CN111299572B - 一种钛及钛合金无缝管的生产方法 - Google Patents

一种钛及钛合金无缝管的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供了一种钛及钛合金无缝管的生产方法，包括如下步骤：步骤一：冷等静压坯体制备；步骤二：真空烧结；步骤三：管坯锻造或轧制。本发明创造所述的钛及钛合金无缝管的生产方法，以利用粉末冶金方法制备钛管坯，然后利用锻造或挤压轧制进行钛管件的生产，工艺简单，管坯烧结温度低，组织颗粒均匀细小，力学性能优异。

Description

一种钛及钛合金无缝管的生产方法
技术领域
本发明创造属于钛及钛合金加工技术领域，尤其是涉及一种钛及钛合金无缝管的生产方法。
背景技术
钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐热性强、耐腐蚀性好、无磁、超导、形状记忆、生物相容性好等优异性能，广泛应用在航空航天航海等领域。钛管件是常用的钛合金型材之一，常规生产方法为熔炼成棒后斜轧穿孔，然后经轧制或锻造得到成品管件，该工艺虽然已经十分成熟，但由于需要穿孔，加工成本较高，同时对材料利用率较低。
专利201910426027.X公开了一种钛合金无缝管短流程化加工方法，在传统无缝管生产线上增加钛坯加热炉,用环形加热炉加热钢坯,钛坯加热炉加热探伤合格的钛坯。在计划轧制的钛管和钢管规格相同时,从钢管轧制可直接切换至钛管轧制。切换时,对穿孔机导板、顶头和轧管机芯棒或顶头做润滑处理,轧制后的毛管根据温降选择经电感应补热后减定径,或直接减定径轧制,再经温矫直、冷却、磨光或无心车削,可以生产高质量钛合金管。但工艺繁琐且仍未能脱离传统制备工艺。
专利201710991041.5公开了一种钛管的生产方法，选用TC4钛合金为原料；步骤2,采用熔炼、锻造及挤压将TC4钛合金原料制成管坯；步骤3,对步骤2制成的管坯进行轧制、拉拔及退火处理；步骤4,对经步骤3处理后的钛管进行矫直处理。该工艺仅对轧制及退火工艺进行了规定，未对整体工艺进行改进。
专利201710828601.5公开了一种大口径薄壁钛无缝管的生产方法，a、制备外径200～400mm、壁厚16～40mm钛管；b、去除钛管内外表面渗气层,抛光钛管外表面；c、在钛管内表面涂抹润滑剂；d、在钛管所用原料相变温度以下对钛管进行感应加热并推制；e、再结晶退火,然后酸洗；f、重复步骤b-e直至得到外径400～800mm的钛管；g、将酸洗后的钛管内外表面涂抹润滑剂,然后进行冷拔；h、再结晶退火,然后酸洗；i、重复步骤g、h直至得到壁厚3～16mm的钛管；j、所得钛管进行真空退火处理得到钛管成品。该工艺仍需外径200～400mm、壁厚16～40mm钛管作为原料，工艺较为复杂。
但是，利用传统的钛及钛合金管件的方法工艺复杂，且管坯烧结温度高，组织颗粒较大，力学性能不太理想。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种钛及钛合金无缝管的生产方法，以利用粉末冶金方法制备钛管坯，然后利用锻造或挤压轧制进行钛管件的生产，工艺简单，管坯烧结温度低，组织颗粒均匀细小，力学性能优异。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种钛及钛合金无缝管的生产方法，包括如下步骤：
步骤一：冷等静压坯体制备：在氩气保护气氛下，将粒径尺寸在5-15微米的含钛粉末装入管坯模具中，经过冷等静压得到压坯；
利用粉末冶金技术得到压坯，避免了棒材穿孔的繁琐工艺，提高了材料利用率，减少了加工过程的原料损失。
采用原料为粒径尺寸在5-15微米的含钛粉末，保证制备后的管材具有细小的晶粒组织，可以提高其力学性能。若粒径尺寸太大，则后续制备的管材组织颗粒较大，则会导致后续制备的管材力学性能较差；若粒径尺寸太小，成品率低；而粒径在5-15微米的粉末原料，可以同时满足管材细小组织颗粒、较高力学性能及成品率高的要求。
冷等静压坯体制备的过程中使用氩气保护气，防止空气和氮气带来的增氧增氮风险，保证粉末纯净度，提高后续制备的管材的力学性能。
步骤二：真空烧结：将步骤一得到的压坯置于真空炉中，在烧结温度为1000-1200℃，真空度为10-2-10-3Pa的条件下保温，得到管坯；
压坯烧结温度为1000-1200℃，在该温度下烧结得到的管坯为相对密度在97％-98％的粉末冶金烧结锭。烧结锭存在一定的孔隙，可以阻碍在后续锻造过程和加热过程中晶粒的长大，将晶粒尺寸控制在较小水平10-30微米之间，进而提高锻造后管材的力学性能。
步骤三：管坯锻造或轧制：将步骤二得到的管坯放入加热炉中加热，在温度为900-1200℃条件下保温，然后锻造或轧机中轧制成含钛无缝管管材。
本工艺的管坯烧结温度低，热加工要求低，成品率高，并且得到的管材组织颗粒均匀，粒径尺寸在10-30微米之间，抗拉强度1000MPa以上，屈服强度900MPa以上，延伸率15％以上，力学性能优异。
所述步骤一中的含钛粉末为氢化钛粉，所述步骤三中的含钛无缝管管材为钛无缝管管材。
所述步骤一中的含钛粉末为钛合金粉，所述步骤三中的含钛无缝管管材为钛合金无缝管管材。
所述步骤一中冷等静压的压力为150-200MPa，保压时间为5-8min。
所述步骤二中保温时间为3-8小时。
所述步骤三中保温时间为1-2h。
所述步骤二中得到的管坯外径为100mm-500mm，壁厚为15-50mm
所述步骤二中得到的管坯相对密度为97％-98％。
相对于现有技术，本发明创造所述的钛及钛合金无缝管的生产方法具有以下优势：
(1)本发明所述的钛及钛合金无缝管的生产方法，利用粉末冶金方法制备钛管坯，然后利用锻造或挤压轧制进行钛管件的生产，工艺简单，管坯烧结温度低，组织颗粒均匀细小，力学性能优异。
(2)本发明所述的钛及钛合金无缝管的生产方法，利用粉末冶金技术得到压坯，避免了棒材穿孔的繁琐工艺，提高了材料利用率，减少了加工过程的原料损失。
(3)本发明所述的钛及钛合金无缝管的生产方法，本工艺的管坯烧结温度低，热加工要求低，成品率高，并且得到的管材组织颗粒均匀，粒径尺寸在10-30微米之间，抗拉强度1000MPa以上，屈服强度900MPa以上，延伸率15％以上，力学性能优异。
(4)本发明所述的钛及钛合金无缝管的生产方法，冷等静压坯体制备的过程中使用氩气保护气，防止空气和氮气带来的增氧增氮风险，保证粉末纯净度，提高后续制备的管材的力学性能。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明创造。
实施例1
生产直径φ100mm*15mm的管材：
步骤一：冷等静压坯体制备：在氩气保护下将粒径尺寸约5微米的TC4钛合金粉装入外径100mm，壁厚15mm的管坯模具中，经过150MPa，5min保压的冷等静压得到压坯；
步骤二：真空烧结：将所得压坯置于真空炉中，在烧结温度1000℃，真空度10-3Pa的条件下，保温3小时，得到外径100mm，壁厚15mm的TC4钛合金管坯。
步骤三：管坯锻造：将管坯放入加热炉中加热，温度900℃，保温时间1h，然后在精锻机中锻造成管材。
实施例2
生产直径φ500mm*50mm的TB6管材：
步骤一：冷等静压坯体制备：在氩气保护下将粒径尺寸约12微米TB6钛合金粉装入外径500mm，壁厚50mm的管坯模具中，经过200MPa，8min保压的冷等静压得到压坯；
步骤二：真空烧结：将所得压坯置于真空炉中，在烧结温度1200℃，真空度10-2Pa的条件下，保温8小时，得到外径500mm，壁厚50mm的TB6钛合金管坯。
步骤三：管坯轧制：将管坯放入加热炉中加热，温度1200℃，保温时间2h，然后在热轧机中轧制成管材。
实施例3
生产直径φ100mm*50mm的TA2管材：
步骤一：冷等静压坯体制备：在氩气保护下将粒径尺寸约8微米的TA2纯钛粉装入外径100mm，壁厚50mm的管坯模具中，经过180MPa，6min保压的冷等静压得到压坯；
步骤二：真空烧结：将所得压坯置于真空炉中，在烧结温度1100℃，真空度10-2Pa的条件下，保温5小时，得到外径100mm，壁厚50mm的TA2纯钛管坯。
步骤三：管坯轧制：将管坯放入加热炉中加热，温度1100℃，保温时间1.5h，然后在经普通锻造成管材。
实施例4
生产直径φ500mm*15mm的TC11管材：
步骤一：冷等静压坯体制备：在氩气保护下将粒径尺寸约14微米的TC11钛合金粉装入外径500mm，壁厚15mm的管坯模具中，经过190MPa，7min保压的冷等静压得到压坯；
步骤二：真空烧结：将所得压坯置于真空炉中，在烧结温度1050℃，真空度5.0×10-3Pa的条件下，保温4小时，得到外径500mm，壁厚15mm的TC11钛合金管坯。
步骤三：管坯轧制：将管坯放入加热炉中加热，温度1200℃，保温时间1h，然后在热轧机中轧制成管材。
实施例5
生产直径φ240mm*30mm的TC4管材：
步骤一：冷等静压坯体制备：在氩气保护下将粒径尺寸约6微米的TC4钛合金粉装入外径240mm，壁厚30mm的管坯模具中，经过170MPa，5min保压的冷等静压得到压坯；
步骤二：真空烧结：将所得压坯置于真空炉中，在烧结温度1180℃，真空度3.0×10-3Pa的条件下，保温7小时，得到外径240mm，壁厚30mm的TC4钛合金管坯。
步骤三：管坯轧制：将管坯放入加热炉中加热，温度1050℃，保温时间1h，然后在精锻机中锻造成管材。
对比例
使用常规生产方法生产钛及钛合金管件：
步骤一：取钛质量分数不低于99.8％的海绵钛铸锭；步骤二：将海绵钛铸锭放入真空电弧熔炼炉中高温1500℃熔炼成棒后斜轧穿孔；步骤三：穿孔完成后经轧制或锻造得到成品管材。
将实施例1-5及对比例1得到的管材进行性能测试，结果如表1所示：
表1实施例与对比例实验数据对比表
Figure GDA0002341433660000051
Figure GDA0002341433660000061
由上表所示，相较于现有技术，本发明所述的钛及钛合金无缝管的生产方法，利用粉末冶金技术得到压坯，避免了棒材穿孔的繁琐工艺，提高了材料利用率，减少了加工过程的原料损失。本工艺烧结温度低，热加工要求低，并且得到的管材组织颗粒均匀，粒径尺寸在10-30微米之间，抗拉强度1000MPa以上，屈服强度900MPa以上，延伸率15％以上，力学性能优异。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种钛及钛合金无缝管的生产方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：冷等静压坯体制备：在氩气保护气氛下，将粒径尺寸在5-15微米的含钛粉末装入管坯模具中，经过压力为150-200MPa冷等静压，通过保压时间为5-8min得到压坯；
步骤二：真空烧结：将步骤一得到的压坯置于真空炉中，在烧结温度为1000-1200℃，真空度为10-2-10-3Pa的条件下保温，得到管坯；
步骤三：管坯锻造或轧制：将步骤二得到的管坯放入加热炉中加热，在温度为900-1200℃条件下保温，保温1-2h，然后锻造或轧机中轧制成含钛无缝管管材；
所述步骤一中的含钛粉末为氢化钛粉，所述步骤三中的含钛无缝管管材为钛无缝管管材。
2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金无缝管的生产方法，其特征在于：所述步骤一中的含钛粉末为钛合金粉，所述步骤三中的含钛无缝管管材为钛合金无缝管管材。
3.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金无缝管的生产方法，其特征在于：所述步骤二中保温时间为3-8小时。
4.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金无缝管的生产方法，其特征在于：所述步骤二中得到的管坯外径为100mm-500mm，壁厚为15-50mm。
5.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金无缝管的生产方法，其特征在于：所述步骤二中得到的管坯相对密度为97％-98％。
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