CN108588607A - 大规格高强度高韧性tc11钛合金厚壁管的制造工艺 - Google Patents

大规格高强度高韧性tc11钛合金厚壁管的制造工艺 Download PDF

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雒元卿
王勇锦
林梅
赵小宁
张玲
王勇根
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Abstract

本发明提供了一种大规格高强度高韧性TC11钛合金厚壁管的制造工艺，其特征在于，将选定的钛合金管坯加热保温后用精锻机锻造，然后在910℃～970℃，保温1～2h，然后在20秒内将管材从电炉取出风冷，再加热至530℃，保温6h空冷；最后在直机上进行矫直，即可。本发明采用径向锻造的方法代替现有轧制的方法得到的产品TC11钛合金厚壁管，外径跨度为Φ90～210mm，壁厚为10～30mm，长度为800～5000mm，实现了高强高韧性TC11钛合金厚壁管的规模化生产；同时，也填补了市场大规格TC11钛合金厚壁管生产空白。

Description

大规格高强度高韧性TC11钛合金厚壁管的制造工艺
技术领域
本发明属于钛材料制造技术领域，具体涉及一种大跨度规格尺寸的高强度高韧性TC11钛合金厚壁管材的制造工艺。
背景技术
钛及钛合金的冶炼和制造技术难度高、工艺复杂。世界上仅极少数国家或企业掌握钛及钛合金制造的工艺，通常仅限于小规模，小规格尺寸生产技术。钛及钛合金材料制造核心技术和产能，决定或支撑着所属国家航空、航天、深海等某些特殊领域的技术发展，因此被国家历来确定为的战略新材料，积极鼓励发展。但是目前的钛及钛合金生产工艺落后，只能生产一些规格小的钛管，尚不能满足更大尺寸，大规格跨度、更高性能的钛及钛合金管材的发展特殊需要。
例如，中国专利文献CN201410106084.7《TC4钛合金厚壁管材的制造方法》，由于该方法所采用的材料(TC4化学成分Ti-6Al-4V)不同，其虽然解决了一定的规格尺寸跨度小，效率低，生产周期长的技术问题，但是由于该材料的性能决定了其仍然无法解决现有制造方法不能生产大规格高强高韧钛合金管材的问题，且成材率偏低，生产规格跨度还是小(外径小于150mm)，尺寸规格不够宽，无法满足现实特殊领域的高端或极端制造需要。再如，中国专利文献CN201410460802.0《一种小规格TA16钛合金厚壁管材的制备方法》(TA16化学成分Ti-3AL-5M)，该方法采用两辊开坯轧制+多辊轧制+空拉拔+多辊轧制相结合的方式。该制造工序仍然复杂落后，成材率更低，且只能生产小规格钛合金厚壁管材。
综上，目前特别是高性能的，即高强度高韧钛合金管制造工艺技术，如TC11厚壁管材(材料成分是Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr，也可添加Si)更是难以逾越，产品市场空白。在这种情况下，无法满足国家在航天、航空或深海某些特定的极端条件下的特殊用途需要，如深海潜航器、深海摄像机的壳体等。
发明内容
本发明的目的在于，拟采用TC11钛合金材料，提供一种具有高强度高韧性的厚壁管钛合金管制造生产工艺，其产品用来满足应用于航天、航空或深海探测等极端特殊条技术领域的需求。本发明所采用的技术方案如下：
一种大规格高强度高韧性TC11钛合金厚壁管的制造工艺，其特征在于，按以下步骤实施：
步骤1，制管坯：将备好的TC11钛合金材料制成管坯；
步骤2，锻造：将管坯用电炉加热至950℃～1050℃后保温30～150min，再采用径向锻造的方法在精锻机上锻造，单道次减径量控制在20～30mm，终锻温度755℃，锻造速度1.5～4.0m/min，每道次变形量35～55％，总变形量50～85％；
管材在锻造时，易出现芯头断裂、包裹芯头、管材扭曲、表面折叠、壁厚不均等缺陷。除按核心技术控制外，就是选用合理的锻造锤头。锤头接触面积过大，包裹芯头过紧，管材和芯棒不同时转动，会造成管材扭曲，产生废品。锤头接触面积过小，管材表面易折叠，芯棒单位面积承受压力过大，芯棒易断裂。所以锤头公称尺寸应为小于管材外径20～30mm最佳。
步骤3，热处理：
将步骤2锻造后的管材加热至910℃～970℃，保温1～2h，然后在20秒以内将管材取出放进风扇区进行风冷却，保证高温下产生的强化相，能较快速度保留至室温；再加热至520℃～580℃，保温6h空冷，保证高温下产生的强化相能充分弥散分解，符合强化机理；
加速管材冷却速度，使强度提高10～25MPa，塑性无降低，保证管材高强高韧的性能。
步骤4，矫直：
将步骤3热处理的管材，在矫直机上按一定曲率进行矫直，平直度不大于2mm/m，即得到TC11钛合金厚壁管。
本发明的特点还在于，
步骤1中钛合金管坯的外径为150～270mm，壁厚为25～60mm。
本发明的有益效果是，与现有技术比，本发明TC11钛合金厚壁管的加制造工艺，采用径向锻造的方法代替现有轧制的方法，制造时科学设计加热和锻造温度，匹配设计锻造压下量、送进量等参数，控制α+β两相区锻造的总变形量，从而使产品获得了良好的组织性能，质量均匀一致优良的产品。经检验，本发明的产品抗拉强度、屈服强度平均高于现有技术12％以上、延伸率、断面收缩率也显著提高。此外，TC11钛合金厚壁管的超声波探伤杂波水平高、外径跨度为Φ90～210mm，壁厚为10～30mm，长度为800～5000mm，实现了高强高韧性TC11钛合金厚壁管的规模化生产；同时，也填补市场大尺寸TC11钛合金厚壁管材生产空白。
附图说明
图1是实施例1制造得到的本发明高倍显微组织图。
图2是实施例2制造得到的本发明高倍显微组织图。
图3是实施例3制造得到的本发明高倍显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明TC11钛合金厚壁管的制造方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将备好的TC11钛合金材料制成外径为150～270mm，壁厚为25～60mm的钛合金管坯；
步骤2，锻造：
采用电炉加热，将钛合金管坯加热至950℃～1050℃后保温30～150min；用精锻机锻造，单道次减径量控制在20～30mm，终锻温度755℃，锻造速度1.5～4.0m/min，每道次变形量35～55％，总变形量50～85％；
步骤3，热处理：
将步骤3锻造后的管材加热至910℃～970℃，保温1～2h，然后在20秒以内将管材取出放进风扇区进行风冷却；再加热至520℃～580℃，保温6h空冷。
步骤4，矫直：
将步骤3热处理的管材，在七轴矫直机上按一定曲率(根据管材外径而改变，外径越小曲率越小)进行矫直，平直度不大于2mm/m，即得到TC11钛合金厚壁管。
本发明TC11钛合金厚壁管的制造方法，采用径向锻造的方法代替现有轧制的方法，制造时合理选择加热和锻造温度，匹配锻造压下量、送尽量等参数，合理选择模具工装，增加金属的横向变形，控制α+β两相区锻造的总锻比，从而获得组织和性能均匀一致、超声波探伤杂波水平高、外径Φ90～210mm，壁厚10～30mm，长度800～5000mm的TC11钛合金厚壁管材，填补大规格TC11钛合金厚壁管生产空白。
实施例1
实施例1制造的材料为锭号541-20171102的钛合金管坯，外径为Φ270mm，内径为Φ175mm。按本发明的制造方法，经过锻造和热处理，生产出外径为Φ185mm，内径为Φ157mm管材。
步骤1，加热：采用电炉加热，将选定的钛合金管坯加热至960℃后，保温90分钟出炉锻造；
步骤2，锻造：将步骤1加热的管坯用精锻机锻造，每道次减径25mm，终锻温度750℃，锻造速度1.5～4.0m/min，总变量77％；
步骤3，热处理：将步骤2锻造的管材加热至960℃，保温2h，然后在20秒内将管材从电炉取出放入风扇区进行风冷却，再加热至530℃，保温6h空冷；
步骤4，矫直：将步骤3热处理的管材，在德国MEER公司的七轴矫直机上按一定曲率(根据管材外径而改变，外径越小曲率越小)进行矫直，平直度不大于2mm/m，即得。
对实施例1制造的管材性能、组织进行检测，结果如下：
(1)管材室温力学性能如表1所示。
表1实施例1制造得到的TC11钛合金厚壁管的力学性能
(2)管材高倍显微组织
实施例1制造得到的TC11钛合金厚壁管横向显微组织如图1所示。有图1可见，在横断面不同位置均匀性较好，都是由时效β基础的球状和条状初生α组成，且各点的初生α含量远大于25％，完全符合技术要求。
(3)管材超声波探伤
用5兆的探头、全声程进行超声波探伤，管材均通过Φ0.8mm平底孔。
实施例2
实施例2制造的材料为锭号541-20180103的管坯，外径为Φ270mm，内径为Φ175mm。按本发明的制造方法，经过锻造和热处理，生产出外径为Φ185mm，内径为Φ165mm管材。
步骤1加热：采用电炉加热，将选定的钛合金管坯加热至960℃后，保温80分钟出炉锻造；
步骤2锻造：将步骤1加热的管坯用精锻机锻造，每道次减径25mm，终锻温度755℃，锻造速度1.5～4.0m/min，总变量77％；
步骤3热处理：将步骤2锻造的管材加热至960℃，保温2h，然后在20秒内将管材从电炉取出放入风扇区进行风冷却，再加热至530℃，保温6h空冷；
步骤4矫直：将步骤3热处理的管材，在德国MEER公司的七轴矫直机上按按一定曲率(根据管材外径而改变，外径越小曲率越小)进行矫直，平直度不大于2mm/m，即得。
对实施例2制造得到的TC11钛合金厚壁管材性能、组织进行检测，结果如下：
(1)管材室温力学性能如表2所示。
表2实施例2制造得到的TC11钛合金厚壁管的力学性能
(2)管材高倍显微组织
实施例2制造得到的TC11钛合金厚壁管横向显微组织如图2所示。由图2可知，在横断面不同位置均匀性较好，都是由时效β基础的球状和条状初生α组成，且各点的初生α含量远大于25％，完全符合技术要求。
(3)管材超声波探伤
用5兆的探头、全声程进行超声波探伤，管材均通过Φ0.8mm平底孔。
实施例3
实施例3制造的材料为锭号541-20180306的钛合金管坯，外径为Φ185mm，内径为Φ115mm。按本发明的制造方法，经过锻造和热处理，生产出外径为Φ115mm，内径为Φ85mm管材。
步骤1加热：采用电炉加热，将选定的钛合金管坯加热至960℃后，保温60分钟出炉锻造；
步骤2锻造：将步骤1加热的管坯用精锻机锻造，每道次减径24mm，终锻温度750℃，锻造速度1.5～4.0m/min，总变量71％，锻后风冷；
步骤3热处理：将步骤2锻造的管材加热至960℃，保温2h，然后在20秒内将管材从电炉取出放入风扇区进行风冷却，再加热至530℃，保温6h空冷；
步骤4矫直：将步骤3热处理的管材，七轴矫直机上按按一定曲率(根据管材外径而改变，外径越小曲率越小)进行矫直，平直度不大于2mm/m。
对实施例3制造得到的TC11钛合金厚壁管性能、组织进行检测，结果如下：
(1)管材室温力学性能如表3所示。
(2)管材高倍组织
实施例3制造得到的TC11钛合金厚壁管横向显微组织如图3所示。由图3可知，在横断面不同位置均匀性较好，都是由时效β基础的球状和条状初生α组成，且各点的初生α含量远大于25％，完全符合技术要求。
(3)管材超声波探伤
用5兆的探头、全声程进行超声波探伤，管材均通过Φ0.8mm平底孔。
表3实施例3制造得到的TC11钛合金厚壁管的力学性能

Claims (1)

1.大规格高强度高韧性TC11钛合金厚壁管的制造工艺，其特征在于，制管坯、锻造、热处理、矫直的步骤：
步骤1，制管坯：将备好的TC11钛合金材料制成外径为150～270mm，壁厚为25～60mm管坯；
步骤2，锻造：将管坯用电炉加热至950℃～1050℃后保温30～150min，再采用径向锻造的方法在精锻机上锻造，单道次减径量控制在20～30mm，终锻温度755℃，锻造速度1.5～4.0m/min，每道次变形量35～55％，总变形量50～85％；锻造锤头公称尺寸应为小于管材外径20～30mm；
步骤3，热处理：
将步骤2锻造后的管材加热至910℃～970℃，保温1～2h，然后在20秒以内将管材取出放进风扇区进行风冷却，保证高温下产生的强化相，能较快速度保留至室温；再加热至520℃～580℃，保温6h空冷，保证高温下产生的强化相能充分弥散分解，符合强化机理；
步骤4，矫直：
将步骤3热处理的管材，在七轴矫直机上按管材的一定曲率设计矫直量进行矫直，平直度不大于2mm/m，即得到TC11钛合金厚壁管。
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