铁0.35％、镍1.6％、碳0.15％，其余为钛；

钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1425℃，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至1000℃，保温2.5小时，炉冷至700℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得钛合金板。

实施例3

一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝1.2％、硅5％、铁0.5％、镍1.8％、碳0.2％，其余为钛；

钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1450℃，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至1050℃，保温2小时，炉冷至710℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得钛合金板。

实施例4

一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝0.75％、硅4％、铁0.4％、镍1.5％、碳0.15％，其余为钛；

钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1430℃，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至1030℃，保温3小时，炉冷至690℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得钛合金板。

实施例5

一种耐高温钛合金板，钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝1.1％、硅3.5％、铁0.4％、镍1.5％、碳0.2％，其余为钛；钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1450℃，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至1050℃，保温3小时，炉冷至710℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得钛合金板。

本发明一种钛合金板的快速退火方法利用中频感应加热的“集肤效应”，将钛合金板温度迅速提升到钛的再结晶温度以上，抑制冷加工金属升温时的“回复”过程，瞬间集中释放冷加工时储存在金属中的形变能，获得高密度的再结晶核心和高的固态相变速率，快速完成再结晶过程；然后将钛合金板材速冷至室温，抑制“晶粒长大”和“高温氧化”过程，将通常在真空退火时要在几百到上千分钟完成后的退火过程在几分钟内完成，从而获得细晶组织和优良的机械性能，并在板材表面形成一层既有一定加工润滑作用又容易酸洗去除的氧化膜。本发明通过快速升温、快速完成再结晶，使钛合金板质优而成本低。快速是本发明技术的核心，具体是通过感应电流直接加热单个钛合金板来实现的。

本发明一种钛合金板的快速退火方法实施例的实现步骤如下：

1.用金属清洗剂将钛合金板除油、凉干，预先排放于储料架上。

2.上料：将钛合金板逐个、顺次送入中频感应退火炉中。

3.在中频感应退火炉中进行退火：

(1)钛合金板快速升温：钛合金板由中频感应退火炉的升温段穿过，通过感应电流直接加热，30～60秒内升温至高于钛合金板的再结晶温度。钛合金板的再结晶温度一般为600～800℃。

(2)钛合金板保温：钛合金板由中频感应退火炉的保温段穿过，通过感应电流加热板式炉间接加热，使钛合金板温度维持在退火温度，保温2～6分钟，进行再结晶或消除应力退火。

中频感应退火炉频率大小的确定条件是钛合金板的透热深度大致与钛合金板的厚相应。即透热深度可大于钛合金板厚，与钛合金板厚相同，也可略小于钛合金板厚，就可确保钛合金板整体受热均匀。

感应电流的大小可由红外测温仪和电路控制系统自动控制。

4.出料，快速冷却：钛合金板脱离中频感应退火炉后，温度仍很高，会继续氧化，为缩短钛合金板在高温下暴露于大气中的时间，减少出炉后钛合金板的氧化，需要进行强制冷却。水冷冷却较快，故以水冷为佳。也可采用气冷，对较短的板材还可以自然冷却。

板钛上料、穿过中频感应退火炉及出料的速度同步且连续，速度一般为0.1～10m/s。钛合金板的上料、穿过中频感应退火炉及出料可采用压迫式传动。

Claims (9)

1.一种耐高温钛合金板，其特征在于，所述钛合金板材料的组分及重量百分含量为：铝0.5％-1.2％、硅3％-5％、铁0.2％-0.5％、镍1.2％-1.8％、碳0.1％-0.2％，其余为钛；

所述钛合金板的制备工艺包括如下步骤：

步骤1，将上述配方量的各原料组分混合后投放入立式感应加热炉内，加热温度控制在1400-1450℃之间，熔炼后铸锭成钛合金锭；

步骤2，将步骤1制得的钛合金锭热轧成钛合金板坯；

步骤3，将步骤2制得的钛合金板坯进行热处理，具体为：放入箱式电阻炉内，炉温升至1000±50℃，保温2-3小时，炉冷至700±10℃出炉；

步骤4，将经步骤3进行热处理的钛合金板坯浸渍到重量百分比为75％的氢氧化钠和25％的硝酸混合溶液进行碱酸洗去除表面氧化膜，然后机械修磨至表面粗糙度为0.5-1μm，即制得所述钛合金板。

2.一种钛合金板的快速退火方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤A，上料：将权利要求1制得的钛合金板逐个、顺次送入中频感应退火炉中；

步骤B，在中频感应退火炉中进行退火：

(1)板材升温：板材由中频感应退火炉的升温段穿过，30～60秒内升温至高于板材的再结晶温度；

(2)板材保温：板材由中频感应退火炉的保温段穿过，使板材温度维持在退火温度，保温2～6分钟，进行再结晶退火；

步骤C，出料：板材脱离中频感应退火炉后，进行快速冷却。

3.根据权利要求2所述的一种钛合金板的快速退火方法，其特征在于，所述的板材升温是通过感应电流直接加热板材。

4.根据权利要求2或3所述的一种钛合金板的快速退火方法，其特征在于，所述的板材保温是通过感应电流加热板式炉，使板材间接加热。

5.根据权利要求4所述的一种钛合金板的快速退火方法，其特征在于，所述板材上料、穿过中频感应退火炉及出料的速度同步且连续。

6.根据权利要求4所述的一种钛合金板的快速退火方法，所述板材上料、穿过中频感应退火炉及出料的速度为0.1～10m/s。

7.根据权利要求4所述的一种钛合金板的快速退火方法，其特征在于，所述板材的上料、穿过中频感应退火炉及出料均为压迫式传动。

8.根据权利要求7所述的一种钛合金板的快速退火方法，所述步骤C中的快速冷却为水冷或气冷。

9.根据权利要求8所述的一种钛合金板的快速退火方法，所述的上料之前，先用金属清洗剂对板材除油，然后凉干。