CN111531177B - 一种短流程、低成本tc4钛合金管材制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型TC4钛合金管材制备工艺，具有以下步骤：步骤a、粉末冶金制管坯；步骤b、径向锻造。在所述步骤a中，以钛粉为原料，并附以混料，通过粉末冶金烧结方法制得TC4钛合金管坯。本发明通过粉末冶金制管坯、及径向锻造制得TC4钛合金管材，在保证管材性能的前提下，去除了原常规制备工艺的熔炼、棒材锻造生产流程，克服了传统的管材热轧轧制道次多，成品管材的加工周期长，加工成本高的缺点，可快捷高效的进行大规格管材的生产，缩短生产周期，降低成本，并且同时也减少熔炼和棒材锻造工序带来的不可避免的环境污染成本。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金管材制备领域，尤其涉及一种短流程、低成本TC4钛合金管材制备工艺。
背景技术
钛合金和其他金属相比较具有比强度高，耐腐蚀性好适用于温度宽等优势，被应用于航空、航天、海洋、石油、化工、医药等行业。但是由于钛材的活性较高、变形抗力大、加工温区窄，钛合金管材加工往往需要专门的加工设备和复杂而严格的加工技术条件。
常规生产工序依次包括熔炼→棒材锻造→制管坯→径向锻造管材，生产工序多、成本高，并且熔炼和锻造工序复杂、周期长，对环境造成的污染严重。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种新型TC4钛合金管材制备工艺，包括粉末冶金制管坯及径向锻造步骤。相较于常规生产工艺，在保证同等管材性能的前提下，降低了生产工序，节约了成本，减少了环境污染，具有较高的推广价值。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种新型TC4钛合金管材制备工艺，其特征在于：具有以下步骤：步骤a、粉末冶金制管坯；步骤b、径向锻造。
优选的，在所述步骤a中，以钛粉为原料，并附以混料，通过粉末冶金烧结方法制得TC4钛合金管坯。
优选的，在所述步骤b中，将上述TC4钛合金管坯加热至β相变点温度以上50～150℃，保温30～60min，进行一火次径向锻造，锻造加工量小于30％，制得初级锻造管材；继续将初级锻造管材加热至β相变点温度以下10～100℃，保温30～60min进行二火次径向锻造，锻造加工量大于60％，制得中间锻造管材；继续将中间锻造管材加热至β相变点温度以下10～100℃，保温30～60min进行三火次径向锻造，锻造加工量大于50％，制得所述TC4钛合金管材。
优选的，在所述步骤a中，所述粉末冶金烧结方式包括混合烧结和回火烧结。
优选的，在所述步骤a中，所述混料包括Al：5.5％-6.75％、V：3.5％-4.5％。
本发明的有益效果是：(1)本发明通过粉末冶金制管坯、及径向锻造制得TC4钛合金管材，在保证管材性能的前提下，去除了原常规制备工艺的熔炼、棒材锻造生产流程，克服了传统的管材热轧轧制道次多，成品管材的加工周期长，加工成本高的缺点，可快捷高效的进行大规格管材的生产，缩短生产周期，降低成本，并且同时也减少熔炼和棒材锻造工序带来的不可避免的环境污染成本。(2)该工艺方法，结构简单，径向锻造方便；采用低成本管坯，经过高、低温两火次径向锻造工艺方式，制得变形均匀且高强度无缝管材，提高了金属在过程中的变形均匀性，保证钛合金管材尺寸均匀性，保证了表面质量，提高了管材料成材率。
附图说明
图1为本发明实施例二制得管坯纵向金相组织图。
图2为本发明实施例二制得管坯横向金相组织图。
图3为本发明实施例一采用粉末冶金混合烧结制得的TC4钛合金管材显微组织图。
图4为本发明实施例二采用粉末冶金回火烧结制得的TC4钛合金管材显微组织图。
图5为本发明实施例一与常规生产制得的TC4钛合金管材金相组织对比图。
图6为本发明实施例二与常规生产制得的TC4钛合金管材金相组织对比图。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
TC4钛合金管坯的组织为Ti-6AI-4V，属于α+β型钛合金，具有优良的综合力学机械性能，是应用广泛的钛合金材料。其是以通过镁还原的方式对海绵钛进行提炼，得到钛粉原料，并附以混料(主要包括Al：5.5％-6.75％、V：3.5％-4.5％)制得。
实施例一
一种新型TC4钛合金管材制备工艺，包括以下步骤：
a、粉末冶金制坯
选用Al：6％、V：4％，其余为钛粉，通过粉末冶金混合烧结方法制得规格为Φ260×40×1200mm的TC4钛合金管坯；
b、径向锻造
将上述TC4钛合金管坯加热至β相变点(本实施例中为985℃)温度以上80℃(即为1065℃)，保温50min，进行一火次径向锻造，锻造加工量为28％，得到初级锻造管材，TC4钛合金管坯在一火次径向变形过程中使原内部气体排出，组织更为致密；
继续将初级锻造管材加热至β相变点温度以下940℃，保温40min，并进行二火次径向锻造，锻造加工量为65％，制得中间锻造管材；
将中间锻造管材加热至β相变点以下，温度为940℃，保温时间40min，径向锻造加工量在60％，获得规格为Φ200×30mm的所述TC4钛合金管材。
实施例二
一种新型TC4钛合金管材制备工艺，包括以下步骤：
a、粉末冶金制坯
选用Al：6.5％、V：4.3％，其余为钛粉，通过粉末冶金回火烧结方法制得规格为Φ260×40×1200mm的TC4钛合金管坯；
b、径向锻造
将上述管坯加热至β相变点(本实施例中为985℃)温度以上100℃(即为1085℃)，保温60min，进行一火次径向锻造，锻造加工量为26％，得到初级锻造管材；
继续将初级锻造管材加热至β相变点以下，温度为900℃，保温50min，并进行二火次径向锻造，锻造加工量为80％，制得中间锻造管材；
将中间锻造管材加热至β相变点以下，温度为960℃，保温60min，径向锻造加工量在70％，获得规格为Φ110×20mm的所述TC4钛合金管材。
以下为实施例实验测试数据：
1)化学成分
粉末冶金管坯化学成分应符合表1的规定：
表1
粉末冶金回火烧结制得管坯检测项目及结果如表2：
表2
2)力学性能
试样坯经700～800℃保温1～2小时，空冷退火后，室温力学拉伸性能分别见表3：
表3
分析：z态横向力学性能：强度值比较相当，但是塑性值横向明显优于纵向，横向延伸率：11-13％，断面收缩率：19-27％；纵向延率：1.5％-2.0％，断面收缩率7-8％,冲击性能(v型缺口)横向没有做而纵向吸收：12.0～9.5，冲击韧性值：15-12.0，致密度只有96％。横向力学性能表现接近热加工组织；纵向力学性能表面为铸造组织；管坯组织个相异性明显，合金的显微组织仍保持为粗大的相魏氏体组织，片层间的应力集中效应较大，并且非完全致密、裂纹源往往起始于粗大的相魏氏体层片，间的微孔隙或夹杂，导致其疲劳性能的降低。
3)金相组织
(1)低倍组织：
低倍上不允许有明显的肉眼可见的清晰晶粒。横向低倍上不允许有裂纹、气孔、分层、偏析、金属和非金属夹杂物，以及肉眼可见的冶金缺陷。
(2)高倍组织：
供应的棒材要求组织均匀一致，经700～800℃保温1h～2h，钛合金的显微组织应是两相区加工产生的组织，无完整的原始β晶及部分破碎和扭曲的晶界α及片状α都是可接受的组织。
做纵、横边部中心两个部位，两个方向的金相组织图，如图1、2所示，其中1a为试样坯纵向中部金相组织图、1b为纵向边部金相组织图、2a为横向中部金相组织图、2b为横向边部金相组织图，从图1和图2管坯的组织可以看出，组织为两项区α+β，有层状的α相，无明显的晶界，组织中有孔洞。
4)无损探伤
管材应经过100％超声波检查，应符合GB/T 5193-A1级标准要求。
实施例一采用粉末冶金混合烧结和实施例二粉末冶金回火烧结制得的TC4钛合金管材显微组织如图3、4所示，其中a为内壁、b为外壁，分析结果如下：
从图中可以看出管材的初生α相的形态内壁处为等轴和板条的双态组织，外壁以等轴和大块组织为主，回火烧结的组织均匀性明显优于混合烧结工艺。比较两种工艺方案，回火烧结所试制的管材在β区采用快速的冷却方式，由于β相来不及通过扩散转变成平衡的α相，只有通过相驱动力的作用，原子进行短程迁移，以切变得方式进行相变，保留下相对细小的α片层，因为冷却方式快，材料内外壁的温差大，外壁的扩散过程进行的较充分，所以内壁的α片层较粗，外壁的α片层较细。混合烧结所试制的管坯在β区锻后冷却速度慢，多型转变进行得比较充分，所得的α相均比较粗大。进入α+β区后，混合烧结的两相区变形量不充分，不能使平行和垂直方向的片状α充分变形，球化过程不完全，形成了如图1所示内壁至外壁显微组织不均匀的特点。混合烧结的两相区变形量达50％～65％，满足使平行和垂直方向的片状α变形的条件，原始晶粒破碎充分，且球化过程进行较充分，组织均匀性好。
实施例一和实施例二锻造的TC4钛合金管材力学性能如表4所示，金相组织与常规对比图如图5、6所示，其中5a为实施例一、6a为实施例二、b为常规生产：
表4
通过图5、6与常规生产管材的金相组织对比得出，本发明采用的新的生产工序(依次包括粉末冶金制管坯、及径向锻造管材)制造出来的管材与常规生产(依次包括熔炼、棒材锻造、制管坯及径向锻造管材工序)制得的管材相比，在最终管材组织相同的情况下，本发明减少熔炼和棒材锻造两个钛合金管材的生产工序，降低高强无缝管材的生产成本，提高材料的利用率、有较高的推广使用价值。
本发明的原理是：本发明通过粉末冶金制管坯、及径向锻造制得TC4钛合金管材，在保证管材性能的前提下，去除了原常规制备工艺的熔炼、锻造生产流程，缩短生产周期，降低成本，并且同时也减少熔炼和锻造工序带来的不可避免的环境污染成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种短流程、低成本TC4钛合金管材制备工艺，其特征在于：具有以下步骤：步骤a、粉末冶金制管坯；步骤b、径向锻造；
在所述步骤a中，以钛粉为原料，并附以混料Al：5.5％-6.75％、V：3.5％-4.5％，通过粉末冶金烧结方法制得TC4钛合金管坯；
所述径向锻造包括：将上述TC4钛合金管坯加热至β相变点温度以上50～150℃，保温30～60min，进行一火次径向锻造，锻造加工量小于30％，制得初级锻造管材；继续将初级锻造管材加热至β相变点温度以下10～100℃，保温30～60min进行二火次径向锻造，锻造加工量大于60％，制得中间锻造管材；继续将中间锻造管材加热至β相变点温度以下10～100℃，保温30～60min进行三火次径向锻造，锻造加工量大于50％，制得所述TC4钛合金管材。
2.根据权利要求1所述的一种短流程、低成本TC4钛合金管材制备工艺，其特征在于：在所述步骤a中，所述粉末冶金烧结方式包括混合烧结和回火烧结。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: A Short Process and Low Cost Manufacturing Process for TC4 Titanium Alloy Pipe Effective date of registration: 20221207 Granted publication date: 20220128 Pledgee: Baoji Weibin rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: BAOJI TOP TITANIUM INDUSTRY CO.,LTD. Registration number: Y2022980025445 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Date of cancellation: 20231206 Granted publication date: 20220128 Pledgee: Baoji Weibin rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: BAOJI TOP TITANIUM INDUSTRY CO.,LTD. Registration number: Y2022980025445 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Short Process and Low Cost TC4 Titanium Alloy Tube Preparation Process Effective date of registration: 20231211 Granted publication date: 20220128 Pledgee: Baoji Weibin rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: BAOJI TOP TITANIUM INDUSTRY CO.,LTD. Registration number: Y2023980070530 |