CN111036705A - 大口径钛合金无缝管材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：1)以Φ660mm～Φ780mm的钛合金铸锭为坯料，进行开坯锻造；2)在钛合金铸锭的β转变温度以下20℃～50℃，对经过步骤1)处理的坯料进行1火次镦拔锻造，锻后直接回炉，在β转变温度以上70℃～100℃进行再结晶热处理，出炉后进行1火次镦拔锻造；3)在β转变温度以下20℃～50℃，对经过步骤2)处理的坯料进行1～2火次镦拔锻造、锻后空冷，然后在转变温度以下30℃～60℃，进行2～3火次拔长锻造，得到Φ380mm～Φ420mm的圆柱形坯料；4)对圆柱形坯料进行冲孔、芯轴拔长、扩孔，得到管坯；5)将管坯碾压成型，经机加工处理后得到外径为600mm～680mm、壁厚为10mm～20mm的钛合金无缝管材。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金材料加工技术领域，特别是涉及一种大口径钛合金无缝管材及其制备方法。
背景技术
Ti75合金的名义成分为Ti-3Al-2Mo-2Zr，属于近α型钛合金，具有优良的综合性能，比强度高、耐冲刷能力好、耐海水腐蚀，可广泛替代B10、B30等铜合金管，可减重约50％，大大提高舰艇性能，同时大幅降低使用维护成本，具有广泛的应用前景。
目前，国内Ti75合金大口径无缝管材轧制工艺尚不成熟，生产成本高，对该合金管材的广泛应用带来了一定的限制。随着我国海洋用钛的飞速发展，Ti75钛合金管材用量将急剧增加，解决Ti75大口径管材制备难题已势在必行。
发明内容
基于此，有必要提供一种大口径钛合金无缝管材的制备方法，能够得到综合力学性能好的大口径钛合金无缝管材，而且加工过程简单，效率高。
一种大口径钛合金无缝管材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、以Φ660mm～Φ780mm的钛合金铸锭为坯料，进行开坯锻造；
步骤2)、在所述钛合金铸锭的β转变温度以下20℃～50℃，对经过所述步骤1)处理的坯料进行1火次镦拔锻造，锻后回炉，在所述β转变温度以上70℃～100℃进行再结晶热处理，出炉后进行1火次镦拔锻造；
步骤3)、在所述β转变温度以下20℃～50℃，对经过所述步骤2)处理的坯料进行1～2火次镦拔锻造、锻后空冷，然后在所述转变温度以下30℃～60℃，进行2～3火次拔长锻造，得到Φ380mm～Φ420mm的圆柱形坯料；
步骤4)、对所述圆柱形坯料进行冲孔、芯轴拔长、扩孔，得到管坯；
步骤5)、将所述管坯碾压成型，经机加工处理得到外径为600mm～680mm、壁厚为10mm～20mm的钛合金无缝管材。
在其中一个实施例中，在所述步骤2)中，所述再结晶热处理的保温时间为(L×0.5/mm-30)min～(L×0.5/mm+30)min，其中，L为所述步骤2)中进行所述再结晶热处理时坯料横截面的尺寸，单位为mm。
在其中一个实施例中，所述圆柱形坯料的高径比为(1.8～2.1):1。
在其中一个实施例中，在所述步骤4)中，所述冲孔的温度为所述β转变温度以下20℃～50℃，所述冲孔的孔内径为200mm～220mm。
在其中一个实施例中，在所述步骤4)中，所述芯轴拔长的锻造比为1.1～1.3。
在其中一个实施例中，在所述步骤4)中，所述扩孔的温度为所述β转变温度以下30℃～60℃；
所述扩孔的次数为2～3火次，每火次扩孔的壁厚减薄量为10mm～30mm、每火次扩孔的孔内径增大量为100mm～150mm。
在其中一个实施例中，在所述步骤5)中，所述碾压成型的温度为所述β转变温度以下30℃～60℃。
在其中一个实施例中，在所述步骤3)中，所述镦拔锻造的锻造比为2.2～3.2，所述拔长锻造的锻造比为1.0～1.7。
在其中一个实施例中，所述钛合金铸锭为Ti75合金铸锭。
本发明另一目的于提供一种采用上述方法制备得到的大口径钛合金无缝管材。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明上述方法，可以将钛合金铸锭加工成为外径为600mm～680mm、壁厚为10mm～20mm的钛合金无缝管材，且得到的钛合金无缝管材的综合力学性能好，符合技术要求。
2)本发明采用自由锻制坯+芯轴拔长及扩孔+碾压成型加工处理的方法，且自由锻制坯处理在开坯锻造及β转变温度以下20℃～50℃镦拔锻造后搭配一次动态再结晶热处理，利用β转变温度以上70℃～100℃的再结晶热处理过程实现钛合金坯料组织的快速细化，解决了传统无缝管材加工的自由锻制坯过程中需要依靠多火次、大变形量来破碎粗大晶粒的问题，能降低锻造生产成本。
3)本发明上述方法在再结晶热处理之后，采用在β转变温度以下20℃～60℃进行锻造加工制坯，不但可以实现简单可控的两相区变形，锻造比、变形速率及变形温度均易控制，而且钛合金组织可以得到进一步细化均匀；而后采用在β转变温度以下的芯轴拔长及扩孔+碾压成型，生产设备成本低，适用于多规格大口径管材的生产，还可以避免传统工艺采用斜轧穿孔需要在β转变温度以上30℃～70℃加热，存在变形剧烈、变速速率大、变形不均匀的风险，能够得到稳定性好、综合性能优异的钛合金无缝管材。
4)采用本发明上述方法制备得到的大口径Ti75钛合金无缝管材可用于舰艇、海洋装备等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的Φ680mm规格无缝管的显微组织图；
图2为本发明实施例2制备得到的Φ600mm规格无缝管的实物照片；
图3为本发明实施例2制备得到的Φ600mm规格无缝管的显微组织图；
图4本发明对比例1制备得到的Φ680mm规格无缝管的显微组织图。
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。
本发明一实施方式提供一种大口径钛合金无缝管材的制备方法，工艺路线为：开坯锻造→动态再结晶热处理加工→β转变温度以下锻造加工制坯→β转变温度以下芯轴拔长及扩孔→β转变温度以下碾压成型，具体包括以下步骤1～步骤5。
步骤1)、以Φ660mm～Φ780mm的钛合金铸锭为坯料，进行开坯锻造。
进步一地，钛合金铸锭为Ti75合金铸锭。
进一步地，钛合金铸锭为Φ780mm的Ti75合金铸锭。
进一步地，开坯锻造的步骤为在上述钛合金铸锭的β转变温度以上100℃～250℃，对钛合金铸锭进行1～2火次的镦拔锻造。
通过在β转变温度以上100℃～250℃对钛合金铸锭进行1～2火次的镦拔锻造，使粗大的铸态组织(晶粒)破碎。
进一步地，每火次的锻造比为2.4～6.5，锻后采用空冷的方式降温。
步骤2)、在钛合金铸锭的β转变温度以下20℃～50℃，对经过步骤1处理的坯料进行1火次镦拔锻造，锻后直接回炉，在β转变温度以上70℃～100℃进行再结晶热处理，出炉后进行1火次镦拔锻造。
具体地，在β转变温度以下20℃～50℃，对经过步骤1处理的坯料进行1火次镦拔锻造，锻造比控制在5.5～6.5，锻后直接回炉进行再结晶热处理，再结晶热处理的温度为β转变温度以上70℃～100℃，保温适当时间后出炉，然后进行1火次镦拔锻造，锻造比控制在2～3，锻后采用空冷的方式降温。
如此，在β转变温度以下20℃～50℃进行1火次镦拔锻造，搭配一次动态再结晶热处理后，进行1火次镦拔锻造，使钛合金坯料组织快速细化，解决了传统自由锻造过程中需要依靠多火次、大变形量来达到破碎粗大晶粒的问题，简化了锻造工艺，降低锻造成本。
具体地，再结晶热处理的保温时间可根据坯料横截面的尺寸来计算。
进一步地，再结晶热处理的保温时间为(L×0.5/mm-30)min～(L×0.5/mm+30)min，其中，所述L为再结晶热处理时所述坯料的横截面尺寸，单位为mm。
可以理解的，比如，经过步骤1)处理后的坯料为方坯，方坯横截面的边长为620mm，其横截面的尺寸即为620mm，保温时间为(620mm×0.5/mm±30)min，即280min～340min。
步骤3)、在β转变温度以下20℃～50℃，对经过步骤2处理的坯料进行1～2火次镦拔锻造、锻后空冷，然后在转变温度以下30℃～60℃，进行2～3火次拔长锻造，得到Φ380mm～Φ420mm的圆柱形坯料。
具体地，每火次的镦拔锻造后均采用空冷的方式降温；拔火锻造的最后1次采用空冷的方式降温，其余火次的拔长锻造采用热料回炉。
进一步地，镦拔锻造的锻造比为2.2～3.2，拔长锻造的锻造比为1.0～1.7。
如此，经过上述步骤1～3的共6～9火次自由锻造，即可得到Φ380mm～Φ420mm的圆柱形坯料，明显的节约了自由锻造的火次，达到了细化组织的作用。
步骤4)、对所述圆柱形坯料进行冲孔、芯轴拔长、扩孔，得到管坯。
进一步地，冲孔的温度为β转变温度以下20℃～50℃，冲孔的孔内径为200mm～220mm。
进一步地，采用快锻机进行冲孔。
进一步地，冲孔后将管坯的上、下两端整平后直接回炉进行芯轴拔长。
进一步地，芯轴拔长的锻造比为1.1～1.3。
进一步地，芯轴拔长后采用空冷的方式降温。
进一步地，扩孔的温度为所述β转变温度以下30℃～60℃；扩孔的次数为2～3火次，每火次扩孔的壁厚减薄量为10mm～30mm、孔内径增大量为100mm～150mm。
具体的，最后一火次扩孔后采用空冷的方式降温，其余火次扩孔后可直接回炉加热。
步骤5)、将所述管坯碾压成型，经机加工处理得到外径为600mm～680mm、壁厚为15mm～35mm的钛合金无缝管材。
进一步地，碾压成型的温度为所述β转变温度以下30℃～60℃。
进一步地，碾压成型的壁厚公差控制在±(0.5～1)mm范围内。
采用上述方法能够得到组织细化均匀、稳定性好、综合力学性能优异的多规格大口径的钛合金无缝管材，而且无需要增设新设备，所用生产设备成本低。
制备得到的外径Φ600mm～Φ680mm，壁厚为10mm～20mm的钛合金无缝管材可以广泛用于舰船压载水系统、平衡系统、消防损管系统、弹药仓喷灌排水系统、生活用水系统等海水管路系统。
以下为具体实施例
本发明所采用的Φ780mmTi75合金铸锭为本发明的申请人自行生产。
实施例1：制备规格为Φ680mm的Ti75合金无缝管材
1)、开坯锻造
以β转变温度为945℃的Φ780mmTi75合金铸锭的原料，进行2火次镦拔锻造。
其中，1火锻造的温度为1150℃，两镦两拔锻至□620mm，锻造比为6.25，锻后采用空冷；2火锻造的温度为1100℃，一镦一拔锻至□620mm，锻造比为2.5，锻后采用空冷。
2)、动态再结晶热处理
对经过步骤1)处理的坯料进行两镦两拔锻至□620mm，锻造的温度为915℃，锻造比控制在6.0；锻后直接回炉进行再结晶热处理，再结晶热处理的温度为1035℃，保温300分钟后出炉，再进行一镦一拔锻至□620mm，锻造比控制在2.2，锻后采用空冷。
3)、两相区锻造
将经过步骤2)处理的坯料进行一镦一拔，锻至□620mm，锻造的温度为915℃，锻造比控制在2.5，锻造后热料回炉；然后在905℃进行3火次拔长锻造，拔长锻造比控制在1.1～1.5；其中，第1火次和第2火次锻后采用热料回炉，第3火次锻后采用空冷，且经过第3火次锻后坯料的尺寸规格为Φ400mm。
4)、两相区芯轴拔长及扩孔
将经过步骤3)处理的坯料加热至910℃，坯料的高径比控制在1.8～2.1，然后采用快锻机冲孔，冲孔直径为Φ210mm，得到管坯；将管坯上下两端整平，整平后直接回炉，然后于915℃对管坯进行芯轴拔长，拔长锻造比控制在1.2，拔长后采用空冷；空冷后对管坯进行3火次扩孔，加热温度为905℃，每火次扩孔壁厚减薄量控制在15mm～25mm，内径增大量控制在120mm～130mm，扩孔后回炉加热，最后一次扩孔后采用空冷。
5)、β转变温度以下碾压成型
于905℃对经过步骤4)处理的管坯进行碾压成型，控制壁厚为25mm，壁厚公差控制在±0.8mm范围内，机加工后得到壁厚为15mm、外径为680mm的Ti75合金无缝管。
对所得的Ti75合金无缝管材进行显微拍照，得到如图1所示的图片，从图1中可以看出Ti75合金无缝管材的显微组织非常均匀。
参照GB/T228-2001，对所得的Ti75合金无缝管材的头部和尾部的室温力学性能进行检测，结果如下表1所示，从表1中可以看出Ti75合金无缝管材的综合力学性能优异，满足标准要求，达到了预期的目标。
表1Φ680×15mm规格Ti75合金无缝管的力学性能检测结果
注：Rm-抗拉强度，Rp-屈服强度，A-断后伸长率，Z-断面收缩率，Aku-冲击吸收功。
实施例2：制备规格为Φ600mm的Ti75合金无缝管
1)、开坯锻造
采用β转变温度为950℃的Φ780mmTi75合金铸锭，进行2火次镦拔锻造。
其中，1火锻造的温度为1150℃，两镦两拔锻至□620mm，锻造比为6.25，锻后采用空冷；2火锻造的温度为1100℃，一镦一拔锻至□620mm，锻造比为2.5，锻后采用空冷。
2)、动态再结晶热处理
对经过步骤1)处理的坯料进行两镦两拔锻至□620mm，锻造的温度为920℃，锻造比控制在6.0；锻后直接回炉进行再结晶热处理，再结晶热处理的温度为1040℃，保温300分钟后出炉，再进行一镦一拔锻至□620mm，锻造比控制在2.2，锻后采用空冷。
3)、两相区锻造
将经过步骤2)处理的坯料进行一镦一拔，锻至□620mm，锻造的温度为920℃，锻造比控制在2.5，锻造后热料回炉；然后在910℃进行3火次拔长锻造，拔长锻造比控制在1.1～1.5；其中，第1火次和第2火次锻后采用热料回炉，第3火次锻后采用空冷，且经过第3火次锻后坯料的尺寸规格为Φ400mm。
4)、两相区芯轴拔长及扩孔
将经过步骤3)处理的坯料加热至910℃，坯料的高径比控制在1.8～2.1，然后采用快锻机冲孔，冲孔直径为Φ210mm，得到管坯；将管坯上下两端整平，整平后直接回炉，然后于910℃对管坯进行芯轴拔长，拔长锻造比控制在1.2，拔长后采用空冷；空冷后对管坯进行2火次扩孔，加热温度为910℃，每火次扩孔壁厚减薄量控制在15mm～25mm，内径增大量控制在130mm～140mm，扩孔后回炉加热，最后一次扩孔后采用空冷。
5)、β转变温度以下碾压成型
于910℃对经过步骤4)处理的管坯进行碾压成型，控制壁厚为30mm，壁厚公差控制在±0.8mm范围内，机加工后得到如图2所示，壁厚为20mm、外径为600mm的Ti75合金无缝管。
对所得的Ti75合金无缝管材进行显微拍照，得到如图3所示的图片，从图3中可以看出Ti75合金无缝管材的显微组织非常均匀。
参照GB/T228-2001，对所得的Ti75合金无缝管材的头部和尾部的室温力学性能进行检测，结果如下表2所示，从表2中可以看出Ti75合金无缝管材的综合力学性能优异，满足标准要求，达到了预期的目标。
表2Ф600×20mm规格Ti75合金无缝管的力学性能检测结果
对比例1
1)、以β转变温度为945℃的Φ780mmTi75合金铸锭的原料，进行2火次镦拔锻造。
其中，1火锻造的温度为1150℃，两镦两拔锻至□620mm，锻造比为6.25，锻后采用空冷；2火锻造的温度为1100℃，一镦一拔锻至□620mm，锻造比为2.5，锻后采用空冷。
2)、对经过步骤1)处理的坯料进行两镦两拔锻至□620mm，锻造的温度为1040℃，锻造比控制在6.0；锻后直接回炉，回炉温度为1040℃，保温300分钟后出炉，再进行一镦一拔锻至Φ620mm，锻造比控制在2.2，锻后采用空冷。
3)、将经过步骤2)处理的坯料进行一镦一拔，锻至□620mm，锻造的温度为915℃，锻造比控制在2.5，锻造后热料回炉；然后在905℃进行3火次拔长锻造，拔长锻造比控制在1.1～1.5；其中，第1火次和第2火次锻后采用热料回炉，第3火次锻后采用空冷，且经过第3火次锻后坯料的尺寸规格为Φ400mm。
4)、将经过步骤3)处理的坯料加热至910℃，坯料的高径比控制在1.8～2.1，然后采用快锻机冲孔，冲孔直径为Φ210mm，得到管坯；将管坯上下两端整平，整平后直接回炉，然后于915℃对管坯进行芯轴拔长，拔长锻造比控制在1.2，拔长后采用空冷；空冷后对管坯进行3火次扩孔，加热温度为905℃，每火次扩孔壁厚减薄量控制在15mm～25mm，内径增大量控制在120mm～130mm，扩孔后回炉加热，最后一次扩孔后采用空冷。
5)、于905℃对经过步骤4)处理的管坯进行碾压成型，控制壁厚为25mm，壁厚公差控制在±0.8mm范围内，机加工后得到壁厚为15mm、外径为680mm的Ti75合金无缝管材，显微组织照片如图4所示。从图4中可以看出，所得的无缝管材显微组织等轴α相含量较高。
参照GB/T228-2001，对所得的Ti75合金无缝管材的头部和尾部的室温力学性能进行检测，结果如下表3所示，从表3中可以看出Ti75合金无缝管材的综合力学性能欠佳，无法满足标准要求。
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)
1.一种大口径钛合金无缝管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、以Φ660mm～Φ780mm的钛合金铸锭为坯料，进行开坯锻造；
步骤2)、在所述钛合金铸锭的β转变温度以下20℃～50℃，对经过所述步骤1)处理的坯料进行1火次镦拔锻造，锻后回炉，在所述β转变温度以上70℃～100℃进行再结晶热处理，出炉后进行1火次镦拔锻造；
步骤3)、在所述β转变温度以下20℃～50℃，对经过所述步骤2)处理的坯料进行1～2火次镦拔锻造、锻后空冷，然后在所述转变温度以下30℃～60℃，进行2～3火次拔长锻造，得到Φ380mm～Φ420mm的圆柱形坯料；
步骤4)、对所述圆柱形坯料进行冲孔、芯轴拔长、扩孔，得到管坯；
步骤5)、将所述管坯碾压成型，经机加工处理得到外径为600mm～680mm、壁厚为10mm～20mm的钛合金无缝管材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述再结晶热处理的保温时间为(L×0.5/mm-30)min～(L×0.5/mm+30)min，其中，L为所述步骤2)中进行所述再结晶热处理时坯料横截面的尺寸，单位为mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述圆柱形坯料的高径比为(1.8～2.1):1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述冲孔的温度为所述β转变温度以下20℃～50℃，所述冲孔的孔内径为200mm～220mm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述芯轴拔长的锻造比为1.1～1.3。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述扩孔的温度为所述β转变温度以下30℃～60℃；
所述扩孔的次数为2～3火次，每火次扩孔的壁厚减薄量为10mm～30mm、每火次扩孔的孔内径增大量为100mm～150mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤5)中，所述碾压成型的温度为所述β转变温度以下30℃～60℃。
8.根据权利要求1～7任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述镦拔锻造的锻造比为2.2～3.2，所述拔长锻造的锻造比为1.0～1.7。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述钛合金铸锭为Ti75合金铸锭。
10.一种采用权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的钛合金无缝管材。
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