CN110695085B - 一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，采用制备好的钛合金板坯经加热、轧制、热矫直、热处理和表面处理后，得到钛合金宽厚板；所制备的钛合金板坯在进行加热之前，在钛合金板坯的上、下表面包覆纯钛保护层，定义钛合金板坯厚度为M，轧制前纯钛保护层厚度为D，板坯轧制目标厚度为m，轧制后纯钛保护层厚度为d，则轧制前纯钛保护层厚度需满足D=d（M/m），其中d为0.2~0.5mm。本发明通过综合控制钛坯料表面防护、加热及轧制等工艺，实现了利用钢厂轧机短流程、低成本制备钛合金宽厚板技术难题，专利工艺路线新颖，并可实现大批量稳定生产，综合力学性能优异，产品质量符合标准规范要求。
Description
技术领域
本发明属于材料的加工技术，特别是一种利用钢厂轧机短流程、低成本制备钛合金宽厚板的加工方法。
背景技术
目前钛合金具有比强度高、质轻、耐腐蚀等优异性能，在航空航天、舰船、武器装备、化工等领域应用广泛。随着工业的发展，为了提高装备的可靠性、高综合效益及大型化发展要求，钛合金装备设计发展趋势是少焊缝、低成本，大规格钛合金宽厚板需求量增加。因此，如何实现短流程、低成本制备钛合金宽厚板，成为行业面临必须要解决的问题，这将显著提升我国钛合金板材制备技术水平，并大力推动其进一步广泛应用，以充分发挥钛合金材料独特优势。
钛合金宽厚板制备需要大型宽幅轧机及配套设备，投资巨大，而现有钛厂轧机宽度有限，难以生产2500mm或以上超宽规格钛合金板；目前，国内钢企宽幅轧机产线配套齐全，轧机宽度3000～5500mm，且普遍采用自有高炉炼铁生产过程中副产品高炉煤气代替电、天然气加热，生产成本仅为钛企业1/3～1/5。因此，借助钢厂大型宽幅轧机及配套设备制备钛合金宽厚板，不仅可节省巨额设备投资，生产超宽大板幅钛合金板材，同时生产成本也大幅降低，为钛合金宽厚板低成本制备提供了可行的思路。
但钛为密排六方结构，变形过程中滑移系少，且钛合金中富含强化合金元素，强度高、塑性差，热轧过程中板面极易开裂；同时，由于钢材热塑性变形能力好，钢厂为了提高宽幅轧机产线产能，其产线长度是钛厂2～5倍，坯料出炉至轧机时间大幅延长，开轧及终轧温度低，钛合金热塑性变形能力大幅下降，导致钢厂大型宽幅轧机制备钛合金宽厚板时，普遍存在表面严重裂纹，裂纹深度达2mm或以上，裂纹修磨时间长、去除困难，导致生产成本剧增，且表面质量差，甚至裂纹深度超差报废。
此外，目前行业一般采用二火换向轧制制备钛合金宽厚板成品，即坯料一火加热轧制后，进行修磨，然后进行二火加热及换向轧制，这种工艺方法制备的钛板横纵向性能差异小，但由于钛板坯料温度与钢不同，低于钢100～300℃，为不影响钢产量，钢厂往往在每月轧机检修后加热炉升温过程中加热钛坯料并轧制，这就导致每批次钛板生产周期往往在2个月或以上，生产周期长。
因此，如何根据钛材特性，并充分考虑钢厂宽幅轧机产线设备特点，合理设计工艺路线及参数，解决钢厂制备钛合金宽厚板表面裂纹严重及生产周期长瓶颈，实现短流程、低成本制备，并获得质量优异成品板是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，通过在钛坯料表面包覆纯钛保护层，有效解决了钢厂轧机制备钛合金宽厚板过程中表面裂纹严重的问题，同时，采用一火次横、纵换向成品轧制，代替传统二火轧制，不仅有效降低成本，也大幅缩短生产周期，解决了高质量、低成本钛合金宽厚板加工技术难题，并且可实现该类产品大批量稳定生产，满足了市场需求。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，采用制备好的钛合金板坯经加热、轧制、热矫直、热处理和表面处理后，得到钛合金宽厚板；所制备的钛合金板坯在进行加热之前，在钛合金板坯的上、下表面包覆纯钛保护层，定义钛合金板坯厚度为M，轧制前纯钛保护层厚度为D，板坯轧制目标厚度为m，轧制后纯钛保护层厚度为d，则轧制前纯钛保护层厚度需满足D＝d·(M/m)，其中d为0.2～0.5mm。
其中，所述的钛合金板坯是采用EB电子束冷床熔炼炉生产的钛合金铸坯扁锭，或者采用VAR熔炼后锻造的钛合金板坯，钛合金板坯的厚度为100～600mm。
在对钛合金板坯加热的过程中，定义钛合金相变点温度为Tβ,板坯装炉及低温段保温温度≤Tβ-200℃，保温时间系数≥0.5min/mm；低温段保温结束后，升温至均热段，升温时间1～3h；均热段炉温为(Tβ+20℃)～(Tβ+150℃)，保温时间系数1.2～1.5min/mm，保温结束后出炉轧制。
钛合金板坯出炉后传送至轧机，首先进行横轧，然后进行换向纵轧，轧至目标厚度，其中开轧温度≤Tβ，终轧温度≥700℃。横轧道次变形率≤30％，累计变形率≥30％；纵轧道次变形率≤25％，累计变形率≥30％，且纵轧累计变形率应尽量与横轧接近，以减少成品板材各向异性。板坯轧制总变形率≥60％，优选≥80％。板坯横轧结束后，或者轧制过程中坯料温度低于700℃时，坯料进行回炉补温，补温加热温度范围(Tβ-150℃)～(Tβ-20℃)，补温加热保温系数0.3～0.6min/mm。
轧制结束后，板材快速传送至热矫直机，热矫温度≥500℃。
热处理中，热处理温度为(Tβ-250℃)～(Tβ-10℃)，热处理保温时间(1.5min/mm)·m+(60～120)min；若热处理后仍然存在板形不良，则将板材送入矫直机进行二次热矫直。
所述表面处理是将热矫直后的板材采用扒皮抛光方法去除板材表面氧化层、纯钛保护层及缺陷。
本发明根据钛合金特性，并充分考虑钢厂宽幅轧机产线设备特点，采用全新工艺设计理念，通过综合控制钛坯料表面防护、加热及轧制等工艺，实现了利用钢厂轧机短流程、低成本制备钛合金宽厚板技术难题，专利工艺路线新颖，并可实现大批量稳定生产，综合力学性能优异，产品质量符合标准规范要求。本发明具有以下优点：
(1)无需新增设备投资，借助钢厂设备即可实现20～200mm厚、2500～5500mm宽、6000～25000mm长宽幅或超宽大板幅钛合金宽厚板低成本制备，且工艺简单，可实现大批量稳定生产。
(2)钛板表面质量好。通过在板坯表面包覆塑性优异的纯钛保护层，在板坯加热过程中，覆层保护板坯表面不被氧化、脆化，轧制过程中，还可以将板坯与周围温度较低冷空气及轧辊隔离，有效减缓钛合金坯料表面温降，从而大幅提高其塑性变形能力，并有效拓宽了轧制温度及时间窗口；同时，板坯出炉后温度高、塑性好、变形抗力低，横轧采用大变量轧制，不仅可以减少轧制道次及轧制总时间，且大变形量产生的热量同样可以延缓降温，提高塑性；此外，当总变形量一定时，相比于单向轧制，采用横、纵向轧制使材料变形分散于两个方向，更有利于抑制裂纹产生及恶化。因此，本专利方法有效解决了钢厂轧机制备钛合金宽厚板轧制开裂严重问题，并且钛板表面质量好。
(3)钛板生产流程短。采用一火次横、纵换向成品轧制，代替传统二火轧制，减少了半成品修磨、二火加热、二火轧制工序，生产流程及周期显著缩短，使钢厂生产钛合金宽厚板周期由原来每批次2个月或以上，缩短至15天以内。
(4)钛板生产成本低。钢厂生产钛合金宽厚板成本仅为钛厂1/3～1/5，且本专利解决了钢厂轧机制备钛合金宽厚板表面开裂严重问题，修磨材料损耗及修磨成本大幅降低，同时生产流程显著缩短，此外优选低成本一次熔炼钛合金EB锭作为轧制坯料，与传统VAR多次熔炼及多火次锻造、修磨制备板坯相比，制坯原材料得料率、制坯成本大幅降低，因此本专利方法生产的钛合金宽厚板成本显著降低，产品成本市场竞争力强。
(5)综合性能好。一方面，通过控制开轧温度≤Tβ、回炉补温温度≤Tβ-20℃，使板坯轧制变形在β相变点以下进行，避免在Tβ温度以上β高温单相区变形组织粗大对性能不利影响；另一方面，通过横、纵向换向轧制，并使横、纵向累计变形率接近，避免单向轧制导致的强烈各向异性不利影响，可有效减少成品板各向异性，提高板材各向性能均匀性。
具体实施方式
实施例1：采用240mm厚TC4钛合金牌号EB铸坯扁锭(Tβ为990℃)，利用钢厂宽幅轧机，制备名义规格为46×2650×8700mm的宽厚板。在钛合金板坯上下表面包覆一层2.0mm厚TA1覆层，覆层轧后名义厚度为0.38mm；钛合金板坯装炉后在700～760℃低温段保温180min，随后升温至1020～1120℃的均热段保温300min，升温时间2h；板坯保温结束后出炉轧制，首先进行横轧，将板坯轧至105mm厚、长度轧至≥2800mm，横轧道次变形率15～25％，横轧总变形率56％；然后进行换向纵轧，轧至46mm厚、长度轧至8900mm以上，纵轧道次变形率5～20％，纵轧总变形率56％，板坯至成品总变形率80.8％；轧制结束后，板材快速传送至热矫直机进行热矫，矫形温度≥600℃；成品热处理温度750～800℃，保温时间150min；随后经表面处理及切边，获得46×2650×8700mm规格TC4钛合金宽厚板成品。
实施例1生产工序共计7个，分别为板坯制备、板坯包覆、板坯加热、板坯轧制、热矫直、热处理、表面处理，每批次生产周期为15天。取样检测性能，板材横向屈服强度893MPa、抗拉强度971MPa、延伸率15％，纵向屈服强度898MPa、抗拉强度975MPa、延伸率16.5％，横纵向性能均满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准对力学性能的要求(屈服强度≥830MPa，抗拉强度≥895MPa，伸长率≥8％)，且横纵向性能差异小，综合性能优异。
对比例1：对比例1成品规格与实施例1相同，均为制备46×2650×8700mm规格TC4钛合金宽厚板，除板坯未包覆，一火目标厚度105mm，后半成品扒皮抛光，并经二火加热(920～970℃)、二火轧至成品46mm厚度外，其余工艺与实施例1相同。对比例1生产工序共计9个，分别为板坯制备、一火加热、一火轧制、半成品修磨、二火加热、二火轧制、热矫直、热处理、表面处理。
与实施例1相比，对比例1由于采用二火轧制成品，增加了半成品扒皮抛光、二火加热、二火轧制工序，生产流程长，每批次生产周期往往在2个月以上，而且由于未包覆纯钛层，成品轧制裂纹严重，单面裂纹深度达1.5～2.5mm，导致缺陷超差薄尺报废，表面质量差。定义对比例1生产成本为1、交期为1，由于实施例1可一火轧制成品，生产流程短、工序少，且裂纹浅易打磨，生产成本降低50％，交期缩短75％，经济效益显著。
实施例2：采用190mm厚TC4钛合金牌号EB扁锭(Tβ为985℃)，利用钢厂宽幅轧机，制备名义规格为25×3200×8500mm宽厚板。在板坯上下表面包覆一层1.5mm厚TA1覆层，覆层轧后名义厚度为0.2mm；板坯装炉后在700～760℃低温段保温120min，随后升温至1020～1120℃均热段保温250min，升温时间2h；板坯保温结束后出炉轧制，首先进行横轧，将板坯轧至70mm厚、长度轧至≥3350mm，横轧道次变形率18～25％，横轧总变形率63％；然后进行换向纵轧，轧至25mm厚、长度轧至8700mm以上，纵轧道次变形率4～18％，纵轧总变形率64％，板坯至成品总变形率86.8％；轧制结束后，板材快速传送至热矫直机进行热矫，矫形温度≥550℃；成品热处理温度780～820℃，保温时间100min；随后经表面处理及切边，获得25×3200×8500mm规格TC4宽厚板成品，每批次生产周期15天。
取样检测性能，板材横向屈服强度914MPa、抗拉强度987MPa、延伸率14.5％，纵向屈服强度902MPa、抗拉强度993MPa、延伸率15％，横纵向性能均满足并优于GB/T 3621《钛及钛合金板材》标准对力学性能的要求(屈服强度≥830MPa，抗拉强度≥895MPa，伸长率≥8％)，且横纵向性能差异小，综合性能优异。
对比例2：对比例2成品规格与实施例2相同，均为制备25×3200×8500mm TC4钛合金宽厚板，除板坯未包覆，且采用单向轧制外，其余工艺与实施例2相同，每批次生产周期为20天。取样检测性能，板材横向屈服强度926MPa、抗拉强度995MPa、延伸率13％，纵向屈服强度877MPa、抗拉强度972MPa、延伸率14.5％，横纵向屈服强度差异49MPa,各向异性差异较大。
与实施例2相比，对比例2由于采用不包覆一火轧制成品工艺，成品表面裂纹严重，单面裂纹深度达1.6～2.5mm，导致缺陷超差报废；同时，由于采用单向轧制工艺，横纵向力学性能差异较大，性能均匀性差。此外，尽管对比例也采用一火轧制成品，但是由于成品裂纹深，修磨工作量大，导致成本高、生产周期长。定义对比例2生产成本为1、交期为1，相比于对比例2，实施例2生产成本降低20％，交期缩短25％。
实施例3：采用340mm厚TA31牌号钛合金锻坯(Tβ为995℃)，利用钢厂宽幅轧机，制备名义规格为42×2500×10000mm宽厚板。在板坯上下表面包覆一层4.0mm厚TA1覆层，覆层轧后名义厚度为0.5mm；板坯装炉后在600～750℃低温段保温240min，随后升温至1020～1120℃均热段保温450min，升温时间2.5h；板坯保温结束后出炉轧制，首先进行横轧，将板坯轧至110mm厚、长度轧至≥2650mm，横轧道次变形率15～23％，横轧总变形率67.6％；然后进行换向纵轧，轧至47mm厚、长度轧至12000mm以上，纵轧道次变形率5～18％，纵轧总变形率57.3％，板坯至成品总变形率86.2％；轧制结束后，板材快速传送至热矫直机进行热矫，矫形温度≥650℃；随后经表面处理及切边，获得42×2500×10000mm TA31钛合金宽厚板成品。生产工序共计7个，分别为板坯制备、板坯包覆、板坯加热、板坯轧制、热矫直、热处理、表面处理，每批次生产周期为15天。
对比例3：对比例3成品规格与实施例3相同，均为制备42×2500×10000mm规格TA31钛合金宽厚板，除板坯未包覆，一火目标厚度110mm，后半成品扒皮抛光，并经二火加热(920～970℃)、二火轧至至成品47mm厚度外，其余工艺与实施例3相同。对比例3生产工序共计9个，分别为板坯制备、一火加热、一火轧制、半成品修磨、二火加热、二火轧制、热矫直、热处理、表面处理。
与实施例3相比，对比例3由于采用二火轧制成品，增加了半成品扒皮抛光、二火加热、二火轧制工序，生产流程长，每批次生产周期往往在2个月以上，而且由于未包覆纯钛层，成品轧制裂纹严重，单面裂纹深度达1.6～2.5mm，导致缺陷超差薄尺报废，表面质量差。定义对比例3生产成本为1、交期为1，由于实施例3可一火轧制成品，生产流程短、工序少，且裂纹浅易打磨，生产成本降低50％，交期缩短75％，经济效益显著。
以上实施例以及对应的对比例的试验数据统计如表1所示。
表1对比统计表
为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。
Claims (6)
1.一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，采用制备好的钛合金板坯经加热、轧制、热矫直、热处理和表面处理后，得到宽度为2500~5500mm、厚度为20~200mm的钛合金宽厚板，所述钛合金板坯的厚度为100~600mm；其特征在于：所制备的钛合金板坯在进行加热之前，在钛合金板坯的上、下表面包覆纯钛保护层，定义钛合金板坯厚度为M，轧制前纯钛保护层厚度为D，板坯轧制目标厚度为m，轧制后纯钛保护层厚度为d，则轧制前纯钛保护层厚度需满足D=d（M/m），其中d为0.2~0.5mm；在对钛合金板坯加热的过程中，定义钛合金相变点温度为Tβ,板坯装炉及低温段保温温度≤Tβ-200℃，保温时间系数≥0.5min/mm；低温段保温结束后，升温至均热段，升温时间1~3h；均热段炉温为(Tβ+20℃)~(Tβ+150℃)，保温时间系数1.2~1.5min/mm，保温结束后出炉轧制；钛合金在轧机中进行轧制时，首先进行横轧，然后进行换向纵轧，轧至目标厚度，其中开轧温度≤Tβ，终轧温度≥700℃；横轧道次变形率≤30%，累计变形率≥30%；纵轧道次变形率≤25%，累计变形率≥30%，板坯轧制总变形率≥60%。
2.根据权利要求1所述的一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，其特征在于：所述的钛合金板坯是采用EB电子束冷床熔炼炉生产的钛合金铸坯扁锭，或者采用VAR熔炼后锻造的钛合金板坯。
3.根据权利要求1所述的一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，其特征在于：板坯横轧结束后，或者轧制过程中坯料温度低于700℃时，坯料进行回炉补温，补温加热温度范围(Tβ-150℃)~(Tβ-20℃)，补温加热保温系数0.3~0.6min/mm。
4.根据权利要求1所述的一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，其特征在于：热矫直中的热矫温度≥500℃。
5.根据权利要求1所述的一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，其特征在于：热处理中，热处理温度为(Tβ-250℃)~(Tβ-10℃)，热处理保温时间（1.5min/mm）m+(60~120)min；若热处理后仍然存在板形不良，则将板材送入矫直机进行二次热矫直。
6.根据权利要求1所述的一种利用钢厂轧机制备钛合金宽厚板的方法，其特征在于：所述表面处理是将热矫直后的板材采用扒皮抛光方法去除板材表面氧化层、纯钛保护层及缺陷。
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