CN111394669A - 一种减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法 - Google Patents

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张家铭
程磊
陈雨来
程知松
韩盈
王云龙
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Abstract

一种减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，属于金属材料力学冶金领域。该方法的步骤包括：将热轧或冷轧后的钛板带，加热至β相变温度以上0～40℃，保温0.1～10min后冷却至室温，再在原轧制方向施加最后一个轧程的冷轧变形，之后进行再结晶退火，得到轧向和横向的屈服强度差小于35MPa，断后伸长率的绝对偏差小于5％的深冲用纯钛薄板带。本发明制造纯钛薄板带组织中的(0001)基面上织构组分多，晶粒取向差分布图中大角度孪晶界占比高。所制造钛薄板带的屈服强度和断后伸长率的各向异性低，成形性能好。

Description

一种减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法。
背景技术
钛及钛合金由于密度小、比强度高和耐腐蚀性好，在能源、军工和航空航天等领域的应用越来越广泛。经热轧后冷轧退火的TA1薄带主要用于发电站冷凝器和板式换热器等方面，以及家用深冲钛制品的制造领域，产量约占加工材的一半以上。
TA1在常温下属于具有密排六方结构的α-Ti，滑移变形时由柱面<a>滑移和基面<a>滑移共同作用产生二阶棱锥面<c+a>滑移，存在4个独立的滑移系，与立方晶系金属相比，其对称性差，塑性变形机制复杂，所以在冷轧过程中会形成显著的形变织构。在再结晶退火过程中，织构的最大极密度随着退火温度的提高和保温时间的延长而增强，但是织构强度并不会主导试验材料的成形性能，其主要影响因素为织构类型及其分布。具有HCP结构的α-Ti由于层错能较高，中间再结晶退火不易形成退火孪晶。在本发明中，热处理时加热至α→β相变点以上0～40℃易发生孪晶变形，然后快冷导入应变，形成<0001>//ND和
Figure BDA0002467962310000011
//ND孪晶。纯钛中不同变形方式的临界分切应力(CRSS)为：柱面<a>滑移＜基面<a>滑移＜孪生＜锥面<c+a>滑移，所以当进行不同方向的拉伸压缩变形时便会激活不同孪晶，通过调整晶体取向并释放应力集中进一步激发滑移，二者之间的相互作用。对比织构分析可知，取向为<0001>//ND和
Figure BDA0002467962310000012
//ND孪晶的产生会使晶粒取向发生变化，促进基面织构组分的形成，降低各向异性。不同冷变形量和热处理方法会对织构的产生显著影响。通过改变轧制规程和热处理方法来开动更多的滑移、孪生系并促进其相互作用，改善织构类型，削弱织构强度，降低材料力学性能在各方向性能差异，提高材料成形性能。
因此，研究人员提出多种提高钛板成形性的方法。在专利公开文献CN 108994077中介绍了一种多次换向轧制与热处理相结合的方法来削弱TC4钛合金板材的各向异性，但是多次的换向热轧不能应用钛带材的连续生产。日本公开文献JP2016/069543中公开了一种钛材反复多次冷轧和退火来制造表面具有0.1～2.0μm硬化层的钛薄板的方法，使钛薄板具有优异加工性的同时，提高强度、降低塑性的各向异性，但是表面硬化层的存在使延伸率收到一定影响。日本公开文献JP2002/194591中先去除冷轧钛带表面油污，再真空退火得到成形性能优异的纯钛板，正是由于没有氧化硬质层的存在，提高钛薄板的成形性，但没有控制各向异性且机械或化学去油降低生产率及成品率。日本公开文献JP2016/070303通过在钛板表面均匀的形成薄而硬的碳富集层，由此能够在成形过程中使表面产生大量微小的裂纹，缓和成形时的应力集中而显示出优异的成形性能，如果形成粗大裂纹则发生应力集中，引起局部缩颈，且不适用于精细零件。日本公开文献JP2016/070303在钛板最终冷轧和最终退火后再进行轻压下轧制，以控制晶粒尺寸和取向差为60°～70°的晶界数量，得到兼具强度和成形性的钛板。
采用简便易行的工艺方法控制纯钛板带的各向性能，稳定生产成形性能优异的钛板带材具有非常广阔的前景。
发明内容
本发明的目的是提供减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，以改善工业纯钛薄带各向异性严重的问题，避免成形加工时出现制耳、起皱等缺陷。
一种减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，其步骤如下：
步骤(1)：将热轧钛带或冷轧钛带进行相变热处理后得到中间钛带。
步骤(2)：将中间钛带在原轧制方向进行最后一个轧程的冷轧变形。
步骤(3)：对最后轧程得到的钛带实施再结晶退火，得到轧向和横向的屈服强度差小于35MPa，断后伸长率的绝对偏差小于5％的深冲用纯钛薄板带。
进一步地，在步骤(1)中，所述热处理的加热温度为纯钛的α向β相转变温度以上0℃～40℃，加热保温0.1～10min，然后快速冷却至室温。
进一步地，在步骤(2)中，所述最后一个轧程的冷轧累积变形量为15％～70％。
进一步地，经过上述制造方法生产的纯钛板带，具有以下组织特征：(0001)基面织构的极密度高，其余取向织构的峰值强度低，且分布均衡，如图1所示；在取向差角分布图中60°～70°晶界占比约为20～40％，如图2所示。同时，在晶界分布图中发现为60°～70°主要取向为<0001>//ND等轴晶和
Figure BDA0002467962310000021
//ND孪晶的晶界，且孪晶界占比高，如图3所示。
根据需要，可以进一步在步骤(3)再结晶退火后对上述方法制造的钛板带进行平整或拉伸矫直。
本发明的有益效果是：经过上述制造方法生产的纯钛板带，其拉伸力学试验检测，轧向和横向屈服强度差ΔReL小于35MPa，轧向和横向断后伸长率的绝对偏差ΔA小于5％，产品各向异性低，深冲成形性能好，适用于批量生产深冲用的纯钛薄板带。
附图说明
图1制备钛板带的(0001)基面极图，
图2晶界取向差角分布图，
图3晶界角60°～70°的晶界分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
厚度3.5mm的热轧TA1工业纯钛板带，各化学成分的质量分数为：C≤0.07％；N≤0.05％；O≤0.11％；H≤0.015％；Fe≤0.15％；其他元素≤0.40％；余量为钛。其α→β相变温度为890℃。
减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法所采用的步骤包括：
取表面抛丸酸洗过的上述热轧TA1工业纯钛板带a、b和c，三块分别送入冷轧机实施单向纵轧，至厚度1.1mm的中间坯。将中间坯分别进行热处理：中间坯a(工艺1)加热至650℃再结晶退火后保护气氛下快速气体冷却；中间坯b(工艺2)加热至920℃，保温0.5～5min后气体冷却；中间坯c(工艺3)采用两次热处理，每次都加热至920℃，保温0.5～5min后再气体冷却至室温。
将三块中间坯分别进行最终轧程的冷轧变形，累计变形量为36％，轧制结束时坯料厚度为0.7mm。钛带轧制方向与上述热处理前的轧制方向一致。之后，加热至640℃实施再结晶退火，风冷降温至室温。
本实施例制备得到TA1薄带a、b和c，测得的横向(TD)和轧向(RD)拉伸力学性能如表1所示，无论是强度指标还是塑性指标(延伸率)均存在最小的各向异性，综合力学性能最好。对三种工艺获得薄板带进行XRD分析，其中b(工艺2)薄带基面织构组分多，峰值密度低，取向差60°～70°晶界的比例达到36.9％，且大角度孪晶界占比高。
表1不同热处理工艺所得TA1薄带的力学性能
Figure BDA0002467962310000041
实施例2
厚度为4.0mm的热轧、抛丸、酸洗后的TA1工业纯钛板带，各化学成分的质量分数为：C≤0.08％；N≤0.05％；O≤0.10％；H≤0.010％；Fe≤0.12％；其他元素≤0.40％；余量为钛。其α→β相变温度为895℃。
减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法所采用的步骤包括：
取三块合格的冷轧TA1坯料d、e和f，送入冷轧机实施单向纵轧至1.6mm厚。将中间坯分别进行热处理：中间坯d(工艺4)加热至650℃再结晶退火，之后在保护气氛下气体冷却；中间坯e(工艺5)加热至900℃，保温1～10min后气体冷却；中间坯f(工艺6)采用两次热处理，每次都加热至900℃，保温1～10min后再气体冷却至室温。
将三块中间坯进行最后一个轧程，冷轧累计变形量56％，至厚度0.7mm。轧制方法与热处理前的轧制方向一致。将中间坯在640℃实施再结晶退火，之后风冷。本实施例制备得到TA1薄带d、e和f的横向(TD)和轧向(RD)拉伸力学性能如表2所示。无论是强度指标还是塑性指标(延伸率)均存在最小的各向异性，综合力学性能最好。对三种工艺获得薄板带进行XRD分析，其中e(工艺5)薄带基面织构组分多，峰值密度低，取向差60°～70°晶界的比例达到29.8％，且大角度孪晶界占比高。
表2不同热处理工艺所得TA1薄带的力学性能
Figure BDA0002467962310000051

Claims (4)

1.一种减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：将热轧钛带或冷轧钛带进行相变热处理后得到中间钛带；
步骤(2)：将中间钛带在原轧制方向进行最后一个轧程的冷轧变形；
步骤(3)：对最后轧程得到的钛带实施再结晶退火，得到轧向和横向的屈服强度差小于35MPa，断后伸长率的绝对偏差小于5％的深冲用纯钛薄板带。
2.根据权利要求1所述的减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，其特征在于：步骤(1)中的热处理，其加热温度为纯钛的α向β相转变温度以上0℃～40℃，加热保温0.1～10min，然后快速冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，其特征在于：步骤(2)最后一个轧程的冷轧累积变形量为15％～70％。
4.根据权利要求1所述的减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，其特征在于：步骤(3)中得到的纯钛薄板带的组织特征为(0001)基面织构的极密度高，其余取向织构的峰值强度低，且分布均衡；晶界取向差为60°～70°ˉˉ
范围内的晶界占20～40％，为取向为<0001>//ND的等轴晶及取向<2110>//ND的孪晶为主的晶界。
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