CN110883502A - 钛合金管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种钛合金管材及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供钛合金棒坯和带锥度的芯棒，芯棒内部设有冷却通道，芯棒表面涂有润滑剂，芯棒的锥度为0.1°～10°；采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯；将粗品管坯套设在芯棒上，向冷却通道通冷却液，采用精锻机组对粗品管坯进行锻造，脱除芯棒，得到成品管坯，粗品管坯与芯棒接触部分的长度与芯棒总长的比值为(6～8):15；将成品管坯进行退火处理处理，得到钛合金管材。上述方法制得的钛合金管材组织均匀、内外表面质量较好且性能优异。

Description

钛合金管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料锻造加工技术领域，特别是涉及钛合金管材及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金以其低密度和高的比强度等优异性能被广泛用于航空航天领域，而钛合金管材的应用也十分广泛，不仅应用在航空、航天，而且在化工、石油、轻工、发电等多工业领域广泛应用。随着经济社会的发展，各工业领域对各种钛合金管材的需求量将日益增加，同时要求钛合金管材的规格越来越大、技术要求也愈来愈高。

钛合金管材一般采用焊接、挤压、多辊斜轧穿孔等方法制备。其中，采用焊接工艺生产出的管材易出现开裂、断裂，在极端环境下使用寿命较低等问题；而采用挤压和斜轧穿孔工艺生产出的管材易出现变形，组织不均匀，性能差别较大等问题。

因此，寻找一种组织均匀、内外表面质量较好且性能优异的钛合金管材的制备方法成为人们研究的热点。

发明内容

基于此，有必要提供一种组织均匀、内外表面质量较好且性能优异的钛合金管材的制备方法。

此外，本申请还提供一种上述钛合金管材的制备方法制得的钛合金管材。

一种钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：

提供钛合金棒坯和带锥度的芯棒，所述芯棒内部设有冷却通道，所述芯棒表面涂有润滑剂，所述芯棒的锥度为0.1°～10°；

采用镗床对所述钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯；

将所述粗品管坯套设在所述芯棒上，向所述冷却通道通冷却液，采用精锻机组对所述粗品管坯进行锻造，脱除所述芯棒，得到成品管坯，所述粗品管坯与所述芯棒接触部分的长度与所述芯棒总长的比值为(6～8):15；

将所述成品管坯进行退火处理，得到钛合金管材；

在其中一个实施例中，所述冷却通道为循环冷却通道。

在其中一个实施例中，所述粗品管坯的内径比所述芯棒最粗部分的直径大5mm～10mm；所述粗品管坯的内表面粗糙度≤3.2μm。

在其中一个实施例中，所述采用精锻机组对所述粗品管坯进行锻造时，单道次锻造比为(1.0～4.0):1。

在其中一个实施例中，所述退火处理过程中冷却的方式为空冷。

在其中一个实施例中，所述钛合金棒坯由以下方法制备：

采用真空自耗电弧炉对钛合金材料进行熔炼，得到铸锭；

采用快锻机对所述铸锭进行多火次镦拔锻造，得到粗锻棒坯；

采用精锻机对所述粗锻棒坯进行多道次锻造，得到所述钛合金棒坯。

在其中一个实施例中，单火次镦拔锻造的变形量为25％～45％。

在其中一个实施例中，所述采用精锻机对所述粗锻棒坯进行多道次锻造时，单道次锻造变形量为15％～30％。

在其中一个实施例中，所述润滑剂为石墨乳。

上述任一项所述的钛合金管材的制备方法制得的钛合金管材。

上述钛合金管材的制备方法，采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，得到的粗品管坯内表面均匀一致，可防止后续锻造脱模时出现沾模、内表面微裂以及折叠等问题；再通过控制粗品管坯与芯棒接触部分的长度和芯棒总长的比值，结合芯棒的锥度，既保障了冷却脱模效果，又保障了冷速的合理性，防止冷速过快导致管材内外表面温差大从而出现不均匀组织的问题，使得采用精锻机组对粗品管坯进行多道次锻造时无需对芯棒进行预热，变形过程均匀，使得得到的成品管坯内外表面质量好，进而可得到性能优异的钛合金管材。上述方法制得的钛合金管材组织均匀、内外表面质量较好且性能优异。

上述方法可制备壁厚为10mm～45mm，外径为80mm～160mm，内径为60mm～120mm，长度为1000mm～6000mm，室温抗拉强度≥950MPa的钛合金管材。

附图说明

图1为一实施方式的芯棒的结构示意图；

图2为实施例1制备的钛合金管材的外表面在(500×)镜下的显微组织图；

图3为实施例1制备的钛合金管材的内表面在(500×)镜下的显微组织图；

图4为实施例2制备的钛合金管材的外表面在(500×)镜下的显微组织图；

图5为实施例2制备的钛合金管材的内表面在(500×)镜下的显微组织图；

图6为实施例3制备的钛合金管材的外表面在(500×)镜下的显微组织图；

图7为实施例3制备的钛合金管材的内表面在(500×)镜下的显微组织图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一实施方式的钛合金管材的制备方法，包括以下步骤S110～S170：

S110、采用真空自耗电电弧炉对钛合金材料进行熔炼，得到铸锭。

需要说明的是，铸锭中各元素的质量百分比符合GB/T3620.1的要求。

在本实施方式中，熔炼的次数为三次。

S120、采用快锻机对铸锭进行多火次镦拔锻造，得到粗锻棒坯。

进一步的，单火次镦拔锻造的变形量为25％～45％。

可以理解，若变形量过小，会导致变形不足、晶粒未破碎的情况，从而出现组织不均匀的情况，而变形量过大，则会出现过热现象，导致变形大的区域组织粗大甚至出现魏氏组织。因此，将每火次镦拔锻造的变形量控制在25％～45％，可保证得到的粗锻棒坯组织均匀。

进一步的，步骤S120可制备得到直径为200mm左右的粗品棒坯。

S130、采用精锻机对粗锻棒坯进行多道次锻造，得到钛合金棒坯。

进一步的，单道次锻造的变形量为15％～30％。

可以理解，将每道次锻造的变形量控制在15％～30％，可保证得到的钛合金棒坯组织均匀。

进一步的，步骤S130可制备得到90mm～160mm的钛合金棒坯。

可以理解，钛合金棒坯不限于以上步骤S110～S130得到，其他可得到钛合金棒坯的方法均可。

S140、采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯。

可以理解，采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，可保证得到的粗品管坯内表面均匀一致，防止后续锻造脱模时出现沾模、内表面微裂纹以及折叠等问题。

进一步的，步骤S140制得的粗品管坯的内表面粗糙度≤3.2μm。

S150、提供带锥度的芯棒10(如图1所示)。

具体的，芯棒10的锥度为0.1°～10°，使得芯棒10在后续锻造完成后容易脱出。

进一步的，芯棒10内部设有冷却通道12。进一步的，冷却通道12为循环冷却通道。

进一步的，芯棒10的表面涂有润滑剂。进一步的，润滑剂为石墨乳。

可以理解，选择内部设有冷却通道12，表面涂有润滑剂的芯棒10进行后续锻造，可利用热胀冷缩的原理自动脱模，保护芯棒10表面不被破坏，有利于芯棒10脱出，提高芯棒10的使用寿命，使得锻出的管材内外尺寸精度高。

需要说明的是，步骤S150的顺序不限定，只要在步骤S160之前即可。

S160、将粗品管坯套设在芯棒10上，向冷却通道12通冷却液，采用精锻机组对粗品管坯进行锻造，脱除芯棒10，得到成品管坯。

进一步的，粗品管坯的内径比芯棒最粗部分的直径大5mm～10mm。

进一步的，粗品管坯与芯棒10接触部分的的长度与芯棒10总长的比值为(6～8):15。进一步的，粗品管坯与芯棒10接触部分的的长度与芯棒10总长的比值为7:15。

进一步的，冷却液为冷却水。

可以理解，控制粗品管坯与芯棒10接触部分的长度与芯棒10总长的比值为(6～8):15，使得每次精锻机组对粗品管坯进行锻造时产生的热量刚好被冷却管道12中的冷却液带出，再结合芯棒10的锥度，既可以保障冷却脱模的效果，又可以保障冷速的合理性，防止冷速过快导致管材内外表面温差大而出现不均匀组织的问题，使得采用精锻机组对粗品管坯进行多道次锻造时无需对芯棒10进行预热，变形过程均匀，使得得到的成品管坯内外表面质量好，成品率较高。

进一步的，采用精锻机组对粗品管坯进行锻造时，单道次锻造比为(1～4):1。

可以理解，通过控制单道次锻造比为(1～4):1，防止成品管坯在制作过程中发生弯曲以及芯棒与管坯粘结等情况，既可以保证足够的变形破碎颗粒，又可以保证芯棒的不受损，从而进一步提高组织均匀性，使得成品管坯的内外质量较好。

需要说明的是，采用精锻机组对粗品管坯进行锻造时，可以根据实际要求进行一次或多道次锻造。

S170、将成品管坯进行退火处理，得到钛合金管材。

进一步的，退火处理过程中冷却的方式为空冷。

具体的，采用均匀滚动的冷床进行空冷，相较于风冷，冷却更均匀，内部残余应力少。

进一步的，上述钛合金管材的制备方法，还包括校直处理的步骤，校直处理后，每根钛合金管材的直线度≤2mm，且室温放置两年后直线度未发生任何变化。

上述方法制得的钛合金管材组织均匀、性能优异、内外表面质量较好。

且，上述方法可制备壁厚为10mm～45mm，外径为80mm～160mm，内径为60mm～120mm，长度为1000mm～6000mm，室温抗拉强度≥950MPa的钛合金管材，范围覆盖广，弥补了中高强钛合金厚壁管材的空白。

以下为具体实施例。

需要说明的是，实施例1～3中芯棒的锥度为0.1°～10°，芯棒的内部设有循环冷却通道，芯棒的表面涂有石墨乳，芯棒的总长为750mm。

实施例1

(1)采用真空自耗电弧炉对TC11钛合金材料熔炼三次，得到TC11铸锭，TC11铸锭中的各元素的质量百分比应符合GB/T3620.1的要求；

(2)采用快锻机在950℃～1150℃对铸锭进行镦拔锻造10火次，得到直径200mm的粗锻棒坯，单火次变形量控制在25％～45％之间；

(3)采用精锻机在950℃对粗锻棒坯进行2～4道次精锻，得到直径155mm的钛合金棒坯，每道次变形量控制在23％之间；

(4)采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯，粗品管坯内径比芯棒最粗部分的直径大5～10mm，粗品管坯内表面粗糙度为1.6μm；

(5)将粗品管坯套设在芯棒上，向循环冷却通道通冷却水，采用精锻机组在950℃对粗品管坯进行1道次锻造，脱除芯棒，得到成品管坯，锻造比控制在2.5，锻造时粗品管坯与芯棒接触部分的长度为350mm；

(6)将成品管坯进行退火、校直处理，得到钛合金管材，其中退火制度为950℃/90m99/9C9530℃/69/9C。

实施例1制备的钛合金管材的外表面和内表面在(500×)镜下的显微组织分别如图2和3所示，从图中可以看出，实施例1制备的钛合金管材组织均匀一致，且经超声探伤，结果满足GB/T5193-2007中99级要求。

实施例1制备的钛合金管材主要性能如表1所示。

表1

实施例2

(1)采用真空自耗电弧炉对TC4钛合金材料熔炼三次，得到TC4铸锭，TC4铸锭中的各元素的质量百分比应符合GB/T3620.1的要求；

(2)采用快锻机在950℃～1150℃对铸锭进行8火次镦拔锻造，得到直径200mm的粗锻棒坯，单火次变形量控制在30％～45％之间；

(3)采用精锻机在950℃对粗锻棒坯进行3道次精锻，得到直径155mm的钛合金棒坯，每道次变形量控制在25％之间；

(4)采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯，粗品管坯内径比芯棒最粗部分的直径大5～10mm，粗品管坯内表面粗糙度为1.6μm；

(5)将粗品管坯套设在芯棒上，向循环冷却通道通冷却水，采用精锻机组在950℃对粗品管坯进行1道次锻造，脱除芯棒，得到成品管坯，锻造比控制在3，锻造时粗品管坯与芯棒接触部分的长度为350mm；

(6)将成品管坯进行退火、校直处理，得到钛合金管材，其中退火制度为750℃/90m99/9C。

实施例2制备的钛合金管材的外表面和内表面在(500×)镜下的显微组织分别如图4和5所示，从图中可以看出，实施例2制备的钛合金管材组织均匀一致，且经超声探伤，结果满足GB/T5193-2007中99级要求。

实施例2制备的钛合金管材主要性能如表2所示。

表2

实施例3

(1)采用真空自耗电弧炉对TC18钛合金材料熔炼三次，得到TC18铸锭，TC18铸锭中的各元素的质量百分比应符合GB/T3620.1的要求；

(2)采用快锻机在825℃～1150℃对铸锭进行镦拔锻造12火次，得到直径200mm的粗锻棒坯，单火次变形量控制在25％～38％之间；

(3)采用精锻机在840℃对粗锻棒坯进行3道次精锻，得到直径155mm的钛合金棒坯，每道次变形量控制在20％之间；

(4)采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯，粗品管坯内径比芯棒最粗部分的直径大5～10mm，粗品管坯内表面粗糙度为1.6μm；

(5)将粗品管坯套设在芯棒上，向循环冷却通道通冷却水，采用精锻机组在830℃对粗品管坯进行1道次锻造，脱除芯棒，得到成品管坯，锻造比控制在2，锻造时粗品管坯与芯棒接触部分的长度为350mm；

(6)将成品管坯进行退火、校直处理，得到钛合金管材，其中退火制度为770℃/90m99/9C9540℃/49/9C。

实施例3制备的钛合金管材的外表面和内表面在(500×)镜下的显微组织分别如图6和7所示，从图中可以看出，实施例3制备的钛合金管材组织均匀一致，且经超声探伤，结果满足GB/T5193-2007中99级要求。

实施例3制备的钛合金管材主要性能如表3所示。

表3

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种钛合金管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供钛合金棒坯和带锥度的芯棒，所述芯棒内部设有冷却通道，所述芯棒表面涂有润滑剂，所述芯棒的锥度为0.1°～10°；

采用镗床对所述钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯；

将所述粗品管坯套设在所述芯棒上，向所述冷却通道通冷却液，采用精锻机组对所述粗品管坯进行锻造，脱除所述芯棒，得到成品管坯，所述粗品管坯与所述芯棒接触部分的长度与所述芯棒总长的比值为(6～8):15；

将所述成品管坯进行退火处理，得到钛合金管材。

2.根据权利要求1所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述冷却通道为循环冷却通道。

3.根据权利要求1所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述粗品管坯的内径比所述芯棒最粗部分的直径大5mm～10mm；所述粗品管坯的内表面粗糙度≤3.2μm。

4.根据权利要求1所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述采用精锻机组对所述粗品管坯进行锻造时，单道次锻造比为(1.0～4.0):1。

5.根据权利要求1所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述退火处理过程中冷却的方式为空冷。

6.根据权利要求1～5任一项所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述钛合金棒坯由以下方法制备：

采用真空自耗电弧炉对钛合金材料进行熔炼，得到铸锭；

采用快锻机对所述铸锭进行多火次镦拔锻造，得到粗锻棒坯；

采用精锻机对所述粗锻棒坯进行多道次锻造，得到所述钛合金棒坯。

7.根据权利要求6所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，单火次镦拔锻造的变形量为25％～45％。

8.根据权利要求6所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述采用精锻机对所述粗锻棒坯进行多道次锻造时，单道次锻造变形量为15％～30％。

9.根据权利要求1所述的钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述润滑剂为石墨乳。

10.权利要求1～9任一项所述的钛合金管材的制备方法制得的钛合金管材。

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