CN111057903A

CN111057903A - 一种大规格钛合金锁紧环及其制备方法

Info

Publication number: CN111057903A
Application number: CN201911249912.1A
Authority: CN
Inventors: 杨胜; 张慧杰; 向午渊; 周彩霞; 李丹; 周慧
Original assignee: Hunan Jintian Investment Hunan Science And Technology Refco Group Ltd
Current assignee: Hunan Jintian Investment Hunan Science And Technology Refco Group Ltd
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: CN111057903B

Abstract

本发明提供了一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，包括以下步骤：步骤一、熔炼：采用海绵钛和中间合金经过多次熔炼得到钛合金铸锭；步骤二、锻造：将熔炼得到的钛合金铸锭加热，进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上和钛合金相变点以下交错进行多火次镦拔，得到钛合金锻坯；步骤三、环轧：将锻造得到的钛合金锻坯经开孔后进行环轧，得到目标规格环件；步骤四、退火处理：将环件进行退火处理；步骤五、机械加工：将经过退火处理后的环件经表面机械加工、粗加工、热处理和精加工得到所需形状和规格的锁紧环。采用本发明制备的超大规格钛合金锁紧环，适用于舰船舱口盖用，具有组织均匀，性能稳定，耐腐蚀性能好，综合性能优良等特点。

Description

一种大规格钛合金锁紧环及其制备方法

技术领域

本发明涉及机械制造技术领域，特别地，涉及一种大规格钛合金锁紧环及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有高比强度、优良耐海水腐蚀、无磁、高透声系数、可成形性和可焊接性好等特性，在海水、海洋大气及潮汐环境中均有极好的耐蚀性，被称为“海洋金属”，被广泛应用于海洋工程领域。近年来，随着舰船用钛的需求增大，尺寸规格大、综合性能优良的钛合金锁紧环的制备技术是关键。

由于舰船舱口盖用锁紧环需要长期服役于高腐蚀性的海水中，对材料性能提出了更高的要求。目前我国制备锁紧环多采用钢材制造且规格较小。专利CN106346223A提供了支撑环加工方法，用45#钢材质，采用车、铣、热处理等加工工艺制造的支撑环直径为40mm；专利CN 106425327 B提供了一种大规格TC4钛合金环件的制备方法，该方法通过环轧及退火处理制得了外径720mm～1300mm规格TC4钛合金环件，该方法生产的环件规格较小。目前我国最大规格的钛合金环材为(Φ3000～3500mm)/(Φ2800～3300)×(1500～2000)mm(专利CN 109439936 A)，其采用传统的熔炼、锻造、环轧及热处理工艺获得了具有网篮组织的大规格钛合金环材。但海洋用钛合金制造超大规格环件，要求获得具有综合力学性能优良的组织，而等轴组织具有较好的塑性、延伸率和较高的断面收缩率，以及抗缺口敏感性，是目前使用最广泛的具有较好综合性能的组织。

因此，业内急需一种大规格钛合金锁紧环的制备方法的新型技术。

发明内容

本发明目的在于提供一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，制备出组织均匀、综合性能优良的等轴组织大规格钛合金锁紧环。

为实现上述目的，本发明提供了一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、熔炼：采用海绵钛和中间合金经过多次熔炼得到钛合金铸锭；

步骤二、锻造：将熔炼得到的钛合金铸锭加热，进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上和钛合金相变点以下交错进行多火次镦拔，得到钛合金锻坯；

步骤三、环轧：将锻造得到的钛合金锻坯经开孔后进行环轧，得到目标规格环件；

步骤四、退火处理：将环件进行退火处理；

步骤五、机械加工：将经过退火处理后的环件经表面机械加工、粗加工、热处理和精加工得到所需形状和规格的锁紧环。

进一步的，步骤一中所述海绵钛包括MHT-100海绵钛和MHT-110海绵钛，粒度均为0.83～12.7mm。

进一步的，步骤一中所述中间合金包括Al-55V，Al-60Fe，Al和TiO₂；所述Al-55V粒度为1.0～6.0mm，所述Al-60Fe粒度为0.25～6.0mm，所述Al粒度为5～13mm，所述TiO₂粒度小于等于0.09mm。

进一步的，步骤一中，海绵钛和中间合金需做预处理：熔炼前，将海绵钛和中间合金称重后依次进行电极压制和电极焊接。

进一步的，多次熔炼过程均采用真空自耗熔炼，且每次熔炼稳弧电流的波动范围在6A以内。

进一步的，步骤二中，在钛合金相变点以上多火次镦拔，加热温度为T_β+30～T_β+50℃，镦粗变形量为40％～45％；在钛合金相变点以下多火次镦拔，加热温度为T_β-50～T_β-20℃，镦粗变形量为38％～43％。其中，采取相变点以上开坯锻造，确保铸锭组织的均匀化；在相变点以上与相变点以下交替多火次锻造，保证铸态大组织的充分破碎细化；相变点以下多火次锻造的方式，保证坯料组织的均匀性，最终得到均匀细小的等轴组织。

进一步的，所述步骤三中，环轧温度为T_β-50～T_β-30℃，环轧变形量为25-35％。

进一步的，所述步骤四中，退火工艺参数为：加热温度为680～860℃，保温时间4～6h。

进一步的，所述步骤五中，机械加工后将环件进行热处理，热处理工艺参数为：加热温度为450～650℃，保温时间6～8h。

本发明还提供了一种大规格钛合金锁紧环，采用上述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法制备而成。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，尤其适用于直径大，横截面积小的大规格锁紧环的制备。因为大规格锁紧环在制备过程中极易出现变形，为了保证环件在整个生产制备过程中不变形，本发明在熔炼过程中选用海绵钛和中间合金的颗粒度相匹配，一次性加入压制模具内压制成型，确保合金在电极中均匀分布，避免中间合金在电极宏观偏析，以保证铸锭上的成分均匀。在锻造过程中，采用锻后截面形状不同(截面依次为正方形、菱形和圆形)的方法，使锻后棒材的1/4R和心部组织经β相区及α+β两相区锻造后，TC4钛合金试样的显微组织为典型的等轴组织，具体是在转变β基体上分布着等轴α相，组织细小，基本无长条组织，确保组织均匀性。

2、本发明提供的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，通过成分均匀性控制，获得了铸锭头、中、尾部各部位主要元素分布均匀、波动性好，CV<5％；通过精确控制锻造过程中的变形温度、变形量、形状及炉温均匀性等，获得锻后棒材的1/4R和心部组织为典型的均匀等轴组织；通过采用科学热处理参数进行热处理，控制了热变形风险，最终获得了高品质的超大规格钛合金环件。

3、采用本发明方法制备的钛合金锁紧环组织和性能满足以下要求：横向低倍组织无裂纹、缩孔、气孔、金属或非金属夹杂及影响使用的偏析；显微组织是在两相区加工产生的组织，无完整的原始β晶界，是在转变的β基体上的等轴α组织、或等轴α和拉长α组织。力学性能满足R_m≥895MPa，R_p0.2≥825MPa，A≥10％，Z≥25％。

4、采用本发明方法制备的超大规格钛合金锁紧环，特别适用于舰船舱口盖，具有组织均匀，性能稳定，耐腐蚀性能好，综合性能优良等特点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例制备的大规格钛合金锁紧环的结构示意图；

图2是本发明优选实施例制备的大规格钛合金锁紧环的显微组织照片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

内径1460mm，外径2000mm的舱口盖锁紧密封装置用TC4大规格锁紧环的制备方法，具体步骤如下：

步骤1、钛合金坯料熔炼：

采用小颗粒海绵钛和中间合金经过三次熔炼获得TC4钛合金坯料，其重量百分比的组分为：Al5.5～6.75wt％、V3.5～4.5wt％、Fe≤0.30wt％、O≤0.20wt％、C≤0.08wt％、N≤0.05wt％、H≤0.0125wt％、余量为Ti。

铸锭熔炼工艺具体流程为：小颗粒海绵钛+中间合金→挑料→配料称重→电极压制→电极焊接→一次熔炼→平头→二次熔炼→平头→三次熔炼→机械加工→探伤、切冒口→成分检验→入库。

所述小颗粒海绵钛为MHT-100和MHT-110，粒度为0.83～12.7mm；所述中间合金包括Al-55V(钒铝合金，钒含量为55％)，Al-60Fe(铁铝合金，铁含量为55％)，Al和TiO₂；所述Al-55V粒度为1.0～6.0mm，所述Al-60Fe粒度为0.25～6.0mm，所述Al粒度为5～13mm，所述TiO₂粒度小于等于0.09mm。

所述电极压制采用THP67-8000A油压机压制，具体是：先将海绵钛及中间合金进行人工检查、挑选，然后经混配料系统称重、下料机混料后进入THP67-8000A油压机内，最后经油压机挤压成Φ480mm、1/2圆形、200-220mm高、60～70kg重的电极块，堆垛方式为2×22。

所述电极焊接采用真空等离子焊接，预抽真空到0.08mbar以下，以10～15l/min的速度充氩气达到300～350mbar，用两台焊枪以60～100mm/min的速度焊接不少于8条直焊缝。

所述一次熔炼采用真空自耗熔炼，真空度≤10Pa，熔炼电流为14～20kA，熔炼电压为29～35V，稳弧电流为直流6～12A，熔炼后经冷却、凝固后得到一次钛合金锭。

所述二次熔炼将经过一次钛合金锭平头后再经真空自耗电弧炉进行二次熔炼，其熔炼工艺为：熔炼电流为23～28kA，熔炼电压为32～38V，稳弧电流为交流8～14A，熔炼后经冷却、凝固后得到二次钛合金锭。

所述三次熔炼将经过二次钛合金锭平头后再经真空自耗电弧炉进行三次熔炼，其熔炼工艺为：熔炼电流为26～32kA，熔炼电压为34～39V，稳弧电流为交流10～16A，熔炼后经冷却、凝固后得到三次钛合金锭。

其中，稳弧电流主要是在真空自耗熔炼时对电弧施加一个纵向磁场，可提高电弧的稳定性，并使熔池发生有益的旋转，起到细化晶粒、成分均匀化、改善钛锭表面质量的作用。熔炼电压和电流波动对钛合金铸锭均匀性影响也较大。熔炼过程中稳弧电流为波动范围在6A以内，熔炼过程电弧稳定。

最后机械加工是将三次钛合金锭进行扒皮，去除表面氧化皮、气孔、裂纹等缺陷，得到符合要求的铸锭。

通过步骤1生产的TC4钛合金锁紧环用铸锭规格为Ф780mm，重量约5吨。

步骤2、钛合金坯料锻造：

将熔炼得到的钛合金铸锭加热，进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上和钛合金相变点以下交错进行多火次镦拔，得到钛合金锻坯。

所述钛合金锻造的具体工艺流程为：多次开坯锻造→相变点以上以及相变点以下交错多火次镦拔→冲孔坯料。

具体的，首先设置开坯锻造温度为1150℃，进行1火次2镦3拔，变形量为40％～45％开坯锻造；再将坯料加热至1080℃进行1火次2镦2拔，变形量为40％～45％；1050℃进行1火次2镦2拔，变形量为40％～45％。

在钛合金相变点以上以及相变点以下交错多火次镦拔，具体工艺参数为：首先加热至T_β-(20～50)℃进行2火次1镦1拔，变形量35％～45％；其次加热至T_β+(30～50)℃进行2火次2镦2拔，变形量40％～45％；然后在T_β-(20～50)℃下进行3火次1镦1拔，变形量35％～45％。最后在T_β-(20～50)℃下进行镦、滚，变形量15％～25％，得到目标坯料。

在相变点以上多火次镦拔的锻造过程中，β晶粒开始发生动态再结晶，并优先在变形晶粒的边界或在变形带上形成细小的等轴β晶粒，在随后的冷却过程中，原始β晶粒边界首先析出片状的α相，然后沿晶间按照不同的位向析出片状的α相。在相变点以下多火次镦拔的锻造过程中，初生的α相和β相同时参与变形，原始β晶粒被压扁和破碎，沿金属变形流动方向拉长，片状α相发生扭曲、碎化并沿变形方向排列，获得典型的等轴组织。

具体的，采用电加热炉加热坯料，在1150℃保温40min后，将Ф780mm规格铸锭开坯拔长至□620mm，用40/45MN快锻机组进行2镦2拔，变形量40％；在1080℃时采用1镦1拔，变形量38％，将坯料由□620mm锻造成□620mm；再将坯料在1050℃时，采用2镦2拔，变形量40％，坯料由□620mm锻造成◇660mm；在960℃时，采用2火次1镦1拔，变形量38％，坯料由◇660mm锻造成◇800mm；再将坯料加热至1030℃保温60min，采用2火次2镦2拔，变形量40％，坯料由◇800mm锻造成Ф980mm；在960℃，采用3火次1镦1拔，变形量38％，将坯料由Ф980mm锻造成Ф1230mm；最后在960℃，采用镦、滚，变形量18％，坯料由Ф1230mm锻造成Ф1390mm×290mm规格的待冲孔坯料。

步骤3、冲孔

在T_β-30℃温度下，将Ф1390mm×290mm坯料冲孔至Ф1410mm/Ф280mm×290mm的待轧坯料。

步骤4、环件轧制工艺：

将Ф1410mm/Ф280mm×290mm待轧坯料经过多火次环轧，得到Ф(2000mm)/Ф1460mm×285mm规格环件，变形量为10～35％。

步骤5、退火处理：

所述轧后热处理目的为控制组织均匀及消除应力，其工艺参数为加热温度为：680～860℃，保温时间4～6h，采用先随炉冷却再空气冷却。热处理过程发生再结晶后获得细小而均匀的组织，较长时间的保温完全消除了加工硬化，使组织得到改善并控制环件变形。

步骤6、表面机械加工：

所述表面机械加工是将经过热处理的环件表面进行扒皮，去除表面氧化皮、气孔、裂纹等缺陷后进行基准面加工，基准面保证98％见光，平面度0.2mm。

步骤7、粗加工：

所述粗加工过程中，除螺孔外，控制表面粗糙度Ra≤3.2μm，平面度0.2mm以内，按图纸尺寸保留3mm加工余量。

步骤8、热处理：

将粗加工后的环件随炉升温至650℃保温6h后随炉冷至200℃，再出炉空冷至室温；

步骤9、精加工：

按图纸进行精加工，精加工保证平面度0.1mm，加工尺寸满足图纸要求。

采用本实施例的方法制备的舱口盖锁紧密封装置用超大规格钛合金锁紧环(具体结构如图1所示)，对取自该大规格环件的试样进行力学性能检测，结果见表1。

表1实施例1制备的大规格锁紧环的力学性能

力学性能	R<sub>m</sub>/MPa	R<sub>p0.2</sub>/MPa	A/％	Z/％
					试样1	963	895	20.5	42
试样2	954	882	17	45
					标准指标	≥895	≥825	≥10	≥25

图2为本发明实施例制备的大规格钛合金锁紧环的显微组织照片，由图可知，本实施例制备的大规格钛合金锁紧环组织由α等轴+β转变构成，微观组织均匀、细小，无完整的β原始晶界。

采用本发明方法制备的钛合金锁紧环组织和性能满足以下要求：横向低倍组织无裂纹、缩孔、气孔、金属或非金属夹杂及影响使用的偏析；显微组织是在两相区加工产生的组织，无完整的原始β晶界，是在转变的β基体上的等轴α组织、或等轴α和拉长α组织。而且，其力学性能满足R_m≥895MPa，R_p0.2≥825MPa，A≥10％，Z≥25％。

综上所述，本发明提供的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，通过成分均匀性控制，获得了铸锭头、中、尾部各部位主要元素分布均匀、波动性好，CV<5％；通过精确控制锻造过程中的变形温度、变形量、形状及炉温均匀性等，获得锻后棒材的1/4R和心部组织为典型的均匀等轴组织；通过采用科学热处理参数进行热处理，控制了热变形风险，最终获得了高品质的超大规格钛合金环件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤四、退火处理：将环件进行退火处理；

2.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，步骤一中所述海绵钛包括MHT-100海绵钛和MHT-110海绵钛，粒度均为0.83～12.7mm。

3.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，步骤一中所述中间合金包括Al-55V，Al-60Fe，Al和TiO₂；所述Al-55V粒度为1.0～6.0mm，所述Al-60Fe粒度为0.25～6.0mm，所述Al粒度为5～13mm，所述TiO₂粒度小于等于0.09mm。

4.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，步骤一中，海绵钛和中间合金需做预处理：熔炼前，将海绵钛和中间合金称重后依次进行电极压制和电极焊接。

5.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，多次熔炼过程均采用真空自耗熔炼，且每次熔炼稳弧电流的波动范围在6A以内。

6.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，步骤二中，在钛合金相变点以上多火次镦拔，加热温度为T_β+30～T_β+50℃，镦粗变形量为40％～45％；在钛合金相变点以下多火次镦拔，加热温度为T_β-50～T_β-20℃，镦粗变形量为38％～43％。

7.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，环轧温度为T_β-50～T_β-30℃，环轧变形量为25-35％。

8.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，退火工艺参数为：加热温度为680～860℃，保温时间4～6h。

9.根据权利要求1所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法，其特征在于，所述步骤五中，机械加工后将环件进行热处理，热处理工艺参数为：加热温度为450～650℃，保温时间6～8h。

10.一种大规格钛合金锁紧环，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的一种大规格钛合金锁紧环的制备方法制备而成。