CN109504876A - 一种高冲击韧性的Ti80中厚板及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种高冲击韧性的Ti80中厚板及其制备方法与应用。本发明通过对铸锭成分、板坯锻造、板材轧制等工艺的优化，制得了一种高冲击韧性的Ti80中厚板，该Ti80中厚板抗拉强度≥920Mpa，冲击功KV2≥52J，具有“初生α相+片层转变β相”微观组织，其中初生α相组织比例≤20％，片层转变β相基体组织比例>80％，表现出了较高拉伸性能强度及冲击韧性，综合性能优异。

Description

一种高冲击韧性的Ti80中厚板及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，具体涉及一种高冲击韧性的Ti80中厚板及其制备方法与应用。
背景技术
钛合金具有耐海水及海洋气候腐蚀、比强度高、无磁、可加工性好等优点，可延长设备寿命及大幅减重，是船用理想金属材料。其中Ti80合金具有合适的强度以及良好的塑性，综合力学性能优异，在深潜器和船舰装备上应用广泛。为承受装备在海洋服役过程中受海浪及漂浮物冲刷撞击力，并具备一定抗爆性，需要其具有良好强度、塑性和冲击韧性的良好匹配，以保障材料使用安全，其中冲击韧性可用冲击功表示。按照设计要求，Ti80板材抗拉强度需≥880Mpa，冲击功需≥47J，而实际对于Ti80板材，特别是对于10～24mm中厚板，冲击韧性整体都较低，冲击功仅为42～48J，不能充分满足设计要求。因此，为保证船体具备足够高的安全余量，制备一种高冲击韧性的优质Ti80板材具有非常重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，该方法通过对铸锭成分、板坯锻造、板材轧制等工艺的优化，制得了一种高冲击韧性的Ti80中厚板。
本发明的另一目的在于提供上述制备方法制备得到的高冲击韧性的Ti80中厚板，该板材抗拉强度≥920Mpa，冲击功KV2≥52J，综合性能优良的Ti80中厚板材，充分满足了设计要求，并大大提升了船体结构件的安全余量。
本发明的再一目的在于提供上述高冲击韧性的Ti80中厚板的应用。
本发明的的目的通过下述技术方案实现：
一种高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，包含如下步骤：
(1)铸锭熔炼：选用零级小颗粒海绵钛、海绵锆、铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝豆、纯铁以及二氧化钛粉进行配料并压制成电极块，然后熔炼，得到Ti80铸锭，切除铸锭冒口并扒皮；
(2)板坯锻造：将步骤(1)制得的Ti80铸锭进行一火开坯锻造与半成品及成品锻造，充分破碎粗大铸态组织，其中，一火开坯锻造坯料加热温度为Tβ+(50～180)℃(相变点以上50～180℃)，并进行两次及以上镦粗和拔长，变形量60～80％，终锻温度≥900℃；半成品及成品锻造坯料加热温度为Tβ-(20～50)℃(相变点以下20～50℃)，并进行两次及以上镦粗和拔长，总变形量65～80％，终锻温度≥850℃；然后经整形、铣面，得到方形板坯，其中，板坯组织细小均匀，为等轴和拉长α相+转变β相组织；
(3)一火轧制：将步骤(2)制得的方形板坯进行一火轧制，得到一火板；其中，一火加热温度为Tβ-(15～50)℃，保温时间系数为1.0min/mm±10min，道次变形率为5～30％，一火轧程变形率为45～90％，经5～12道次轧至一火目标厚度；
(4)中间修磨：将步骤(3)制得的一火板进行修磨；
(5)成品轧制：将步骤(4)修磨后的一火板换向轧制，其中，二火加热温度为Tβ-(50～120)℃，保温时间系数为1.0min/mm±10min，道次变形率为5～25％，二火轧程变形率为45～85％，经4～10道次轧至目标厚度；
(6)热处理：在大气气氛下，对步骤(5)制得的二火板进行退火处理；出炉后热矫形，冷却，得到热处理后的板材；该板材具有“初生α相+片层转变β相”微观组织，其中初生α相组织比例≤20％，片层转变β相基体组织比例>80％；
(7)表面处理：对步骤(6)热处理后的板材进行表面处理，得到高冲击韧性的Ti80中厚板；
步骤(1)中所述的二氧化钛粉的纯度优选为大于99.8wt.％；
步骤(1)中所述的熔炼优选为：经过三次真空自耗电弧炉熔炼；
步骤(1)中所述的Ti80铸锭的氧含量优选为0.070～0.11wt.％；
步骤(1)中所述的半成品及成品锻造的火次数优选为2～5火次；
步骤(4)中所述的修磨的具体操作优选为：
一火板经扒皮、抛光去除表面缺陷(例如：裂纹、压入等)，修磨方向垂直于一火轧制方向；
步骤(6)中所述的退火处理的条件优选为退火温为Tβ-(10～60)℃，保温时间为30～120min；
步骤(6)中所述的退火处理优选在辊底式退火炉中进行；
步骤(6)中所述的热矫形优选在矫直机中进行热矫形；
步骤(6)中所述的冷却优选为强制风冷；
步骤(7)中所述的表面处理优选为：
采用扒皮、抛光，以去除上下表面氧化皮及缺陷；
一种高冲击韧性的Ti80中厚板，通过上述制备方法制备得到；
所述的高冲击韧性的Ti80中厚板在深潜器和船舰装备领域中的应用；
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明采用全过程综合控制理念，从板坯成分、锻造、轧制及热处理全流程工序工艺调控，制得一种抗拉强度≥920Mpa，冲击功KV2≥52J的Ti80中厚板材，提高了强度和冲击韧性综合性能，充分满足了设计要求，并大大提升了船身结构件的安全余量。
(2)成分配比在满足强度条件下，本发明采用合理低O成分范围，提高了冲击韧性。
(3)本发明采用三次熔炼提高成分均匀性，同时采用相变点以下多火次锻造及轧制变形，获得均匀细小的热轧态组织，为成品热处理提供组织基础。
(4)本发明采用近β辊底炉高温退火，并强制冷却，可获得“初生α相+片层转变β相”理想组织，>80％片层转变β相组织可显著提高冲击韧性，低于相变点热处理，并采用出炉后强制冷却，有利于提高板材强度。
(5)本发明设备及工艺简单，可实现大批量稳定生产。
附图说明
图1是实施例1制得的10mm规格Ti80中厚板材金相组织形貌图。
图2是实施例2制得的24mm规格Ti80中厚板材金相组织形貌图。
图3是对比实施例1制得的10mm规格Ti80中厚板材金相组织形貌图。
图4是对比实施例2制得的24mm规格Ti80中厚板材金相组织形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)铸锭熔炼：选用零级小颗粒海绵钛、海绵锆、铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝豆、纯铁以及纯度大于99.8wt％的二氧化钛粉进行配料并压制成电极块，经过三次真空自耗电弧炉熔炼成Ti80铸锭，切除铸锭冒口并扒皮，铸锭氧含量0.085％，实测相变点(Tβ)995℃；
(2)开坯锻造：将步骤(1)制得的Ti80铸锭进行一火开坯锻造与半成品及成品锻造，充分破碎粗大铸态组织，其中，一火开坯锻造坯料加热温度为1100℃，并进行两墩两拔，总变形量78％，终锻温度908℃；半成品及成品锻造坯料加热温度为970℃，经3火次，并进行两墩两拔，总变形量80％，终锻温度860℃，然后经整形、铣面，得到厚度为150mm厚的方形板坯，板坯组织细小均匀，为等轴和拉长α相+转变β相组织；
(3)一火轧制：将步骤(2)制得的方形板坯进行一火轧制，得到一火板；其中，一火加热温度为970℃，保温时间系数为1.0min/mm，到温计时，经8个道次轧至厚度为37mm，道次变形率分别为7.3％、8.6％、15.6％、19.4％、19.5％、18.6％、19.3％、19.6％，一火轧程变形率为75.3％；
(4)中间修磨：步骤(3)制得的一火板经扒皮、抛光去除表面裂纹、压入等缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向；
(5)成品轧制：将步骤(4)修磨后的一火板换向轧制，其中，二火加热温度为940℃，保温时间系数为1.0min/mm，到温计时，经6个道次轧制为厚度为10mm，道次变形率分别为13.5％、18.8％、23％、25％、20％、16.7％，二火轧程变形率为73％；
(6)热处理：采用辊底式退火炉，在大气气氛下，对步骤(5)制得的二火板进行退火处理，其中，退火温度980℃，保温时间45min，出炉后迅速开至矫直机进行热矫形，强制风冷，得到热处理后的板材；该板材具有“初生α相+片层转变β相”微观组织，其中初生α相组织比例≤20％，片层转变β相基体组织比例>80％；
(7)表面处理：步骤(6)热处理后的板材经扒皮、抛光，去除上下表面氧化皮及缺陷，获得厚度为10mm的Ti80中厚板材，成品板性能及组织分别见表1及图1。
实施例2
(1)铸锭熔炼：选用零级小颗粒海绵钛、海绵锆、铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝豆、纯铁以及纯度大于99.8％的二氧化钛粉进行配料并压制成电极块，经过三次真空自耗电弧炉熔炼，得到Ti80铸锭，切除铸锭冒口并扒皮，铸锭氧含量0.09％，实测相变点(Tβ)1000℃；
(2)开坯锻造：将步骤(1)制得的Ti80铸锭进行一火开坯锻造与半成品及成品锻造，充分破碎粗大铸态组织，其中，一火开坯锻造坯料加热温度为1100℃，并进行两墩两拔，总变形量75％，终锻温度902℃；半成品及成品锻造坯料加热温度为980℃，经4火次，并进行两墩两拔，总变形量78.5％，终锻温度852℃，然后经整形、铣面，得到厚度为150mm厚的方形板坯，板坯组织细小均匀，为等轴和拉长α相+转变β相组织；
(3)一火轧制：将步骤(2)制得的方形板坯进行一火轧制，得到一火板；其中，一火加热温度为980℃，保温时间系数为1.0min/mm，到温计时，经5个道次轧至厚度为65mm，道次变形率分别为12.7％、16.8％、24.8％、14.6％、7％，一火轧程变形率为56.7％；
(4)中间修磨：步骤(3)制得的一火板经扒皮、抛光去除表面裂纹、压入等缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向；
(5)成品轧制：将步骤(4)修磨后的一火板换向轧制，其中，二火加热温度为940℃，保温时间系数为1.0min/mm，到温计时，经4个道次轧制为厚度为24mm，道次变形率分别为23％、24％、21％、20％，二火轧程变形率为63％；
(6)热处理：采用辊底式退火炉，在大气气氛下，对步骤(5)制得的二火板进行退火处理，其中，退火温度980℃，保温时间90min，出炉后迅速开至矫直机进行热矫形，强制风冷，得到热处理后的板材；该板材具有“初生α相+片层转变β相”微观组织，其中初生α相组织比例≤20％，片层转变β相基体组织比例>80％；
(7)表面处理：步骤(6)热处理后的板材经扒皮、抛光，去除上下表面氧化皮及缺陷，获得厚度为24mm的Ti80中厚板材，成品板性能及组织分别见表1及图2。
对比实施例1
Ti80铸锭氧含量按照0.12wt.％配比，实测相变点(Tβ)1000℃，其成品热处理退火温度为900℃，保温时间45min，出炉后空冷；其余操作(铸锭熔炼、开坯锻造、一火轧制、中间修磨、成品轧制、热处理、表面处理等)同实施例1，获得厚度为10mm的Ti80中厚板材，成品板性能及组织分别见表1及图3。
对比实施例2
Ti80铸锭氧含量按照0.06wt.％配比，实测相变点(Tβ)995℃，且成品热处理退火温度为920℃，保温时间90min，出炉后空冷，其余操作(铸锭熔炼、开坯锻造、一火轧制、中间修磨、成品轧制、热处理、表面处理等)同实施例1，获得厚度为24mm的Ti80中厚板材，成品板性能及组织分别见表1及图4。
效果实施例
对实施例1～2以及对比实施例1～2制得的Ti80中厚板材的横向拉伸性能、冲击性能及金相组织等进行检测，结果见表1以及图1～4。
表1实施例与对比实施例制得的Ti80中厚板材性能分析
由表1可见，Ti80中厚板冲击韧性与坯料成分、加工工艺及成品组织有关，本发明实施例1、2制得的Ti80中厚板材成品强度、冲击韧性均满足设计标准，并有一定安全富余量。
对比实施例1：Ti80铸锭O含量0.12wt.％，超出本发明0.07～0.11wt.％控制范围，同时成品热处理采用900℃较低温度退火，退火温度低于本专利Tβ-(10～60)℃即940～990℃范围，获得的成品板微观组织片层转变β组织比例仅为15％，低于本发明设计≥80％要求，一方面间隙元素O含量增加，将降低板材冲击功，另一方面可提高冲击功的片层转变β组织比例较低，导致对比实施例1拉伸性能满足要求，但冲击功偏低，不符合设计指标要求。
对比实施例2：Ti80铸锭O含量0.06wt.％，低于本发明0.07～0.11wt.％控制范围，同时成品热处理采用920℃较低温度退火，退火温度低于本发明Tβ-(10～60)℃即935～985℃范围，获得的成品板微观组织片层转变β组织比例仅为28％，低于本发明设计≥80％要求，尽管采用低间隙元素O含量0.06wt.％设计有利于提高冲击功，但对板材强化左右减弱，导致成品板拉伸性能抗拉强度不合格，且整体强度偏低，同时由于成品板微观组织片层转变β组织比例仅为28％，导致冲击功仍然偏低，不符合设计指标要求。
与对比实施例1和2相比，本发明获得的Ti80中厚板材表现出了较高拉伸性能强度及冲击韧性，综合性能优异。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)铸锭熔炼：选用零级小颗粒海绵钛、海绵锆、铝钼中间合金、铝铌中间合金、铝豆、纯铁以及二氧化钛粉进行配料并压制成电极块，然后熔炼，得到Ti80铸锭，切除铸锭冒口并扒皮；
(2)板坯锻造：将步骤(1)制得的Ti80铸锭进行一火开坯锻造与半成品及成品锻造，充分破碎粗大铸态组织，其中，一火开坯锻造坯料加热温度为Tβ+(50～180)℃，并进行两次及以上镦粗和拔长，变形量60～80％，终锻温度≥900℃；半成品及成品锻造坯料加热温度为Tβ-(20～50)℃，并进行两次及以上镦粗和拔长，总变形量65～80％，终锻温度≥850℃；然后经整形、铣面，得到方形板坯，其中，板坯组织细小均匀，为等轴和拉长α相+转变β相组织；
(3)一火轧制：将步骤(2)制得的方形板坯进行一火轧制，得到一火板；其中，一火加热温度为Tβ-(15～50)℃，保温时间系数为1.0min/mm±10min，道次变形率为5～30％，一火轧程变形率为45～90％，经5～12道次轧至一火目标厚度；
(4)中间修磨：将步骤(3)制得的一火板进行修磨；
(5)成品轧制：将步骤(4)修磨后的一火板换向轧制，其中，二火加热温度为Tβ-(50～120)℃，保温时间系数为1.0min/mm±10min，道次变形率为5～25％，二火轧程变形率为45～85％，经4～10道次轧至目标厚度；
(6)热处理：在大气气氛下，对步骤(5)制得的二火板进行退火处理；出炉后热矫形，冷却，得到热处理后的板材；该板材具有“初生α相+片层转变β相”微观组织，其中初生α相组织比例≤20％，片层转变β相基体组织比例>80％；
(7)表面处理：对步骤(6)热处理后的板材进行表面处理，得到高冲击韧性的Ti80中厚板；
步骤(1)中所述的Ti80铸锭的氧含量为0.070～0.11wt.％；
步骤(6)中所述的退火处理的条件为退火温为Tβ-(10～60)℃，保温时间为30～120min。
2.根据权利要求1所述的高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的二氧化钛粉的纯度为大于99.8wt.％。
3.根据权利要求1所述的高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的熔炼为：经过三次真空自耗电弧炉熔炼。
4.根据权利要求1所述的高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的半成品及成品锻造的火次数为2～5火次。
5.根据权利要求1所述的高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于：
步骤(4)中所述的修磨的具体操作为：
一火板经扒皮、抛光去除表面缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向。
6.根据权利要求1所述的高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于：
步骤(6)中所述的退火处理在辊底式退火炉中进行；
步骤(6)中所述的冷却为强制风冷。
7.根据权利要求1所述的高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于：
步骤(6)中所述的热矫形在矫直机中进行热矫形。
8.根据权利要求1所述的高冲击韧性的Ti80中厚板的制备方法，其特征在于：
步骤(7)中所述的表面处理为：
采用扒皮、抛光，以去除上下表面氧化皮及缺陷。
9.一种高冲击韧性的Ti80中厚板，其特征在于通过权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的高冲击韧性的Ti80中厚板在深潜器和船舰装备领域中的应用。
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