CN108160742B - 一种亚稳定β型钛合金TB16冷轧管加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种亚稳定β钛合金TB16冷轧管加工方法,该方法包括TB16钛合金的配料、铸锭制备、开坯锻造、挤压管材、喷砂、酸洗、管材多道次轧制、成品管固溶与时效等步骤,钛合金TB16按以下比例配料:Mo:4.5~5.7wt%,V:4.5~5.7wt%,Cr:5.5~6.5wt%,Al:2.5~3.5wt%,Fe:<0.30wt%,C:<0.05wt%,N:<0.04wt%,H:<0.015wt%,O:<0.15wt%,余量为钛。该合金具有较高的抗拉强度、韧性和良好的焊接性能,可应用于航空、航天、石油、舰船与化工等领域。

Description

一种亚稳定β型钛合金TB16冷轧管加工方法
技术领域
本发明涉及一种亚稳定β钛合金TB16冷轧管加工方法,具体涉及通式为 TB16的高强度钛合金冷轧管的加工方法。
背景技术
目前,钛及钛合金管材主要采用TA2、TA9、TA18及TC4等低强度或中强度钛及钛合金,基于其本身强度的局限性,能承受的工作压力一般不高。对于要求工作压力比较大的设备领域,这些合金将无法满足使用要求,而钢管对于航空、航天、深海钻井及石油化工等领域又存在产品重量较大,继而造成相关燃料与运行成本增加及耐腐蚀性能差等问题,因此开发高强高韧钛合金管材的制备技术能有效弥补这些缺点。对于高强钛合金管,目前有报道某些单位采用旋压加工方法制备,由于钛合金弹性模量低,在旋压过程中管壁不贴模,造成了椭圆度过大等尺寸精度较差的问题,也有报道某些单位采用热穿孔或热挤压方法制备厚壁管材,然后通过机械加工制备薄壁管材,这种方式不但造成材料浪费,成品率低下,不适于规模生产,关键是这种机加工薄壁管材在高应力状态下,表面车刀纹对受力件存在较大的潜在风险。
发明内容
针对现有技术的上述问题,本发明提供一种生产高强度、高延伸率、焊接性能优异的亚稳定β钛合金TB16冷轧管的方法。
为实现上述目的,本发明包括如下技术方案:
一种亚稳定β钛合金TB16冷轧管加工方法,该方法包括如下步骤:
(1)钛合金TB16按以下比例配料:Mo:4.5~5.7wt%,V:4.5~5.7wt%, Cr:5.5~6.5wt%,Al:2.5~3.5wt%,Fe:<0.30wt%,C:<0.05wt%,N:<0.04wt%, H:<0.015wt%,O:<0.15wt%,余量为钛;
(2)将配料压制成电极,在真空自耗电炉中经3次熔炼得到铸锭;
(3)在1000~1200℃下采用开坯锻造与锻造的加工方法获得所需尺寸的棒材;
(4)棒材经机加工获得待挤压管坯,管坯直径为Φ100~400mm;待挤压管坯在800~1100℃经挤压机获得外径为Φ50~300mm、壁厚为5~30mm的厚壁管材;
(5)喷砂去氧化皮,然后酸洗、修磨管材表面缺陷;
(6)在冷轧机上对管材开坯轧制,变形率在20%~80%之间;
(7)酸洗除油,真空炉退火,退火制度为700~900℃保温0.5~3小时;
(8)在冷轧机上对管材进行轧制变形,变形率在20%~80%之间;
(9)按照成品尺寸的设计要求,可重复步骤(7)和(8);
(10)采用多辊轧机轧制管材成品,变形率在20%~70%之间;
(11)酸洗除油,在真空炉中进行固溶处理,固溶制度为800~900℃保温 0.2~3小时;
(12)对管材进行矫直,矫直后直线度不大于0.8mm/m;
(13)对管材进行时效处理,时效制度为400~600℃保温1~36小时;
(14)性能检测,合格后,成品。
在上述方法中,优选地,步骤(1)钛合金TB16按以下比例配料:Mo:4.9wt%, V:5.1wt%,Cr:5.9wt%,Al:3.0wt%,Fe:0.09wt%,C:0.006wt%,N:0.008wt%, H:0.0011wt%,O:0.08wt%,余量为钛;采用MoAl(Mo含量72%)、VAl(V含量81%)中间合金,纯Cr和Al箔,按着配料比例,和海绵钛混合均匀,压制成电极;
步骤(2)中,熔炼得到的铸锭直径为Φ600mm;
步骤(3)中,在1200℃开坯锻造获得横截面为400×400mm的方坯;方坯修磨下料后,在1100℃加热,锻造获得直径为Φ300×Lmm的棒材;
步骤(4)中,棒材修磨下料后,得到直径为Φ300×Lmm的管坯,在950℃加热2h后,在6300吨挤压机上挤出外径为Φ122mm、内径为Φ100mm的管材;
步骤(5)中,喷砂去氧化皮,然后酸洗、修磨管材表面缺陷;
步骤(6)中,在冷轧机上对管材开坯轧制的变形率为41%,经开坯轧制后管材的外径为Φ105mm、内径为Φ93mm;
步骤(7)中,酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;
步骤(8)中,在冷轧机上对外径为Φ105mm、内径为Φ93mm的管坯进行轧制变形,变形率为36.7%,得到管材的外径为Φ98mm、内径为Φ90mm;
步骤(9)中,重复步骤(7)和(8),酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;然后在冷轧机上对外径为Φ98mm、内径为Φ90mm的管坯进行轧制,变形率为40.5%,得到管材的外径为Φ92mm、内径为Φ87mm;再次酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;
步骤(10)中,在多辊冷轧机上对外径为Φ92mm、内径为Φ87mm的管坯进行轧制,变形率为22.3%,得到管材的外径为Φ89mm、内径为Φ85mm;
步骤(11)中,酸洗除油,在真空炉中进行固溶处理,固溶制度为850℃保温1小时;
步骤(12)中,对管材进行矫直,矫直后直线度为0.5mm/m;
步骤(13)中,在真空炉中对管材进行时效处理,时效制度为520℃保温8 小时;
步骤(14)中,性能检测与压力试验,合格后,成品。
另一方面,本发明还包括一种亚稳定β钛合金TB16冷轧管,其是采用如上所述的方法制备的。
本发明的有益效果:根据本发明方法制备的亚稳定β钛合金TB16冷轧管,与等尺寸同强度的钢管相比,减重40%;与旋压高强钛合金薄壁管相比,尺寸精度容易控制,外径尺寸控制在Φ88.9~Φ89.1mm之间,直线度不大于0.8mm/m;与机械加工的高强钛合金薄壁管相比,生产效率显著提高,没有车刀纹,安全性有了较高的保障;与市场上已有的低强钛合金薄壁管性能相比,本发明制备的钛合金管在强度上具有非常明显的优势,均增加2倍以上。焊接性能方面,经比较发现,TB16合金的焊接系数达到0.9以上,证明本发明制备的亚稳定β钛合金TB16冷轧管焊接性能良好,适宜焊接结构件使用。
具体实施方式
本发明的亚稳定β钛合金TB16冷轧管加工方法,该方法包括TB16钛合金铸锭制备、开坯锻造、挤压管材、喷砂、酸洗、管材多道次轧制、成品管固溶与时效等,包括如下步骤:
一、按以下比例配料:Mo:4.5~5.7wt%,V:4.5~5.7wt%,Cr:5.5~6.5wt%, Al:2.5~3.5wt%,Fe:<0.30wt%,C:<0.05wt%,N:<0.04wt%,H:<0.015wt%, O:<0.15wt%,余量为钛;
二、将配料压制成电极,在真空自耗电炉中经3次熔炼成铸锭;
三、1000~1200℃采用开坯锻造与锻造的加工方法获得所需尺寸的棒材;
四、棒材经机加工获得待挤压管坯Φ(100~400)×Lmm,在800~1100℃经挤压机获得外径Φ(50~300)×Lmm壁厚5~30mm的厚壁管;
五、喷砂去氧化皮,然后酸洗、修磨管坯表面缺陷;
六、在冷轧机上对管坯开坯轧制,变形率在20%~80%之间;
七、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为700~900℃保温0.5~3小时;
八、在冷轧机上对管材进行轧制变形,变形率在20%~80%之间;
九、按照成品尺寸的设计要求,可重复第八和第九步骤;
十、采用多辊轧机轧制管材成品,变形率在20%~70%之间;
十一、酸洗除油,真空炉固溶,固溶制度为800~900℃保温0.2~3小时,然后对管材进行矫直,矫直后直线度不大于0.8mm/m;
十二、在真空炉中对管材时效,时效制度为400~600℃保温1~36小时;
十三、性能检测,合格后,成品。
实施例1
成品管Φ89(外径)×Φ85(内径)×Lmm的制备。制备工序如下:
一、按以下比例配料,其中,Ti5Mo5V6Cr3Al配料:Mo:4.9wt%;V:5.1wt%; Cr:5.9wt%;Al:3.0wt%;Fe:0.09wt%;C:0.006wt%;N:0.008wt%;H:0.0011wt%; O:0.08wt%;余量为钛;采用MoAl(Mo含量72%)、VAl(V含量81%)中间合金,纯Cr和Al箔,按着配料比例,和海绵钛混合均匀,压制成电极。
二、在真空自耗电炉经三次熔炼得到Φ600mm铸锭;
三、在1200℃开坯锻造获得400×400×Lmm方坯;
四、方坯400×400×Lmm修磨下料后,在1100℃加热,锻造获得Φ300×Lmm 棒材;
五、棒材Φ300×Lmm修磨下料后,在950℃加热2h后,在6300吨挤压机上挤出Φ122(外径)×Φ100(内径)×Lmm管材;
六、喷砂去氧化皮,然后酸洗、修磨管坯表面缺陷;
七、在冷轧机上对管坯Φ120(外径)×Φ102(内径)×Lmm开坯轧制Φ105 (外径)×Φ93(内径)×Lmm,变形率为41%;
八、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;
九、在冷轧机上对管坯Φ105(外径)×Φ93(内径)×Lmm轧制Φ98(外径) ×Φ90(内径)×Lmm,变形率为36.7%;
十、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为;
十一、在冷轧机上对管坯Φ98(外径)×Φ90(内径)×Lmm轧制Φ92(外径)×Φ87(内径)×Lmm,变形率为40.5%;
十二、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;
十三、在多辊冷轧机上对管坯Φ92(外径)×Φ87(内径)×Lmm轧制Φ89 (外径)×Φ85(内径)×Lmm,变形率为22.3%;
十四、酸洗除油,在真空炉进行固溶处理,温度850℃,保温1小时;
十五、对管材进行矫直,矫直后直线度为0.5mm/m;
十六、在真空炉中对管材进行时效处理,温度520℃,保温8小时;得到样品1。
实施例2
成品管Φ72(外径)×Φ67(内径)×Lmm的制备。制备工序如下:
一、按以下比例配料,其中,Ti5Mo5V6Cr3Al配料:Mo:4.9wt%;V:5.1wt%; Cr:5.9wt%;Al:3.0wt%;Fe:0.09wt%;C:0.006wt%;N:0.008wt%;H:0.0011wt%; O:0.08wt%;余量为钛;采用MoAl(Mo含量72%)、VAl(V含量81%)中间合金,纯Cr和Al箔,按着配料比例,和海绵钛混合均匀,压制成电极。
二、在真空自耗电炉经三次熔炼得到Φ500mm铸锭;
三、在1200℃开坯锻造获得350×350×Lmm方坯;
四、方坯350×350×Lmm修磨下料后,在1100℃加热,锻造获得Φ250×Lmm 棒材;
五、棒材Φ250×Lmm修磨下料后,在950℃加热2h后,在6300吨挤压机上挤出Φ99(外径)×Φ79(内径)×Lmm管材;
六、喷砂去氧化皮,然后酸洗、修磨管坯表面缺陷;
七、在冷轧机上对管坯Φ99(外径)×Φ79(内径)×Lmm开坯轧制Φ86(外径)×Φ74(内径)×Lmm,变形率为46.1%;
八、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为850℃保温1小时;
九、在冷轧机上对管坯Φ86(外径)×Φ74(内径)×Lmm轧制Φ77(外径) ×Φ70(内径)×Lmm,变形率为46.4%;
十、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为850℃保温1小时;
十一、在多辊冷轧机上对管坯Φ77(外径)×Φ70(内径)×Lmm轧制Φ72 (外径)×Φ67(内径)×Lmm,变形率32.5%;
十二、酸洗除油,在真空炉进行固溶处理,温度800℃,保温1.5小时;
十三、对管材进行矫直,矫直后直线度为0.6mm/m;
十四、在真空炉中对管材进行时效处理,温度500℃,保温10小时;得到样品2。
将样品1和样品2加工成非标准10mm宽的拉伸试样。试验在AG50KNE 试验机上完成,力学性能如表1所示。结果表明,通过本发明制备的亚稳定β钛合金TB16冷轧管,即样品1与样品2,抗拉强度σb不小于1150MPa,断后伸长率δ5不小于10%,直线度不大于0.8mm/m。
表1
样品1 样品2
σ<sub>b</sub> MPa 1230 1190
σ<sub>0.2</sub>MPa 1170 1130
δ<sub>5</sub>% 12.0 14.0
直线度 0.5mm/m 0.6mm/m
实施例3焊接性能测试
成品管Φ72(外径)×Φ67(内径)×Lmm的焊接试样制备。制备工序如下:
一、按以下比例配料,其中,Ti5Mo5V6Cr3Al配料:Mo:4.9wt%;V:5.1wt%; Cr:5.9wt%;Al:3.0wt%;Fe:0.09wt%;C:0.006wt%;N:0.008wt%;H:0.0011wt%; O:0.08wt%;余量为钛;采用MoAl(Mo含量72%)、VAl(V含量81%)中间合金,纯Cr和Al箔,按着配料比例,和海绵钛混合均匀,压制成电极。
二、在真空自耗电炉经三次熔炼得到Φ500mm铸锭;
三、在1200℃开坯锻造获得350×350×Lmm方坯;
四、方坯350×350×Lmm修磨下料后,在1100℃加热,锻造获得Φ250×Lmm 棒材;
五、棒材Φ250×Lmm修磨下料后,在950℃加热2h后,在6300吨挤压机上挤出Φ99(外径)×Φ79(内径)×Lmm管材;
六、喷砂去氧化皮,然后酸洗、修磨管坯表面缺陷;
七、在冷轧机上对管坯Φ99(外径)×Φ79(内径)×Lmm开坯轧制Φ86(外径)×Φ74(内径)×Lmm,变形率为46.1%;
八、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为850℃保温1小时;
九、在冷轧机上对管坯Φ86(外径)×Φ74(内径)×Lmm轧制Φ77(外径) ×Φ70(内径)×Lmm,变形率为46.4%;
十、酸洗除油,真空炉退火,退火制度为850℃保温1小时;
十一、在多辊冷轧机上对管坯Φ77(外径)×Φ70(内径)×Lmm轧制Φ72 (外径)×Φ67(内径)×Lmm,变形率32.5%;
十二、酸洗除油,在真空炉进行固溶处理,温度800℃,保温1.5小时;
十三、对管材进行矫直,矫直后直线度为0.6mm/m;
十四、从管材取两段试样,然后采用电子束焊接;
十五、在真空炉中对管材进行时效处理,温度500℃,保温10小时,得到焊接样品3。
焊接系数由带有焊缝样品与不带焊缝样品的强度比值来确定,焊接样品3 经加工成10mm宽的非常规拉伸试样,然后在AG50KNE试验机上完成拉伸试验,结果如表2所示。
表2
样品2 样品3
σ<sub>b</sub> MPa 1190 1120
σ<sub>0.2</sub>MPa 1130 1060
δ<sub>5</sub>% 14.0 16.0
结果表明,经过焊接后,比较样品3抗拉强度有70MPa幅度的降低,材料塑性升高,根据焊接系数的定义,可以确定该合金的焊接系数为0.94,表明该材料是合格的焊接结构件。
本发明方法制备的TB16钛合金冷轧管,管材性能如下:抗拉强度不小于 1150MPa,屈服强度不小于1050MPa,断后延伸率不小于10%,直线度不大于0.8mm/m,焊接系数不小于90%。由于该合金具有较高的抗拉强度、韧性和良好的焊接性能,可应用于航空、航天、石油、舰船与化工等领域。

Claims (3)

1.一种亚稳定β钛合金TB16冷轧管加工方法,包括如下步骤:
(1)钛合金TB16按以下比例配料:Mo:4.5~5.7wt%,V:4.5~5.7wt%,Cr:5.5~6.5wt%,Al:2.5~3.5wt%,Fe:<0.30wt%,C:<0.05wt%,N:<0.04wt%,H:<0.015wt%,O:<0.15wt%,余量为钛;
(2)将配料压制成电极,在真空自耗电炉中经3次熔炼得到铸锭,熔炼得到的铸锭直径为600mm;
(3)在1200℃开坯锻造获得400×400mm的方坯,方坯修磨下料后,在1100℃加热,锻造获得直径为300mm的棒材;
(4)所述的棒材修磨下料后,得到直径为300mm的管坯,在950℃加热2h后,在6300吨挤压机上挤出外径为122mm、内径为100mm的管材;
(5)喷砂去氧化皮,然后酸洗、修磨管材表面缺陷;
(6)在冷轧机上对管材开坯轧制,变形率为41%;经开坯轧制后管材的外径为105mm、内径为93mm;(7)酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;
(8)在冷轧机上对外径为105mm、内径为93mm的管坯进行轧制变形,变形率为36.7%,得到管材的外径为98mm、内径为90mm;
(9)重复步骤(7)和(8),酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;然后在冷轧机上对外径为98mm、内径为90mm的管坯进行轧制,变形率为40.5%,得到管材的外径为92mm、内径为87mm;再次酸洗除油,真空炉退火,退火制度为800℃保温1.5小时;
(10)在多辊冷轧机上对外径为92mm、内径为87mm的管坯进行轧制,变形率为22.3%,得到管材的外径为89mm、内径为85mm;
(11)酸洗除油,在真空炉中进行固溶处理,固溶制度为850℃保温1小时;
(12)对管材进行矫直,矫直后直线度为0.5mm/m;
(13)对管材进行时效处理,时效制度为520℃保温8小时;(14)性能检测,合格后,成品。
2.根据权利要求1所述的亚稳定β钛合金TB16冷轧管加工方法,其特征在于:所述的钛合金TB16按以下比例配料:Mo:4.9wt%,V:5.1wt%,Cr:5.9wt%,Al:3.0wt%,Fe:0.09wt%,C:0.006wt%,N:0.008wt%,H:0.0011wt%,O:0.08wt%,余量为钛。
3.一种亚稳定β钛合金TB16冷轧管,其特征在于:采用如权利要求1或2所述的加工方法制备。
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