CN111069330A - 一种钛合金l型角材制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钛合金型材制备工艺，针对α型钛合金L型不等边角材轧制存在主要问题是：①α型钛合金属于难变形钛合金，在两相区变形，表面容易出现裂纹，坯料表面难以清理；②加工温度范围窄，成品必须保证在相变点以下有足够的变形量，否则塑性较差，形状及弯曲等难以控制；③型材厚度比较薄，轧制过程极易温降。采取以下技术路线，采用采用大型轧机制造坯料、大型设备集中清理表面；设计专用不等边角材孔型，在420轧机进行道次大变形量热轧；设计专用矫直辊，采用热矫直或电加热张力矫直；表面采用喷砂+酸洗得到光亮材，最后经真空去氢处理。本发明的有益效果：角材的尺寸、形状以及弯曲度符合设计要求，力学性能良好；具有生产效率高、成材率高及经济效益良好的特点。

Description

一种钛合金L型角材制备工艺
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种钛合金L型角材制备工艺，针对钛合金的热加工。
背景技术
钛及钛合金具有比强度高、耐蚀、耐高温、无磁、可焊等优异的性能，只是由于价格昂贵限制了应用。相对其它金属材料，钛合金的规模比较小，型材、异型材品种一直是空白。钛合金型材可采用机加、折弯和焊接方式制作，但是机加对材料利用率太低，机加效率也比较低；虽然可采用折弯工艺生产角型材，但板条需要加热，否则角部产生裂纹，折弯设备的长度较短，型材的长度受到限制；通过焊接方式将板条连接制作的角材，角部的组织和性能较差。关于钛合金型材的加工工艺研究，国外始于上世纪五十年代，我国始于七十年代，集中在挤压工艺研究上，仅满足航空航天领域的应用，目前美、俄和中国具有钛合金挤压型材的生产能力。钛合金挤压生产型材，存在加热温度高、润滑困难、模具易粘连、生产效率较低等问题。对于形状简单的开口式型材，应采用生产效率较高的轧制工艺生产。但是对于α型钛合金L型不等边角材轧制存在主要问题是：①α型钛合金属于难变形钛合金，在两相区变形，表面容易出现裂纹，坯料表面难以清理；②加工温度范围窄，成品必须保证在相变点以下有足够的变形量，否则塑性较差，形状及弯曲等难以控制；③型材厚度比较薄，轧制过程极易温降。有关钛合金型材的轧制，目前仍属探索阶段。
发明内容
本发明公开一种钛合金型材制备工艺，采取以下技术路线，可轧制一种α型钛合金L型不等边角材。角材的技术要求见表1，形状见附图1。
表1
指标 σ<sub>b</sub>MPa σ<sub>0.2</sub>MPa δ％ 弯曲 [H]
要求 ≥680 ≥580 ≥12 ≤3mm/m ≤0.012％
具体技术路线如下：
(1)坯料制备：TA5合金是一种α型钛合金，加工过程表面容易出现裂纹，采用特殊的制坯方式。首先将3次真空自耗熔炼的TA5合金铸锭，在快锻机上开坯至100mm～150mm厚度的坯料，开坯过程中除第1火的加热温度在相变点以上150℃～200℃外，其余火次温度为相变点以上30℃～80℃，火次变形量50％以上，充分细化组织。
采用大型轧机将快锻机开坯的坯料轧制到10mm～15mm厚，2～3火轧制完成，轧制加热温度为相变点以上30℃～80℃，火次变形量60％以上；中间进行冷修磨，在大型修磨设备上进行集中修磨表面，修磨后经水切割设备或剪切机，切成符合尺寸要求的扁方坯料；扁方坯料要进行侧边的倒棱，不应有毛刺。
(2)轧制：根据成品尺寸规格，针对420轧辊，设计了4个轧制孔型(见图2、图3、图4、图5)，避免道次多轧制温度低成品表面出现裂纹；为防止型材弯曲，轧机出口设计了专用导位。
轧制温度为相变点以上20℃～50℃，加热时间20min～30min，避免长时间加热表面氧化严重；终轧温度大于750℃，成品轧制过程变形量大于50％，保证成品塑性良好。
(3)矫直：轧制的角材弯曲，需要进行矫直，为保证矫直效率，采用辊式矫直机矫直，根据成品的尺寸形状，设计了专用的矫直辊，安装在十一辊矫直机上；采用加热矫直，加热温度700℃～800℃，经过矫直，使矫材弯曲度在4mm/m以下，无明显扭拧度，可满足一般使用要求。
对于弯曲度要求较高的，可采用电加热张力矫直，加热温度700℃左右，保温2min～5min，缓慢加力，保持20min～30min左右，缓慢降低电流。
(4)采用龙门刨床或水切割设备，按尺寸要求将角材的两个侧边多余尺寸刨除。
(5)表面光亮处理：先采用喷砂工艺去除表面氧化皮，喷砂压力5个气压～10个气压，喷砂时间5min～10min，充分去除表面氧化皮；然后进行酸洗，酸洗溶液为5％HF+15％HNO3+85％H2O，酸洗时间5min～15min，去除表面吸气层。
(6)真空去氢处理α钛合金对氢脆很敏感，对氢含量有严格要求，使用前进行真空去氢处理；对成品角材制作专用放料架，角材按层摆放，将摆放好的角材置放在真空退火炉中，真空退火加热温度600℃～700℃，保温时间4h～8h。
本发明创新点：
1)针对特定的型材尺寸，本发明设计了专用孔型(见图2、图3、图4、图5)。为避免型材表面产生裂纹，仅设计了4道次轧制，道次变形量较大，利用大变形量的温升作用减缓多道次轧制温降。
2)α钛合金易产生裂纹，坯料表面难以清理，本发明采用大型轧机制造坯料，然后采用剪切或水切的方式下料；大尺寸坯料温降慢，表面不易产生裂纹，成材率高；大尺寸坯料便于采用大型设备集中清理表面，生产效率高。
3)本发明设计了专用的矫直辊，经过700-800℃的加热矫直，角材的形状规整，弯曲度小于3mm/m。
4)本发明采用喷砂+酸洗清理表面氧化皮和吸气层，避免了钛合金碱洗时穿孔产生废品。
5)本发明对角材进行了真空去氢处理。为进行真空处理，设计了料架，既有利于角材去氢，同时避免角材去氢处理时发生弯曲。
本发明的有益效果：
能够生产长度3m以上的L型不等边角材，具有生产效率高、成材率高及经济效益良好的特点，加工的L型不等边角材具有广阔应用前景。
附图说明
图1为不等边角材示意图；
图2为专用孔型I；
图3为专用孔型II；
图4为专用孔型III；
图5为专用孔型IV。
具体实施方式
结合具体实施例详细说明本发明。
实施例1：
TA5钛合金不等边角材L20*50*5生产(见图1)
(1)将TA5合金φ700mm铸锭，在快锻机上进行开坯；第1火加热1160℃温度，第1火将铸锭开坯至φ380mm，变形量约62％，第2火变加热温度1060℃，将φ380mm一火锻至φ200mm，变形量约73％，第3火变加热温度1030℃，将φ200mm一火锻至120mm厚坯料，变形量约64％；带锯冷下料段，修磨表面至无裂纹无吸气层。
然后在大型轧机上，分3火轧制至15mm厚坯料，轧制加热温度1030℃，变形量70％。中间采用大型磨床集中表面修磨；对修磨后的15mm厚坯料，在剪板机按所需尺寸切割坯料，切割后的坯料侧边倒棱，不应有毛刺。
(2)角材轧制：在420轧机上进行轧制，轧机设计了相应轧制孔型，专门制作了防侧弯的出口导位装置。
轧制温度为相变点以上的20℃～50℃，加热时间30min，终轧温度大于750℃，一火轧制完成，成品轧制过程变形量约67％。
(3)矫直：采用电加热张力矫直，加热温度700℃，保温2min，缓慢加力，保持2min～5min左右，缓慢降低电流；角材弯曲度为2mm/m。
(4)在龙门刨床上，按尺寸要求将角材的两个侧边多余尺寸刨掉。
(5)表面光亮处理：先采用喷砂工艺去除表面氧化皮。喷砂压力5个气压～10个气压，喷砂时间10min；然后在配制好的HF+HNO3溶液中进行酸洗，酸洗时间10min。
(6)将成品角材平放在专门制作的料架上，角材按层摆放，将摆放好的角材置放在真空退火炉中，真空退火加热温度650℃，保温时间5h。
(7)退火后，在成品的侧边上切取试样检验性能及气体成分等，结果见表2。
表2
代号 σ<sub>b</sub>MPa σ<sub>0.2</sub>MPa δ％ 弯曲 [H]
1 743 640 16.5 合格 0.0027％
2 742 644 14.5 合格 0.0028％
实施例2
TA5钛合金不等边角材L30*80*4生产(见图1)
(1)将TA5合金φ700mm铸锭，在快锻机上进行开坯；第1火加热1160℃温度，第1火将铸锭开坯至φ380mm，变形量约62％，第2火变加热温度1060℃，将φ380mm一火锻至φ200mm，变形量约73％，第3火变加热温度1030℃，将φ200mm一火锻至120mm厚坯料，变形量约64％；带锯冷下料段，修磨表面至无裂纹无吸气层。
然后在大型轧机上，分3火轧制至12mm厚坯料，轧制加热温度1030℃，变形量70％，中间采用大型磨床集中表面修磨；对修磨后的12mm厚坯料，在剪板机按所需尺寸切割坯料，切割后的坯料侧边倒棱，不应有毛刺。
(2)角材轧制：在420轧机上进行轧制，轧机设计了相应轧制孔型，专门制作了防侧弯的出口导位装置；轧制温度为相变点以上的20℃～50℃，加热时间20min～30min，终轧温度大于750℃，一火轧制完成，成品轧制过程变形量约67％。
(3)矫直：采用加热矫直，加热温度750℃～800℃，在安装专用矫直孔型的矫直机上，经过矫直，角材弯曲度为3mm/m。
(4)在水切割机上，按尺寸要求切掉角材两个侧边的多余尺寸。
(5)表面光亮处理：先采用喷砂工艺去除表面氧化皮，喷砂压力5个气压～10个气压，喷砂时间10min；然后在配制好的HF+HN03溶液中进行酸洗，酸洗时间10min。
(6)将成品角材平放在专门制作的料架上，角材按层摆放，将摆放好的角材置放在真空退火炉中，真空退火加热温度650℃，保温时间5h。
(7)退火后，在成品的侧边上切取试样检验性能及气体成分等，结果见表3。
表3
Figure BDA0002306070180000041
Figure BDA0002306070180000051

Claims (4)

1.一种钛合金L型角材制备工艺，其特征在于：制备工艺路线为经三次真空自耗熔炼合金铸锭，由快锻机、大型轧机大变形量开坯，开坯过程中间在大型修磨设备上进行集中冷修磨表面，在设计了专门孔型的420轧机上大变形量轧制角材，设计专用矫直辊采用加热矫直或电加热张力矫直；表面采用喷砂+酸洗得到光亮表面，最后经真空去氢处理，得到表面光亮无污染的L型不等边角材。
2.根据权利要求1所述一种钛合金L型角材制备工艺，其特征在于：
(1)坯料制备：首先将3次真空自耗熔炼的TA5合金铸锭，在快锻机上开坯至100mm～150mm厚度的坯料，开坯过程中除第1火的加热温度在相变点以上150℃～200℃外，其余火次温度为相变点以上30℃～80℃，火次变形量50％以上，充分细化组织；采用大型轧机将快锻机开坯的坯料轧制到10mm～15mm厚，2～3火轧制完成，轧制加热温度为相变点以上30℃～80℃，火次变形量60％以上；中间进行冷修磨，在大型修磨设备上进行集中修磨表面，修磨后经水切割设备或剪切机，切成符合尺寸要求的扁方坯料；扁方坯料要进行侧边的倒棱，不应有毛刺；
(2)轧制：根据成品尺寸规格，针对420轧辊设计4个轧制孔型，避免道次多轧制温度低成品表面出现裂纹；为防止型材弯曲，轧机出口设计了专用导位；轧制温度为相变点以上20℃～50℃，加热时间20min～30min，避免长时间加热表面氧化严重；终轧温度大于750℃，成品轧制过程变形量大于50％；
(3)矫直：采用辊式矫直机矫直轧制角材，设计的专用矫直辊安装在十一辊矫直机上；采用加热矫直，加热温度700℃～800℃，经过矫直，使矫材弯曲度在4mm/m以下，无明显扭拧度；对于弯曲度要求较高的，采用电加热张力矫直，加热温度700℃左右，保温2min～5min，缓慢加力，保持20min～30min左右，缓慢降低电流；
(4)采用龙门刨床或水切割设备，按尺寸要求将角材的两个侧边多余尺寸刨除；
(5)表面光亮处理：先采用喷砂工艺去除表面氧化皮，喷砂压力5个气压～10个气压，喷砂时间5min～10min，充分去除表面氧化皮；然后进行酸洗，酸洗溶液为5％HF+15％HNO3+85％H2O，酸洗时间5min～15min，去除表面吸气层；
(6)真空去氢处理：使用前进行真空去氢处理；角材按层摆放在专用放料架上，之后置放在真空退火炉中，真空退火加热温度600℃～700℃，保温时间4h～8h。
3.根据权利要求1或2所述一种钛合金L型角材制备工艺，其特征在于：
(1)将TA5合金φ700mm铸锭，在快锻机上进行开坯；第1火加热1160℃温度，第1火将铸锭开坯至φ380mm，变形量约62％，第2火变加热温度1060℃，将φ380mm一火锻至φ200mm，变形量约73％，第3火变加热温度1030℃，将φ200mm一火锻至120mm厚坯料，变形量约64％；带锯冷下料段，修磨表面至无裂纹无吸气层；然后在大型轧机上，分3火轧制至15mm厚坯料，轧制加热温度1030℃，变形量70％；中间采用大型磨床集中表面修磨；对修磨后的15mm厚坯料，在剪板机按所需尺寸切割坯料，切割后的坯料侧边倒棱，不应有毛刺；
(2)角材轧制：在420轧机上进行轧制，轧机设计了相应轧制孔型，专门制作了防侧弯的出口导位装置；轧制温度为相变点以上的20℃～50℃，加热时间30min，终轧温度大于750℃，一火轧制完成，成品轧制过程变形量约67％；
(3)矫直：采用电加热张力矫直，加热温度700℃，保温2min，缓慢加力，保持2min～5min左右，缓慢降低电流；角材弯曲度为2mm/m；
(4)在龙门刨床上，按尺寸要求将角材的两个侧边多余尺寸刨掉；
(5)表面光亮处理：先采用喷砂工艺去除表面氧化皮，喷砂压力5个气压～10个气压，喷砂时间10min；然后在配制好的HF+HNO3溶液中进行酸洗，酸洗时间10min；
(6)将成品角材L20*50*5按层平放在专门制作的料架上，将摆放好的角材置放在真空退火炉中，真空退火加热温度650℃，保温时间5h。
4.根据权利要求1或2所述一种钛合金L型角材制备工艺，其特征在于：
(1)将TA5合金φ700mm铸锭，在快锻机上进行开坯；第1火加热1160℃温度，第1火将铸锭开坯至φ380mm，变形量约62％，第2火变加热温度1060℃，将φ380mm一火锻至φ200mm，变形量约73％，第3火变加热温度1030℃，将φ200mm一火锻至120mm厚坯料，变形量约64％；带锯冷下料段，修磨表面至无裂纹无吸气层；然后在大型轧机上，分3火轧制至12mm厚坯料，轧制加热温度1030℃，变形量70％，中间采用大型磨床集中表面修磨；对修磨后的12mm厚坯料，在剪板机按所需尺寸切割坯料，切割后的坯料侧边倒棱，不应有毛刺；
(2)角材轧制：在420轧机上进行轧制，轧机设计了相应轧制孔型，专门制作了防侧弯的出口导位装置；轧制温度为相变点以上的20℃～50℃，加热时间20min～30min，终轧温度大于750℃，一火轧制完成，成品轧制过程变形量约67％；
(3)矫直：采用加热矫直，加热温度750℃～800℃，在安装专用矫直孔型的矫直机上，经过矫直，角材弯曲度为3mm/m；
(4)在水切割机上，按尺寸要求切掉角材两个侧边的多余尺寸；
(5)表面光亮处理：先采用喷砂工艺去除表面氧化皮，喷砂压力5个气压～10个气压，喷砂时间10min；然后在配制好的HF+HNO3溶液中进行酸洗，酸洗时间10min；
(6)将成品角材L20*50*5按层平放在专门制作的料架上，将摆放好的角材置放在真空退火炉中，真空退火加热温度650℃，保温时间5h。
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