CN109750185A - 一种超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，该方法采用热轧加工，获得超塑性性能优异的650℃钛合金薄板。制备步骤为：(1)将650℃钛合金铸锭加热后开坯锻造，获得钛合金轧制用板坯；(2)将获得的板坯涂覆涂层并加热后，在轧机上进行开坯轧制；(3)将板材坯料加热后进行第二次轧制；(4)将板材坯料在为β相变点之上热处理后快速水淬冷却；(5)将板材坯料加热后进行第三次热轧；(6)将板材坯料加热后进行第四次换向热轧；(7)将所得坯料进行组焊，获得包覆叠轧包；(8)将叠轧包加热后热轧，获得半成品板材；(9)对半成品板材进行蠕变矫型，退火，酸、碱洗后，获得0.8～2.0mm厚度的650℃钛合金薄板成品。
Description
技术领域
本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法。
背景技术
高温钛合金以比强度高、耐高温、综合力学性能优异等特点，大量应用于航空发动机和航天飞行器的高温部件。国内外现有成熟应用的高温钛合金最高使用温度为600℃，但关于长时服役温度为650℃的高温钛合金国外报道很少。随着邻近空间飞行器飞行速度和航空发动机使用温度的不断提高，要求合金具有良好的室温拉伸、高温拉伸和蠕变等综合力学性能，同时还应具有良好的超塑性成形性能。
在授权公告号为CN103934301B的发明专利中，提供了一种超塑性成形用TC4钛合金板材的加工方法，解决了1.2mm～4mm厚TC4超塑性板材的横纵向组织等轴化、均匀化问题，但对于获得的TC4超塑性板材的超塑性成形温度和超塑性延伸率未关注。
在授权公告号为CN103785684B的发明专利中，提供了一种超塑性成形用TA15板材的加工方法，解决了0.6mm～2.5mm厚TA15钛合金超塑性成形用板材的晶粒细化和超塑性延伸率等要求，但对细晶板材的高温拉伸性能未关注。
在授权公告号为CN104018027B的发明专利中，提供了一种耐热钛合金及其加工制造方法和应用，提出了该650℃耐热高温钛合金成分设计、冶炼和合金精锻棒材的加工制造方法，但对该合金板材的热加工和制备方法未提及。
由于650℃钛合金具有更高的热强性，因而导致其高温变形能力较TC4和TA15钛合金板材弱，通常需要在较高的超塑性成形温度(不低于950℃)下成形。同时，相同的成形参数下，650℃钛合金板材的超塑性成形能力较TC4和TA15板材差，一般在200％以下，无法达到零件制造对超塑性延伸率大于400％的工艺性能需求。因此，亟待研发一种超塑性成形性能优异的细晶650℃钛合金薄板的制备方法，满足薄壁零件制备的要求。
发明内容
本发明针对650℃高温钛合金超塑性板材制备技术空白，提供一种超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其目的是提供一种超塑性成形延伸率不小于400％的650℃高温钛合金板材，该板材具有较高的650℃高温瞬时拉伸强度，以及良好的短时高温持久性能，其高温短时(<60min)使用温度可达650℃～750℃。
本发明的技术方案是：
一种超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将钛合金铸锭在温度为1100℃～1200℃的加热炉中保温200min～240min，在锻造机上进行板坯锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用板坯。
步骤二，将所得板坯在温度1050℃～1100℃的加热炉中保温100min～150min，在轧机上进行开坯轧制，得到30～40mm厚度的的板坯，步骤二的总变形量为60％～80％；
步骤三，将板坯在温度990℃～1010℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到12～15mm厚度的的坯料，步骤三中轧制的总变形量不小于60％；
步骤四，将所得半成品坯料剪切后，在温度为β相变点之上40℃的加热炉中保温60～90min，在水槽中水淬至100℃以下；
步骤五，将所得坯料表面修磨后，在温度990℃～1010℃的加热炉中保温80～100min，轧制得到6mm～8mm厚度的半成品板坯，步骤五中轧制的总变形量不小于40％；
步骤六，在温度990℃～1010℃的加热炉中保温80～100min，垂直于步骤五中的轧制方向，轧制得到3mm～4mm厚度的半成品板坯，步骤六中轧制的总变形量不小于40％；
步骤七，将所得半成品板坯剪切后，2～4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度为990℃～1010℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到1.0～2.2mm厚度的半成品板材；
步骤九，将所得半成品板材经过退火处理、蠕变校形、碱酸洗和水砂后，获得表面质量合格的0.8～2.0mm厚度成品板材。
本发明所述650℃高温钛合金的化学成分(重量百分比)为：Al：5.4％～6.3％，Sn：3.0～5.0％，Zr：2.5～6.4％，Mo：0.0～0.96％，Si：0.25～0.5％，Nb：0.2％～0.5％,Ta：0.3％～3.4％，W：0.2～1.6％，C：0.0～0.07％，O≤0.17％，Fe≤0.03％。
作为优选的技术方案：
步骤一中所得板坯尺寸为120mm×450mm×850mm，板坯的显微组织为长条状α相+β相组织,板坯厚度方向的总变形量不小于50％。
步骤二中所述的开坯轧制，轧程数不超过两次，每轧程的变形量不小于30％，轧制总变形不小于60％。
步骤三中所述的轧制，轧程数为一次，变形量为60％～65％。
步骤四中所述的水淬，得到的坯料组织为针状马氏体αˊ相和β相。
步骤五中所述的轧制，轧程数为一次，变形量为40％～50％。
步骤六中所述的轧制，轧程数为一次，变形量为40％～60％。
步骤七中所述的包覆轧制包中钢板与钛合金板材的单层厚度比为1～20:1。
步骤八中所述的轧制，轧程数为一次，总变形量不小于40％。
步骤九中所述的退火处理，其温度为650℃～750℃，退火时间200min～240min。
本发明与现有技术比有以下优点：
1、本发明的板坯制备过程中，板坯横截面的锻造总变形量不小于50％，板坯的β晶粒尺寸得到充分破碎。
2、本发明在中间厚度坯料采用β相区淬火工艺，在坯料中生成针状且无序排列的马氏体αˊ相板条和少量的β相，可有效减弱板材的相变织构。
3、本发明中在β相区淬火后，采用换向轧制，可有效减弱板材的轧制织构。
4、本发明中通过包覆轧制技术，增加板材的总变形量，总变形量不低于40％，使马氏体αˊ相板条充分破碎，获得横、纵向组织为细小均匀的等轴晶，力学性能均匀的650℃钛合金板材。
5、采用本发明方法制备的650℃钛合金板材的显微组织均匀，室温和高温拉伸性能优异，其薄板室温抗拉强度≥1100MPa，延伸率≥10％；650℃抗拉强度≥550MPa，延伸率≥20％；在950℃～1000℃，拉伸速率10-4～10-3s-1条件下，板材的超塑性延伸率≥400％。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
厚度2.0mm的低温超塑性成形用650℃钛合金薄板的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-5.5Al-4.0Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.4Si-0.3Nb-1.0Ta-0.7W-0.05C的650℃钛合金铸锭，将铸锭在温度为1100℃的加热炉中保温220min，在锻造机上进行板坯锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用板坯，板坯尺寸120mm×450mm×850mm。
步骤二，将步骤一所得板坯在温度1070℃的加热炉中保温150min，在轧机上进行开坯轧制，经一次轧制后，得到40mm的板坯，步骤二的总变形量为67％。
步骤三，将步骤二所述获得的板坯表面裂纹修磨干净，将板坯在温度990℃的加热炉中保温80min，轧制得到15mm的坯料，步骤三中轧制的总变形量为63％。
步骤四，将步骤三所述获得的半成品坯料沿长度方向剪切后，在温度为1060℃的加热炉中保温80min，在水槽中水淬至100℃以下。
步骤五，将步骤四所得坯料表面修磨后，在温度990℃的加热炉中保温100min，一次轧制得到8mm厚度的半成品板坯，步骤五中轧制的总变形量为47％。
步骤六，将步骤五中所述获得的坯料剪切后，在温度990℃的加热炉中保温100min，垂直于步骤五中的轧制方向，一次轧制得到4mm厚度的半成品板坯，步骤六中轧制的总变形量为50％。
步骤七，将步骤六中所述获得的坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，包覆轧制包中钢板厚度为20mm。
步骤八，将步骤七所述获得的包覆轧制包在温度为990℃的加热炉中保温80min，在轧机上进行一次轧制，轧制得到2.2mm厚度的半成品板材，总变形量45％。
步骤九，将步骤八所述获得的半成品板材，经过650℃，240min，炉冷热处理、蠕变校形、碱酸洗和水砂后，获得表面质量合格的成品2.0mm薄板。
本实施例制备的2.0mm厚650℃钛合金板材，其室温抗拉强度：1138MPa，延伸率13.5；650℃抗拉强度604MPa，延伸率46％；在950℃，拉伸速率5×10-4s-1条件下，板材的超塑性延伸率450％。
实施例2
厚度1.5mm的低温超塑性成形用650℃钛合金薄板的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-5.8Al-4.0Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.5Si-0.3Nb–1.0Ta–0.7W-0.05C的650℃钛合金铸锭，将铸锭在温度为1150℃的加热炉中保温240min，在锻造机上进行板坯锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用板坯，板坯尺寸120mm×450mm×850mm。
步骤二，将步骤一所得板坯在温度1080℃的加热炉中保温120min，在轧机上进行开坯轧制，经一次轧制后，得到35mm的板坯，步骤二的总变形量为71％。
步骤三，将步骤二所述获得的板坯表面裂纹修磨干净，将板坯在温度1000℃的加热炉中保温70min，轧制得到13mm的坯料，步骤三中轧制的总变形量为63％。
步骤四，将步骤三所述获得的半成品坯料沿长度方向剪切后，在温度为1080℃的加热炉中保温70min，在水槽中水淬至100℃以下。
步骤五，将步骤四所得坯料表面修磨后，在温度1000℃的加热炉中保温90min，一次轧制得到7mm厚度的半成品板坯，步骤五中轧制的总变形量为46％。
步骤六，将步骤五中所述获得的坯料剪切后，在温度1000℃的加热炉中保温90min，垂直于步骤五中的轧制方向，轧制得到3.5mm厚度的半成品板坯，步骤六中轧制的总变形量为50％。
步骤七，将步骤六中所述获得的坯料剪切后，3片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，包覆轧制包中钢板厚度为15mm。
步骤八，将步骤七所述获得的包覆轧制包在温度为1000℃的加热炉中保温70min，在轧机上进行一次轧制，轧制得到1.7mm厚度的半成品板材，总变形量51％。
步骤九，将步骤八所述获得的半成品板材，经过750℃，240min，炉冷热处理、蠕变校形、碱酸洗和水砂后，获得表面质量合格的成品1.5mm薄板。
本实施例制备的1.5mm厚650℃钛合金板材，其室温抗拉强度：1144MPa，延伸率14.0％；650℃抗拉强度610MPa，延伸率45％；在960℃，拉伸速率5×10-4s-1条件下，板材的超塑性延伸率430％。
实施例3
厚度0.8mm的低温超塑性成形用650℃钛合金薄板的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti–5.4Al-4.0Sn-3.5Zr-0.8Mo-0.3Si-0.4Nb-1.0Ta-0.7W-0.05C的650℃钛合金铸锭，将铸锭在温度为1200℃的加热炉中保温240min，在锻造机上进行板坯锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用板坯，板坯尺寸120mm×450mm×850mm。
步骤二，将步骤一所得板坯在温度1100℃的加热炉中保温100min，在轧机上进行开坯轧制，经一次轧制后，得到30mm的板坯，步骤二的总变形量为75％。
步骤三，将步骤二所述获得的板坯表面裂纹修磨干净，将板坯在温度1010℃的加热炉中保温60min，轧制得到12mm的坯料，步骤三中轧制的总变形量为60％。
步骤四，将步骤三所述获得的半成品坯料沿长度方向剪切后，在温度为1060℃的加热炉中保温60min，在水槽中水淬至100℃以下。
步骤五，将步骤四所得坯料表面修磨后，在温度1010℃的加热炉中保温80min，一次轧制得到6mm厚度的半成品板坯，步骤五中轧制的总变形量为50％。
步骤六，将步骤五中所述获得的坯料剪切后，在温度1000℃的加热炉中保温80min，垂直于步骤五中的轧制方向，轧制得到3mm厚度的半成品板坯，步骤六中轧制的总变形量为50％。
步骤七，将步骤六中所述获得的坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，包覆轧制包中钢板厚度为10mm。
步骤八，将步骤七所述获得的包覆轧制包在温度为1010℃的加热炉中保温60min，在轧机上进行一次轧制，轧制得到1.0mm厚度的半成品板材，总变形量67％。
步骤九，将步骤八所述获得的半成品板材，经过700℃，200min，炉冷热处理、蠕变校形、碱酸洗和水砂后，获得表面质量合格的成品0.8mm薄板。
本实施例制备的0.8mm厚650℃钛合金板材，其室温抗拉强度：1176MPa，延伸率10.0％；650℃抗拉强度614MPa，延伸率25％；在970℃，拉伸速率5×10-4s-1条件下，板材的超塑性延伸率410％。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将钛合金铸锭在温度为1100℃～1200℃的加热炉中保温200min～240min，在锻造机上进行板坯锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用板坯；
步骤二，将所得板坯在温度1050℃～1100℃的加热炉中保温100min～150min，在轧机上进行开坯轧制，得到30～40mm厚的板坯，轧制总变形量为60％～80％；
步骤三，将板坯在温度990℃～1010℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到12～15mm厚的坯料，轧制总变形量不小于60％
步骤四，将所得半成品坯料剪切后，在温度为β相变点之上40℃的加热炉中保温60～90min，水淬至100℃以下；
步骤五，将所得坯料表面修磨后，在温度990℃～1010℃的加热炉中保温80～100min，轧制得到6mm～8mm厚度的半成品板坯，轧制总变形量不小于40％；
步骤六，将所得半成品板坯在温度990℃～1010℃的加热炉中保温80～100min，垂直于步骤五中的轧制方向，轧制得到3mm～4mm厚度的半成品板坯，轧制总变形量不小于40％；
步骤七，将所得半成品板坯剪切后，2～4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度为990℃～1010℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到1.0～2.2mm厚度的半成品板材；
步骤九，将所得半成品板材经过退火处理、蠕变校形、碱酸洗和水砂后，获得表面质量合格的0.8～2.0mm厚度成品板材。
2.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤一中所得板坯尺寸为120mm×450mm×850mm，板坯的显微组织为长条状α相+β相组织，板坯厚度方向的总变形量不小于50％。
3.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的开坯轧制，轧程数不超过两次，每轧程的变形量不小于30％。
4.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤三中所述的轧制，轧程数为一次，变形量为60％～65％。
5.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤五中所述的轧制，轧程数为一次，变形量为40％～50％。
6.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤六中所述的轧制，轧程数为一次，变形量为40％～60％。
7.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤七中所述的包覆轧制包中钢板与钛合金板材的单层厚度比为1～20:1。
8.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤八中所述的轧制，轧程数为一次，总变形量不小于40％。
9.按照权利要求1所述超塑性成形用650℃高温钛合金薄板的制备方法，其特征在于：步骤九中所述的退火处理，其温度为650℃～750℃，退火时间200min～240min，随炉冷却。
10.按照权利要求1所述方法制备的650℃高温钛合金薄板，其特征在于：所述650℃钛合金薄板室温抗拉强度≥1100MPa，延伸率≥10％；650℃抗拉强度≥550MPa，延伸率≥20％；在950℃～1000℃，拉伸速率10-4～10-3s-1条件下，板材的超塑性延伸率≥400％。
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