CN111036703B - 一种采用直接轧制工艺生产tc4钛合金宽厚板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，生产工艺流程为：EB铸锭、初次加热、初次轧制、冷却、再次加热、再次轧制、退火、后处理，1)EB铸锭：使用EB炉进行熔炼，得到TC4钛合金EB扁锭；2)初次加热，铣去TC4钛合金EB扁锭两面3‑5mm厚金属层后在连续式加热炉中进行初次加热；3)初次轧制，采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制，热矫直后，冷却至室温；4)再次加热；5)再次轧制，采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制，热矫直后，冷却至室温；6)退火。优点是：具有流程短，成本低，成材率高，生产效率高，表面质量好，板幅宽以及纵横向机械性能差异小，组织优异等优势。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料制造领域，尤其涉及一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法。
背景技术
TC4(Ti-6Al-4V)钛合金含有6wt％的α稳定元素Al和4wt％的β稳定元素V，是一种典型的α+β型钛合金。它是一种800MPa级的高强钛合金，同时兼具良好的塑性、韧性和焊接性能，在海洋工程、航空航天等领域具有广阔的应用前景，是目前世界上应用最广、用量最大的钛合金品种。此外，近年来新能源开发、高端装备制造等产业发展对宽幅钛板(2400mm以上)的需求日趋增长。
传统的TC4钛合金宽厚板的生产方式为先将VAR圆锭通过多火锻造的方式获得钛坯，然后再经过板材轧机多火次轧制，从而获得成品的TC4钛合金宽厚板，此工艺压缩比大，但成材率仅55％-65％。而采用EB熔炼的TC4扁锭经直接轧制的TC4钛合金板材，成材率可达75％以上，但压缩比小，通过退火处理后，常规力学性能可满足标准要求，但其组织为拉长的层状α相分布在β转变基体上；同时，在制备2400mm以上宽幅板时，还会存在较为严重的边裂缺陷。如：专利CN103230936A，公布的一种TC4钛合金宽幅中厚板的轧制方法；专利CN104651767A，公布的一种医用TC4ELI钛合金中厚板的加工方法，采用传统工艺经锻造制坯后轧制为板材，分两火次轧制，加热温度均在β相变点之下。专利CN103045906A，公布的一种高得料率低成本生产优质TC4合金热轧板工艺方法，采用了EB扁锭直接轧制工艺，经多火次才完成宽度约1000mm TC4钛合金中厚板的成品。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，采用TC4钛合金EB扁锭，经两火直接轧制，并通过对加热温度、轧制方向、单道次变形量、总变形量的控制以及合理的热处理制度，实现工业化批量生产宽幅在2400-3600mm的各向组织性能优异的TC4钛合金板材。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，生产工艺流程为：EB铸锭、初次加热、初次轧制、冷却、再次加热、再次轧制、退火、后处理，包括以下步骤：
1)EB铸锭
选用一级海绵钛、Al-V中间合金、高纯度Al作为炉料，并压制电极；使用EB炉进行熔炼，得到尺寸为(220～350)mm厚×(1200～2500)mm宽×(2500～5000)mm长的TC4钛合金EB扁锭；
2)初次加热
铣去TC4钛合金EB扁锭两面3-5mm厚金属层后在连续式加热炉中进行初次加热，预热段700～900℃，保温40～60min，加热段1100～1150℃，保温120～180min，均热段1130～1150℃，保温120～150min；加热炉出口温度控制在1130～1150℃；
3)初次轧制
初次轧制前，进行高压水除磷，压力为15～18MPa；采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制5～12道次，先横轧后纵轧，横轧时，单道次压下率5％～20％；纵轧时，前两道次采用大压下量，单道次压下率满足20％～40％，中间道次压下率控制在15％～20％，末道次压下率控制在5％～10％，总压下率≥60％；轧机出口钛合金坯料厚度为60～120mm；1050℃≤开轧温度≤1100℃，轧制结束温度为≥850℃；热矫直后，冷却至室温；
4)再次加热
经修磨去除表面缺陷后连续式加热炉中进行再次加热，预热段700～800℃，保温40～60min，加热段920～950℃，保温90～120min，均热段940～950℃，保温60～90min；加热炉出口温度控制在940～950℃；
5)再次轧制
再次轧制前，关闭输送辊道冷却水、轧辊冷却水调至400～600m3/h；采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制6～15道次，先横轧后纵轧，横轧时，单道次压下率5％～20％；纵轧时，前两道次采用大压下量，单道次压下率满足30％～50％，中间道次压下率控制在15％～30％，末道次压下率控制在5％～10％，总压下率≥80％；轧机出口钛合金板材厚度为8～30mm；880℃≤开轧温度≤920℃，轧制结束温度为≥750℃；热矫直后，冷却至室温；
6)退火
退火处理温度为850～890℃，退火时间为4～6h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明具有流程短，成本低，成材率高，生产效率高，表面质量好，板幅宽以及纵横向机械性能差异小，组织优异，产品性能满足并高于国家标准要求，适于批量生产等优势。经EB熔炼的TC4钛合金扁锭，在宽幅中厚板轧机进行两火次直接轧制，通过对加热过程的工艺制定，合理安排轧制策略、实施单道次变形量、总变形量控制，以及完全退火的工艺措施，获得纵横向机械性能优异的TC4钛合金宽厚板，宽度可达到2400-3600mm，也可实现宽倍尺生产，并且具有α+β等轴组织，同时有效解决了边裂缺陷问题。
具体实施方式
下面对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，生产工艺流程为：EB铸锭、初次加热、初次轧制、冷却、再次加热、再次轧制、退火、后处理，包括以下步骤：
1)EB铸锭
选用一级海绵钛、Al-V中间合金、高纯度Al(Al含量在99.9％以上)作为炉料，并压制电极；使用EB炉进行熔炼，得到尺寸为(220～350)mm厚×(1200～2500)mm宽×(2500～5000)mm长的TC4钛合金EB扁锭；TC4钛合金EB扁锭的化学成分满足GB/T 3620.1 2007关于TC4合金成分要求；TC4钛合金EB扁锭的优选化学成分成分按重量百分比计为：
Al：5.5％-6.75％、V：3.5％-4.5％、Fe：0.07％-0.1％、C≤0.08％、N≤0.03％、H≤0.012％、O：0.07％-0.1％、其余为Ti及不可避免的杂质；
2)初次加热
铣去TC4钛合金EB扁锭两面3-5mm厚金属层后在连续式加热炉中进行初次加热，预热段700～900℃，保温40～60min，加热段1100～1150℃，保温120～180min，均热段1130～1150℃，保温120～150min；加热炉出口温度控制在1130～1150℃；
3)初次轧制
初次轧制前，进行高压水除磷，压力为15～18MPa；采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制5～12道次，先横轧后纵轧，横轧时，单道次压下率5～20％；纵轧时，前两道次采用大压下量，单道次压下率满足20％～40％，中间道次压下率控制在15％～20％，末道次压下率控制在5％～10％，总压下率≥60％；轧机出口钛合金坯料厚度为60～120mm；1050℃≤开轧温度≤1100℃，轧制结束温度为≥850℃；热矫直后，冷却至室温；
4)再次加热
经修磨去除表面缺陷后连续式加热炉中进行再次加热，预热段700～800℃，保温40～60min，加热段920～950℃，保温90～120min，均热段940～950℃，保温60～90min；加热炉出口温度控制在940～950℃；
5)再次轧制
再次轧制前，关闭输送辊道冷却水、轧辊冷却水调至400～600m3/h；采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制6～15道次，先横轧后纵轧，横轧时，单道次压下率5％～20％；纵轧时，前两道次采用大压下量，单道次压下率满足30％～50％，中间道次压下率控制在15％～30％，末道次压下率控制在5％～10％，总压下率≥80％；轧机出口钛合金板材厚度为8～30mm；880℃≤开轧温度≤920℃，轧制结束温度为≥750℃；热矫直后，冷却至室温；
6)退火
退火处理温度为850～890℃，退火时间为4～6h。
实施例1：
一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，EB铸锭的化学成分及其含量是：Al为6.206wt％，V为4.030wt％，Fe为0.08wt％，C为0.0128wt％，N为0.007wt％，H为0.005wt％，O为0.08wt％，其余为Ti及不可避免的杂质。具体轧制工艺包括以下步骤：
1)将厚度220mm，宽度1300mm，长度3500mm的EB矩形铸锭在连续式加热炉进行加热，预热段700～900℃保温40min，加热段1100～1150℃保温120min，均热段1130～1150℃保温120min，加热炉出口温度控制在1130～1150℃。
2)高压水除磷箱压力调至16MPa进行除磷。采用4300mm四辊可逆轧机进行往返轧制5道次，前2道次为横轧、后3道次为纵轧。终轧温度为1000℃，各道次轧制量分别为28mm、33mm、34mm、30mm、15mm，轧制后厚度80mm，宽度1800mm，长度5854mm，然后进入热矫机进行矫直，冷却到室温。
3)修磨表面缺陷后，将厚度为80mm，宽度1800mm，长度2927mm的钛合金坯料在连续式加热炉进行加热，预热段700～800℃保温40min，加热段920～950℃保温90min，均热段940～950℃保温60min；加热炉出口温度控制在940～950℃。
4)采用4300mm四辊可逆轧机进行轧制，轧制前，关闭输送辊道冷却水、轧辊冷却水调至400m3/h，往返轧制7道次，前2道次为横轧、后5道次为纵轧。终轧温度为800℃，各道次轧制量分别为20mm、21mm、16mm、9mm、5mm、4mm、2mm，轧制后厚度为8mm，宽度3200mm，长度16464mm。随后进行退火处理，退火温度850℃，保温时间4h，随炉冷却，然后进行冷矫直。
板形良好符合国家标准的要求，其横向屈服强度为898MPa，抗拉强度969MPa，延伸率11.8％；纵向屈服强度为896MPa，抗拉强度966MPa，延伸率12.4％。性能满足TC4国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准AMS 6945技术条件。
实施例2：
一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，EB铸锭的化学成分及其含量是：Al为6.108wt％，V为4.028wt％，Fe为0.09wt％，C为0.0128wt％，N为0.007wt％，H为0.005wt％，O为0.08wt％，其余为Ti及不可避免的杂质。具体轧制工艺包括以下步骤：
1)将厚度260mm，宽度1300mm，长度3500mm的EB矩形铸锭在连续式加热炉进行加热，预热段700～900℃保温60min，加热段1100～1150℃保温150min，均热段1130～1150℃保温150min，加热炉出口温度控制在1130～1150℃。
2)高压水除磷箱压力调至16MPa进行除磷。采用4300mm四辊可逆轧机进行往返轧制6道次，前2道次为横轧、后4道次为纵轧。终轧温度为1000℃，各道次轧制量分别为40mm、32mm、28mm、30mm、22mm、8mm，轧制后厚度100mm，宽度1800mm，长度6572mm，然后进入热矫机进行矫直，冷却到室温。
3)修磨表面缺陷后，将厚度100mm，宽度1800mm，长度3286mm的中间坯在连续式加热炉进行加热，预热段700～800℃保温40min，加热段920～950℃保温90min，均热段940～950℃保温60min；加热炉出口温度控制在940～950℃。
4)采用4300mm四辊可逆轧机进行轧制，轧制前，关闭输送辊道冷却水、轧辊冷却水调至400m3/h，往返轧制7道次，前2道次为横轧、后5道次为纵轧。终轧温度为850℃，各道次轧制量分别为22mm、22mm、16mm、9mm、5mm、4mm、2mm，轧制后厚度为20mm，宽度3200mm，长度9242mm。随后进行退火处理，退火温度880℃，保温时间4.5h，随炉冷却，然后进行冷矫直。
板形良好符合国家标准的要求，其横向屈服强度为896MPa，抗拉强度960MPa，延伸率12.5％；纵向屈服强度为892MPa，抗拉强度963MPa，延伸率12.7％。性能满足TC4国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准AMS 6945技术条件。
实施例3：
一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，EB铸锭的化学成分及其含量是：Al为6.102wt％，V为4.022wt％，Fe为0.07wt％，C为0.0128wt％，N为0.006wt％，H为0.005wt％，O为0.09wt％，其余为Ti及不可避免的杂质。具体轧制工艺包括以下步骤：
1)将厚度300mm，宽度1300mm，长度3500mm的EB矩形铸锭在连续式加热炉进行加热，预热段700～900℃保温60min，加热段1100～1150℃保温180min，均热段1130～1150℃保温150min，加热炉出口温度控制在1130～1150℃。
2)高压水除磷箱压力调至16MPa进行除磷。采用5500mm四辊可逆轧机进行往返轧制8道次，前4道次为横轧、后4道次为纵轧。终轧温度为980℃，各道次轧制量分别为32mm、28mm、25mm、20mm、30mm、30mm、22mm、13mm，轧制后厚度100mm，宽度2000mm，长度6825mm，然后进入热矫机进行矫直，冷却到室温。
3)修磨表面缺陷后，将厚度100mm，宽度2000mm，长度3413mm的中间坯在连续式加热炉进行加热，预热段700～800℃保温40min，加热段920～950℃保温90min，均热段940～950℃均热段60min；加热炉出口温度控制在940～950℃。
4)采用5500mm四辊可逆轧机进行轧制，轧制前，关闭输送辊道冷却水、轧辊冷却水调至600m3/h，往返轧制7道次，前1道次为横轧、后6道次为纵轧。终轧温度为850℃，各道次轧制量分别为20mm、18mm、16mm、9mm、5mm、4mm、3mm，轧制后厚度25mm，宽度2500mm，长度10920mm。随后进行退火处理，退火温度880℃，保温时间5h，随炉冷却，然后进行冷矫直。
板形良好符合国家标准的要求，其横向屈服强度为882MPa，抗拉强度958MPa，延伸率12.2％；纵向屈服强度为885MPa，抗拉强度962MPa，延伸率12.6％。性能满足TC4国家标准GB/T3621-2007和美国国家标准AMS 6945技术条件。
Claims (1)
1.一种采用直接轧制工艺生产TC4钛合金宽厚板的方法，其特征在于，生产工艺流程为：EB铸锭、初次加热、初次轧制、冷却、再次加热、再次轧制、退火、后处理，包括以下步骤：
1)EB铸锭
选用一级海绵钛、Al-V中间合金、高纯度Al作为炉料，并压制电极；使用EB炉进行熔炼，得到尺寸为(220～350)mm厚×(1200～2500)mm宽×(2500～5000)长mm的TC4钛合金EB扁锭；
2)初次加热
铣去TC4钛合金EB扁锭两面3-5mm厚金属层后在连续式加热炉中进行初次加热，预热段700～900℃，保温40～60min，加热段1100～1150℃，保温120～180min，均热段1130～1150℃，保温120～150min；加热炉出口温度控制在1130～1150℃；
3)初次轧制
初次轧制前，进行高压水除磷，压力为15～18MPa；采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制5～12道次，先横轧后纵轧，横轧时，单道次压下率5％～20％；纵轧时，前两道次采用大压下量，单道次压下率满足20％～40％，中间道次压下率控制在15％～20％，末道次压下率控制在5％～10％，总压下率≥60％；轧机出口钛合金坯料厚度为60～120mm；1050℃≤开轧温度≤1100℃，轧制结束温度为≥850℃；热矫直后，冷却至室温；
4)再次加热
经修磨去除表面缺陷后连续式加热炉中进行再次加热，预热段700～800℃，保温40～60min，加热段920～950℃，保温90～120min，均热段940～950℃，保温60～90min；加热炉出口温度控制在940～950℃；
5)再次轧制
再次轧制前，关闭输送辊道冷却水、轧辊冷却水调至400～600m3/h；采用宽幅中厚板轧机对坯料进行往返轧制6～15道次，先横轧后纵轧，横轧时，单道次压下率5％～20％；纵轧时，前两道次采用大压下量，单道次压下率满足30％～50％，中间道次压下率控制在15％～30％，末道次压下率控制在5％～10％，总压下率≥80％；轧机出口钛合金板材厚度为8～30mm；880℃≤开轧温度≤920℃，轧制结束温度为≥750℃；热矫直后，冷却至室温；
6)退火
退火处理温度为850～890℃，退火时间为4～6h。
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