CN109504877A - 一种高冲击韧性和高塑性的ta23合金板材及制备与应用 - Google Patents

一种高冲击韧性和高塑性的ta23合金板材及制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于有色金属加工领域，具体涉及一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材及制备与应用。本发明采用全过程工艺设计理念，对铸锭成分、锻造工艺、轧制及热处理等关键工艺进行全方位管控，制得了一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材，该TA23合金板材抗拉强度Rm≥740Mpa，屈服强度Rp0.2≥630Mpa，延伸率A≥19％，室温冲击KV2≥80J，‑40℃低温冲击≥30J，综合性能优良，其中，室温冲击韧性提高100％以上，低温冲击韧性提高190％以上，延伸率提高3％以上，各项指标均满足客户标准，并有足够的性能富余量，大大提升了产品的安全系数，用于制造船舶结构件，抗冲击能力更强，安全型更高。

Description

一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材及制备与应用
技术领域
本发明属于有色金属加工领域，具体涉及一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材及制备与应用。
背景技术
TA23是一种Ti-2.5Al-2Zr-1Fe系近α钛合金，其生产的板材具有中等强度与高的塑性，其屈服强度≥590MPa、抗拉强度≥700MPa、延伸率≥18％，屈强比约为80％，而同等强度钛合金具有更为优异的塑性，例如TA5、TA7合金板抗拉强度分别≥685MPa、≥735MPa，但延伸率仅为≥12％。因此，TA23钛合金板冷、热成形性能优异，还具有很好的焊接性、耐海水腐蚀及透声性能，非常适合于成型建造大型钛合金结构件，是一种较为理想的船舶用钛合金及其声纳导流罩材料，应用前景广阔。作为船体的一部分，为承受工作时海水对其的压力和冲击，钛合金板材必须具备足够的强度及耐冲击性能。因此，提高TA23钛合金板冲击韧性，对应对复杂多变的海洋环境并保证船体安全性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和高塑性的TA23合金板材的制备方法，该方法提升了TA23钛合金板的成型性及抗冲击性能等。
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和高塑性的TA23合金板材，该板材抗拉强度Rm≥740Mpa，屈服强度Rp0.2≥630Mpa，延伸率A≥19％，室温冲击KV2≥80J，-40℃低温冲击≥30J，综合性能优良。
本发明的再一目的在于提供上述高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，包含如下步骤：
(1)铸锭熔炼：选用零级或以上海绵钛、海绵锆、铝豆以及纯铁进行配料并压制成电极块，然后熔炼，得到TA23合金(Ti-2.5Al-2Zr-1Fe)铸锭，切除铸锭冒口并扒皮；
(2)板坯锻造：对步骤(1)制得的铸锭进行锻造，其中，一火开坯锻造温度为Tβ+(50～150)℃(相变点以上50～150℃)，经两次或以上镦拔处理，总变形量60～80％，终锻温度≥850℃，一火开坯锻造后充分破碎粗大的铸态组织；一火开坯锻造后进行二火成品锻造，二火成品锻造温度为Tβ-(20～60)℃，经两次或以上镦拔处理，总变形量60～85％，终锻温度≥800℃，然后经整形、铣面，得到轧制用方形板坯；
(3)一火轧制：对步骤(2)制得的轧制用方形板坯进行一火轧制，其中，一火加热温度为Tβ-(20～60)℃，保温时间系数为1.5±0.2min/mm，道次变形率为5～30％，一火轧程变形率为50～90％，经6～12道次轧至一火目标厚度；
(4)表面处理：对步骤(3)制得的一火板进行表面处理；
(5)二火轧制：对步骤(4)表面处理后的一火板进行二火换向轧制(即轧制方向与一火轧制方向垂直)，其中，二火加热温度Tβ-(70～120)℃，保温时间系数为1.3±0.2min/mm，道次变形率为5～25％，二火轧程变形率为40～85％，经4～8道次轧至目标厚度；对于成品厚度≤5mm钛板二火轧制后，进行步骤(6)～(9)所述操作；对于成品厚度≥6mm的钛板二火轧制后，进行步骤(8)和(9)所述操作；
(6)表面处理：对步骤(5)制得的二火板进行表面处理；
(7)三火轧制：将步骤(6)表面处理后的二火板进行三火轧制，其中，三火轧制方向与二火一致，加热温度与二火相同，保温时间系数为1.2±0.2min/mm，经4～5个道次轧至成品厚度，道次变形率为5～25％，三火轧程变形率为35～80％；
(8)热处理：大气气氛下对步骤(7)制得的三火板进行退火处理，出炉后进行热矫形；
(9)表面处理：对步骤(8)热处理后的三火板进行表面处理，得到高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材；
步骤(1)中所述的海绵钛、海绵锆、铝豆和纯铁的纯度优选为大于99.5wt％；
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(4)中所述的表面处理的具体操作优选为：
步骤(3)制得的一火板经扒皮、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)中所述的表面处理的具体操作优选为：
步骤(5)制得的二火板经喷砂、酸洗与修磨，去除表面缺陷(例如：裂纹、压入等)，修磨方向平行于二火轧制方向；
步骤(8)中所述的退火的条件优选为退火温度600～750℃，退火保温时间30～60min；
步骤(9)中所述的表面处理的具体操作优选为：
采用喷砂、酸洗或碱酸洗与打磨，去除上下表面氧化皮及缺陷；
一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材，通过上述制备方法制备得到；
所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材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)工艺路线新颖，采用全过程工艺设计理念，对铸锭成分、锻造工艺、轧制及热处理等关键工艺进行全方位管控，制得了综合性能优异的TA23板材，室温冲击韧性提高100％以上，低温冲击韧性提高190％以上，延伸率提高3％以上，各项指标均满足客户标准，并有足够的性能富余量，大大提升了产品的安全系数。
(2)本发明制得的TA23板材用于制造船舶结构件，抗冲击能力更强，安全型更高。
(3)本发明热轧过程采用Tβ温度以下低温区轧制，退火后直接出炉热矫，代替传统热压矫形，可以减少能源消耗，同时更有利于组织细化，提高综合性能.
(4)本发明设备及工艺简单，可实现批量生产。
具体实施方式
下面结合实施例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。
实施例中海绵钛、海绵锆、铝豆和纯铁的纯度大于99.5wt％；
实施例1
(1)铸锭熔炼：选用零级海绵钛、海绵锆、铝豆以及纯铁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TA23合金铸锭，金相法实测相变点945℃；
(2)板坯锻造：对步骤(1)制得的TA23合金铸锭进行锻造，其中，一火开坯锻造温度为1050℃(Tβ+105℃)，经两墩两拔，总变形量70％，终锻温度865℃，一火开坯锻造后充分破碎粗大的铸态组织；一火开坯锻造后进行二火成品锻造，锻造温度920℃(Tβ-25℃)，同样经两次镦拔，总变形量73％，终锻温度812℃，然后经整形、铣面，得到规格为150mm的轧制用方形板坯，板坯组织为等轴α+晶间β，板坯满足GB/T5193-2007超声探伤A级标准；
(3)一火轧制：对步骤(2)制得的轧制用方形板坯进行一火轧制，其中，一火加热温度为900℃，保温时间系数为1.5min/mm，经8个道次轧至24mm，每个道次变形率依次为18％、19％、23％、23％、22％、21％、19％、18％，轧程变形率为84％；
(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)二火轧制：对步骤(4)修磨后的一火板进行二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，其中，二火加热温度为850℃，保温时间系数为1.3min/mm，经5个道次轧至10mm，每个道次变形率依次为14％、16％、20％、16％、14％，二火轧程变形率为58％；
(6)表面处理：步骤(5)制得的二火板经喷砂酸洗与修磨，去除表面裂纹、压入等缺陷，修磨方向平行于二火轧制方向；
(7)三火轧制：将步骤(6)表面处理后的二火板进行三火轧制，其中，三火轧制方向与二火一致，加热温度为850℃，保温时间系数为1.2min/mm，经4个道次轧至5mm，每个道次变形率依次为14％、16％、18％、15％，轧程变形率为50％；
(8)热处理：采用大气气氛退火，退火温度640℃，保温时间45min，出炉后直接进行热矫形，空冷；
(9)表面处理：采用喷砂酸洗与打磨，去除上下表面氧化皮及缺陷，获得高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材，力学性能如表1所示。
实施例2
(1)铸锭熔炼：选用零级海绵钛、海绵锆、铝豆以及纯铁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TA23合金铸锭，金相法实测相变点950℃；
(2)板坯锻造：对步骤(1)制得的TA23合金铸锭进行锻造，其中，一火开坯锻造温度为1080℃(Tβ+130℃)，经两墩两拔，总变形量78％，终锻温度852℃，一火开坯锻造后充分破碎粗大的铸态组织；一火开坯锻造后进行二火成品锻造，锻造温度930℃(Tβ-20℃)，同样经两次镦拔，总变形量75％，终锻温度803℃，然后经整形、铣面，得到规格为120mm的轧制用方形板坯，板坯组织为等轴α+晶间β，板坯满足GB/T5193-2007超声探伤A级标准；
(3)一火轧制：对步骤(2)制得的轧制用方形板坯进行一火轧制，其中，一火加热温度为900℃，保温时间系数为1.5min/mm计算，经9个道次轧至21mm，每个道次变形率依次为17％、20％、21％、20％、18％、17％、16％、15％、14％，轧程变形率为83％；
(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)二火轧制：对步骤(4)修磨后的一火板进行二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，其中，二火加热温度为850℃，保温时间系数为1.3min/mm，经6个道次轧至6mm，每个道次变形率依次为19％、21％、20％、19％、18％、15％，轧程变形率为71％；
(6)热处理：采用大气气氛退火，退火温度600℃，保温时间45min，出炉后直接进行热矫形；
(7)表面处理：采用喷砂酸洗与打磨，去除上下表面氧化皮及缺陷，获得高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材，力学性能如表1所示。
对比实施例1
对比实施例1成品厚度与实施例1相同均为5mm，除采用海绵钛等级为1级、热轧工艺一火采用950℃/二火900℃，以及退火温度制度采用“670℃/45min，空冷”外，其余工艺参数与实施例1均相同。力学性能如表1所示。
对比实施例2
对比实施例2成品厚度与实施例2相同均为6mm，除采用海绵钛等级为1级、热轧工艺一火采用950℃/二火900℃，以及退火温度制度采用“690℃/45min，空冷”外，其余工艺参数与实施例2均相同。力学性能如表1所示。
效果实施例
对实施例1～2以及对比实施例1～2制得的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材进行横向拉伸性能、室温及低温冲击性能检测，结果如表1所示。
表1采用本发明加工的产品组织类型及性能
由表1可见，本发明实施例1、2加工的TA23合金板力学及冲击性能满足客户指标要求。与对比实施例1和2相比，本发明获得的成品板材表现出了较高冲击韧性和延伸率，综合性能大幅提高。例如，实施例1相比于对比实施例1，室温冲击性能提高100％，低温冲击性能提高192％，延伸率提高4％；实施例2相比于对比实施例2，室温冲击性能提高100％，低温冲击性能提高209％，延伸率提高3.5％。
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 (9)

1.一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
(1)铸锭熔炼：选用零级或以上海绵钛、海绵锆、铝豆以及纯铁进行配料并压制成电极块，然后熔炼，得到TA23合金铸锭，切除铸锭冒口并扒皮；
(2)板坯锻造：对步骤(1)制得的铸锭进行锻造，其中，一火开坯锻造温度为Tβ+(50～150)℃，经两次或以上镦拔处理，总变形量60～80％，终锻温度≥850℃，一火开坯锻造后充分破碎粗大的铸态组织；一火开坯锻造后进行二火成品锻造，二火成品锻造温度为Tβ-(20～60)℃，经两次或以上镦拔处理，总变形量60～85％，终锻温度≥800℃，然后经整形、铣面，得到轧制用方形板坯；
(3)一火轧制：对步骤(2)制得的轧制用方形板坯进行一火轧制，其中，一火加热温度为Tβ-(20～60)℃，保温时间系数为1.5±0.2min/mm，道次变形率为5～30％，一火轧程变形率为50～90％，经6～12道次轧至一火目标厚度；
(4)表面处理：对步骤(3)制得的一火板进行表面处理；
(5)二火轧制：对步骤(4)表面处理后的一火板进行二火换向轧制，其中，二火加热温度Tβ-(70～120)℃，保温时间系数为1.3±0.2min/mm，道次变形率为5～25％，二火轧程变形率为40～85％，经4～8道次轧至目标厚度；对于成品厚度≤5mm钛板二火轧制后，进行步骤(6)～(9)所述操作；对于成品厚度≥6mm的钛板二火轧制后，进行步骤(8)和(9)所述操作；
(6)表面处理：对步骤(5)制得的二火板进行表面处理；
(7)三火轧制：将步骤(6)表面处理后的二火板进行三火轧制，其中，三火轧制方向与二火一致，加热温度与二火相同，保温时间系数为1.2±0.2min/mm，经4～5个道次轧至成品厚度，道次变形率为5～25％，三火轧程变形率为35～80％；
(8)热处理：大气气氛下对步骤(7)制得的三火板进行退火处理，出炉后进行热矫形；
(9)表面处理：对步骤(8)热处理后的三火板进行表面处理，得到高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材。
2.根据权利要求1所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的海绵钛、海绵锆、铝豆和纯铁的纯度为大于99.5wt％。
3.根据权利要求1所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，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所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，其特征在于：
步骤(4)中所述的表面处理的具体操作为：
步骤(3)制得的一火板经扒皮、抛光去除表面缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向。
5.根据权利要求1所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，其特征在于：
步骤(6)中所述的表面处理的具体操作为：
步骤(5)制得的二火板经喷砂、酸洗与修磨，去除表面缺陷，修磨方向平行于二火轧制方向。
6.根据权利要求1所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，其特征在于：
步骤(8)中所述的退火的条件为退火温度600～750℃，退火保温时间为30～60min。
7.根据权利要求1所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材的制备方法，其特征在于：
步骤(9)中所述的表面处理的具体操作为：
采用喷砂、酸洗或碱酸洗与打磨，去除上下表面氧化皮及缺陷。
8.一种高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材，其特征在于通过权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到。
9.权利要求8所述的高冲击韧性和高塑性的TA23合金板材在深潜器和船舰装备领域中的应用。
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