CN111020293B

CN111020293B - 一种高性能ta1棒丝材及其制备方法

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Publication number: CN111020293B
Application number: CN201911405553.4A
Authority: CN
Inventors: 郭玲玲; 李静; 张波
Original assignee: Baoji Xinnuo New Metal Material Co ltd
Current assignee: Baoji Xinnuo New Metal Material Co ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111020293A

Abstract

本发明属于钛及钛合金制备加工领域，具体涉及一种高性能TA1棒丝材及其制备方法。本发明的高性能TA1棒丝材含有Fe：≤0.15wt％，O：≤0.15wt％，N：≤0.05wt％，C：≤0.10wt％，H：≤0.008wt％，余量为钛和不可避免的杂质。该高性能TA1棒丝材的抗拉强度在350‑450MPa之间，屈服强度在240‑380MPa之间，断后伸长率≥25％，断面收缩率≥60％。本发明通过对原材料合金元素与热处理制度进行调控，获得一种即适合医用、航空航天用又达到进口丝材标准的高强、高韧综合性能优异的TA1纯钛棒丝材，展现出优异服役性能的同时并进一步提高了TA1纯钛的使用强度，在工程领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高性能TA1棒丝材及其制备方法

技术领域

本发明属于钛及钛合金制备加工领域，具体涉及一种高性能TA1棒丝材及其制备方法。

背景技术

TA1属于α型钛合金，是工业纯钛合金不含有其他合金元素，在退火状态下一般具有单相α组织，具有良好的组织稳定性和耐热性，焊接性能好，焊缝性能与基体接近，工艺塑性好，易于加工成型，一般应用于对耐腐蚀性能要求高而强度要求不高的场合，如化工管道、压力容器等。

由于TA1纯钛合金的强度不高，不能满足某些特殊情况下构件的性能要求，如对于进口材料标准的力学性能。有效改进材料制备工艺和控制材料微观结构(相种类、尺度、形态及其分布),一直被大多数研究工作者们视为改善钛及其合金强韧性最有效的两大途径。但是α合金对热处理和组织类型不敏感，单方面通过对热处理制度的调控来提高材料的强度，效果不显著。

工业纯钛的性能与其内部组织的关系较小，主要与其杂质含量相关。按其杂质含量及机械性能不同分为TA0、TA1、TA2、TA3、TA4五个牌号。牌号顺序数字增加，杂质含量增加。钛的强度增加，塑性降低。因此要得到希望的性能，控制杂质含量就是关键。工业纯钛主要杂质元素有O、N、H、C、Fe等，其中O、N、H、C为间隙性杂质，Fe为置换性杂质。这些杂质都会使工业纯钛的强度升高，塑性降低，间隙杂质尤其是O、N的作用最为显著；氧每增加0.1％，钛的强度就增加145MPa左右，塑性降低5～10％，当氧的含量达到0.45％时，钛的冷加工就变得不可能了；而N每增加0.1％钛的强度就增加290MPa左右，塑性降低10～20％，当氮含量达0.2％时，钛在冷加工时就失去塑性，出现脆性断裂。

为了提高纯钛TA1的强度，西北有色金属研究院研究了氧含量及轧制工艺对纯钛管材性能的影响，得出纯钛管材氧含量在0.08～0.13％范围可获得强度高、塑性优异的管材。西部钛业有限责任公司研究了退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响，得出经550℃～650℃/90minFC处理后的管材性能达到飞机发动机的要求。攀长钢钛材项目工艺组进行了工业纯钛TA1板材的研制，探索出了合理可行的电极制备，真空自耗熔炼、锻造开坯等工艺，得出了杂质含量是影响工业纯钛力学性能的主要因素的结论，并给出了控制杂质含量的措施。宝鸡有色金属加工厂利用数理统计的方法对采集的样本数据进行处理，得到了用铸锭的氧含量、氧当量来计算板材抗拉强度的经验公式，并对其线性相关性进行了检验，得出此公式比较理想可以指导工业化生产。通过上述研究可以发现，通过控制铁氧含量的方式来提高工业纯钛TA1的抗拉强度，此方案是具有可行性的。但目前国内市场上批量生产的TA1纯钛棒丝材无法同时达到高塑性和较高强度的要求，无法满足做一些特殊条件下铆接成型的要求。

一般情况下，医用TA1纯钛按照国家标准GB/T13810-2017组织生产，由于GB/T3621-2007中对TA1纯钛棒丝材的力学性能要求较低，且对微观组织未做要求，而航空用材使用的军用标准中，不仅对强度和塑性提出了更高的标准，且要求为完全再结晶组织。因此，就会出现生产的产品满足医用标准却不能满足航空用材标准或其他进口用材标准的现象，给企业带来了巨大的损失。

表1 TA1纯钛不同标准力学性能

因此，为了获得更高强度的TA1纯钛棒丝材，并保持其优异的塑韧性，使其安全性能够得到提高，应用领域能够得到拓宽，开发出一种提高TA1纯钛强度和塑性的工艺方法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高性能TA1棒丝材及其制备方法，该TA1棒丝材力学性能达到医用、航空航天力学性能标准的同时也达到了进口材料性能标准，可批量生产，具有广泛的应用前景。

本发明的第一个方面是提供一种高性能TA1棒丝材，以质量百分数计，含有：

Fe：≤0.15wt％，例如0.01wt％、0.03wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.08wt％、0.1wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.138wt％、0.143wt％、0.15wt％等；

O：≤0.15wt％，例如0.01wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.1wt％、0.12wt％、0.13wt％、0.14wt％、0.143wt％、0.15wt％等；

N：≤0.03wt％，例如0.01wt％、0.014wt％、0.016wt％、0.018wt％、0.02wt％、0.024wt％、0.025wt％、0.028wt％、0.03wt％等；

C：≤0.10wt％，例如0.01wt％、0.012wt％、0.014wt％、0.02wt％、0.03wt％、0.04wt％、0.05wt％、0.06wt％、0.07wt％、0.08wt％、0.09wt％、0.10wt％等；

H：≤0.008wt％，例如0.001wt％、0.002wt％、0.003wt％、0.004wt％、0.005wt％、0.006wt％、0.007wt％、0.008wt％等；

余量为钛和不可避免的杂质。

本发明中，所述的高性能TA1棒丝材的抗拉强度在350-450MPa之间，屈服强度在240-380MPa之间，断后伸长率≥25％，断面收缩率≥60％，其中，检测方法执行GB/T 228.1-2010标准。

本发明的第二个方面是提供一种如本发明第一个方面所述的高性能TA1棒丝材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)熔炼铸锭：取纯钛原料，按照第一个方面所述的高性能TA1棒丝材的成分配料，压制成电极，熔炼成铸锭；

(2)开坯锻造：表面扒皮，去除冒口、冒底，开坯锻造，表面缺陷修磨；

(3)热轧制：将修磨合格的坯料进行大轧成棒料，热轧制温度为700-800℃，保温时间90-150min；将修磨合格的棒料进一步进行小轧，热轧制温度为650-750℃，保温时间60-90min；

(4)热拉拔：将步骤(3)得到的坯料加热，采用多模次少变形量方式进行热拉拔，每模次变形量控制在0.30-0.70mm，加热温度为650-750℃，拉拔速度为1-3m/min；

(5)退火：进行至少一次退火，每次退火温度为550-650℃，保温时间30-90min；

(6)校直磨光至成品。

优选地，步骤(1)中，纯钛原料选用“0级”海绵钛，其中C含量≤0.012wt％。

优选地，步骤(1)中，采用ALD真空自耗电弧炉二次熔炼成铸锭。

其中，步骤(1)中，铸锭大小本领域技术人员可根据成品尺寸等实际情况进行合理配置，本发明对此不作特别限定。在本发明一个优选的实施方式中，铸锭直径350-550mm，例如可以为350mm、380mm、400mm、420mm、450mm、480mm、500mm、520mm、550mm等。

优选地，步骤(2)中，锻造温度为950-1050℃，保温时间为270-360分钟。

其中，步骤(2)中，锻造后胚料的大小，本领域技术人员可根据成品尺寸等实际情况进行合理配置，本发明对此不作特别限定。在本发明一个优选的实施方式中，锻造后胚料为边长为100-200mm(例如100mm、120mm、140mm、150mm、160mm、180mm、200mm等)的方坯。

优选地，步骤(3)中，经两次热轧制后，步骤(3)得到的坯料规格为成品规格+(0.7-2)mm(此处规格是指直径大小)。

进一步优选地，第一次热轧制后棒材规格为成品规格的4-10倍(此处规格是指直径大小)。

优选地，步骤(4)中，热拉拔至成品规格+(0.40-0.80)mm(此处规格是指直径大小)。

优选地，步骤(5)中，当成品规格＜Φ7mm时，退火要求在真空状态下进行；当成品规格≥Φ7mm时，可以采用大气炉退火，当然也可以在真空状态下进行退火，优选采用大气炉退火。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

与传统工艺相比，本发明通过对原材料合金元素与热处理制度进行调控，获得一种即适合医用、航空航天用又达到进口材料标准的高强、高韧综合性能优异的TA1纯钛棒丝材，展现出优异服役性能的同时并进一步提高了TA1纯钛的使用强度，在工程领域具有广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的说明，以更好地理解本发明。

实施例1-2

1、实验材料采用0级专用海绵钛，C含量0.012％。按本发明要求进行合金成分配料，见表2，余量为钛和不可避免的杂质。

表2钛合金化学成分(wt％)

	Fe	C	N	O	H
						本发明要求	≤0.15	≤0.10	≤0.03	≤0.15	≤0.008
实施例1	0.138	0.014	0.014	0.145	0.001
						实施例2	0.143	0.012	0.016	0.132	0.001

2、采用3500吨油压机进行电极压制，经真空自耗熔炼炉二次熔炼成Ф450mm铸锭。

3、铸锭经过表面扒皮，去除冒口、冒底，在2500吨油压机进行开坯锻造，锻造温度为1000℃、保温300min，锻至边长为150mm方坯，将耳子及卷皮、粘坑、折叠等表面缺陷修磨干净。

4、经修磨合格的坯料进行大轧，轧制成φ55mm，热轧制温度为750℃，保温时间120min；然后将修磨合格的棒料进一步进行小轧，轧制成φ9.5mm，热轧制温度为710℃，保温时间60min。

5、热拉拔归圆：φ9.5→φ8.8*Lmm，其中，拉拔速度2m/min，变形量0.7mm，加热温度为700℃。

6、大气炉退火：进行至少一次退火，每次退火温度为550-650℃，保温时间30-90min。

7、粗磨：φ8.8→φ8.4*Lmm。

8、校直：斜辊校540℃/30分钟，保证直线度0.3mm/m。

9、精磨：φ8.4→φ8.2*Lmm得到成品。

取样测得棒材力学性能，见表3。

表3 TA1棒丝材的力学性能

(1)抗拉强度测定：

在万能材料试验机上，进行单向拉伸以一定速率加荷载直至将试样拉伸至断裂。试样拉断时的最大力所对应的应力即为金属材料的抗拉强度。

按式(1)计算：

式中：

Fb:试样在拉伸过程中，材料经过屈服阶段后进入强化阶段，随着横截面积尺寸明显缩小，在拉断时所承受的最大力。

So:原始横截面积。

(2)屈服强度测定：

当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形，当超过一定应力值后，塑性变形急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象叫做屈服。这一阶段最大、最小应力分别为上屈服点、下屈服点。

上屈服点：

试样发生屈服而力首次下降前的最大应力。

下屈服点：在上屈服强度之后延伸率为0.25％范围以内的最低应力，由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它为材料抗力的指标。

按式(2)计算：

式中：

F_el:不计初始瞬时效应的最小力；

S_o:原始横截面积。

(3)断后伸长率测定

为了测定断后伸长率，应将试样断裂部分仔细地配接在一起使其轴线处于同一直线上，并采取特别措施确保试样断裂部分适当接触后测量试样断后标距.

按式(3)计算：

式中：

LO:原始标距；

Lu:断后标距。

(4)断面收缩率测定

将试样断裂部分仔细的配接在一起，使其轴线处于同一直线上。断裂后最小横截面积的测定应准确到2％.原始横截面积与断后最小横截面积之差除以原始横截面积的百分率得到断面收缩率。

按式(4)计算：

式中：

S_O：平行长度部分的原始横截面积；

S_u:断后最小横截面积。

本发明从控制化学成分和热处理方面等着手，探索满足进口用材力学性能标准的TA1棒丝材，试制效果显著，测得的力学性能达到医用、军用力学性能标准的同时也达到了进口材料性能标准，找到了满足高强、高韧TA1棒丝材的工艺参数，可固化工艺进行批量生产。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种高性能TA1棒丝材，其特征在于，以质量百分数计，含有Fe：0.138wt％或0.143wt％，O：0.145wt％或0.132wt％，N：0.014wt％或0.016wt％，C：0.014wt％或0.012wt％，H：0.001wt％，余量为钛和不可避免的杂质；其抗拉强度在350-450MPa之间，屈服强度在240-380MPa之间，断后伸长率≥25％，断面收缩率≥60％，其中，检测方法执行GB/T 228.1-2010标准；

所述的高性能TA1棒丝材的制备方法，包括以下步骤：

(1)熔炼铸锭：取纯钛原料，按照上述成分配料，压制成电极，熔炼成铸锭；

(6)校直磨光至成品；

步骤(2)中，锻造温度为950-1050℃，保温时间为270-360分钟；

步骤(5)中，当成品规格＜Φ7mm时，退火要求在真空状态下进行；当成品规格≥Φ7mm时，采用大气炉退火或在真空状态下进行退火。

2.根据权利要求1所述的高性能TA1棒丝材，其特征在于，步骤(1)中，采用ALD真空自耗电弧炉二次熔炼成铸锭。

3.根据权利要求1所述的高性能TA1棒丝材，其特征在于，步骤(3)中，经两次热轧制后，步骤(3)得到的坯料规格为成品规格+(0.7-2)mm。

4.根据权利要求1所述的高性能TA1棒丝材，其特征在于，步骤(4)中，热拉拔至成品规格+(0.40-0.80)mm。

5.根据权利要求1所述的高性能TA1棒丝材，其特征在于，所述纯钛原料为“0级”海绵钛，其中C含量≤0.012wt％。