CN111549306B - 一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，该方法包括以下步骤：一、将超高强钛合金棒材加热至β相变点温度以下15℃～20℃后进行保温；二、将经保温处理后的超高强钛合金棒材加热至β相变点温度以上10℃后进行多道次轧制，得到超高强钛合金热轧棒材。本发明通过两步加热使超高强钛合金棒材表层下获得β晶粒组织，减小了轧制加工时超高强钛合金棒材对轧辊的冲击，降低了生产设备的磨损，通过多道次轧制使超高强钛合金棒材中的β晶粒组织得到了充分破碎，获得了所需的等轴组织，在降低了轧制变形抗力的基础上，又不产生过热组织，使超高强钛合金热轧棒材具有优异的组织均匀性和性能均匀性，从而具有优异的抗拉强度和延伸率。
Description
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法。
背景技术
近年来，随着航空航天器的发展，钛和钛合金的研究和应用不断拓展。超高强度钛合金(σb≥1250MPa)作为结构件应用于航空、航天等需要高强度高韧性的部位，特别是在航空航天领域，进一步提高钛合金的比强度和比刚度，以实现更大的减重效果。
作为紧固件用的超高强钛合金棒材一般采用在β相变点温度之下进行变形制备。超高强钛合金棒材变形抗力大，加工难度大，同时在轧制变形过程中容易温升导致产生过热组织，形成粗大的β晶粒从而降低了超高强钛合金的力学性能(强度、塑形等)。并且这种过热组织很难通过热处理调整获得优异的综合性能，大大影响了超高强钛合金材料的应用，有些时候不得不降材使用，如何通过工艺优化使超高强钛合金获得具有优异综合性能的等轴组织，是目前本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法。本发明通过两步加热使超高强钛合金棒材的表层下获得β晶粒组织，降低了生产设备的磨损，通过多道次轧制使超高强钛合金棒材中的β晶粒组织得到了充分破碎，获得了所需的等轴组织，在降低了轧制变形抗力的基础上，又不产生过热组织，使超高强钛合金热轧棒材具有优异的组织均匀性和性能均匀性，从而具有优异的抗拉强度和延伸率。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将超高强钛合金棒材加热至β相变点温度以下15℃～20℃后进行保温处理；所述超高强钛合金的抗拉强度σb≥1250MPa；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的超高强钛合金棒材加热至β相变点温度以上10℃后进行多道次轧制处理，得到超高强钛合金热轧棒材。
本发明先将超高强钛合金棒材加热至β相变点温度以下15℃～20℃后进行保温处理，然后加热至β相变点温度以上10℃后进行多道次轧制处理，通过两步加热使超高强钛合金棒材的表层下为β晶粒组织，使超高强钛合金棒材的内部为(α+β)两相区组织，β晶粒组织具有较低的变形抗力，减小了轧制加工时超高强钛合金棒材对轧辊的冲击，减小了对轧辊的硬损伤，降低了生产设备的磨损，经过多道次轧制变形后的超高强钛合金棒材中的β晶粒得到了充分破碎，获得了所需的等轴组织，在降低了轧制变形抗力的基础上，又不产生过热组织，使超高强钛合金热轧棒材具有优异的组织均匀性和性能均匀性，从而具有优异的抗拉强度和延伸率。
上述的一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述多道次轧制处理的过程为：将超高强钛合金棒材进行5道次～10道次轧制；所述多道次轧制处理中单道次轧制的变形量为10％～20％。本发明通过控制多道次轧制的次数和变形量，使超高强钛合金棒材内的β晶粒组织充分破碎，获得了所需的等轴组织，同时保证了超高强钛合金热轧棒材的变形热不会产生较高的温升，使超高强钛合金热轧棒材具有优异的组织均匀性和性能均匀性，从而具有优异的抗拉强度和延伸率。
上述的一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述超高强钛合金棒材的直径为Φ45mm～Φ55mm。本发明通过控制超高强钛合金棒材的直径，保证了超高强钛合金热轧棒材具有合适的尺寸，增大了超高强钛合金热轧棒材的适用性，同时该直径范围为常规轧机轧制所需坯料的尺寸，在常规热轧机组上即可生产，无需对设备进行改造，降低了生产成本。
上述的一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述保温处理的时间为25min～30min。本发明通过控制保温时间，使超高强钛合金棒材从心部到表层的温度一致，避免了保温时间过短导致的超高强钛合金棒材受热不均的不足，避免了保温时间过长导致的生产效率低的不足。
上述的一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述加热的时间为5min～10min。本发明通过控制加热的时间，保证了超高强钛合金棒材中距表层3mm～6mm的部位为β晶粒组织，使超高强钛合金棒材内的β晶粒组织在后续的多道次轧制处理后充分破碎，获得了所需的等轴组织，使超高强钛合金热轧棒材具有优异的组织均匀性和性能均匀性，从而具有优异的抗拉强度和延伸率，避免了由于升温时间过短导致的β晶粒组织过少，超高强钛合金热轧棒材性能达不到要求的不足，避免了由于升温时间过长导致的β晶粒组织过多，β晶粒组织在后续的多道次轧制处理后不能充分破碎的不足。
上述的一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述超高强钛合金热轧棒材的直径为Φ8mm～Φ20mm。本发明通过控制超高强钛合金热轧棒材的直径，使超高强钛合金热轧棒材能够制备应用于航空、航天等领域的紧固件，具有实用性强，便于操作的优点。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明先通过两步加热使超高强钛合金棒材的表层下获得β晶粒组织，减小了轧制加工时超高强钛合金棒材对轧辊的冲击，减小了对轧辊的硬损伤，降低了生产设备的磨损，然后进行多道次轧制使超高强钛合金棒材中的β晶粒组织得到了充分破碎，获得了所需的等轴组织，使超高强钛合金热轧棒材具有优异的组织均匀性和性能均匀性，从而具有优异的抗拉强度和延伸率。
2、本发明采用多道次小变形量的轧制，在充分破碎表层的β晶粒组织的同时不产生由于剧烈变形产生过热组织，提高了超高强钛合金热轧棒材的组织均匀性和性能均匀性，从而提高了抗拉强度和延伸率。
3、本发明的制备工艺简单，在常规热轧机组上即可生产，无需对设备进行改造，降低了生产成本，适宜推广。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的Ti-1300超高强钛合金热轧棒材的显微组织图。
图2为本发明对比例1的Ti-1300超高强钛合金轧制棒材的显微组织图。
图3为本发明对比例2的Ti-1300超高强钛合金轧制棒材的显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将直径为Φ45mm的Ti-1300超高强钛合金棒材加热至810℃后保温25min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的Ti-1300超高强钛合金棒材在5min升温至840℃后进行10道次轧制处理，将轧制后的Ti-1300超高强钛合金棒材空冷到室温，切定尺，得到直径为Φ8mm的Ti-1300超高强钛合金热轧棒材；所述轧制中单道次轧制的变形量为20％。
经检测，本实施例Ti-1300超高强钛合金热轧棒材在固溶时效热处理后抗拉强度为1600MPa，延伸率为12％，具有均匀的等轴组织，具有优异的综合性能匹配；所述固溶时效热处理的过程为：将Ti-1300超高强钛合金热轧棒材加热至760℃后保温1h，之后空冷至室温，然后加热至540℃后保温4h，再空冷至室温。
图1为本实施例的Ti-1300超高强钛合金热轧棒材的显微组织图，从图1中可以看出，Ti-1300超高强钛合金热轧棒材的显微组织为均匀细小的等轴初生α相，无β再结晶组织。
对比例1
本对比例包括以下步骤：
步骤一、将直径为Φ45mm的Ti-1300超高强钛合金棒材加热至770℃后保温30min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的Ti-1300超高强钛合金棒材进行10道次轧制处理，将轧制后的Ti-1300超高强钛合金棒材空冷到室温，切定尺，得到直径为Φ8mm的Ti-1300超高强钛合金轧制棒材；所述轧制中单道次轧制的变形量为20％。
经检测，本对比例Ti-1300超高强钛合金轧制棒材在固溶时效热处理后抗拉强度为1430MPa，延伸率为10％，存在不完全β再结晶的组织，局部存在平直晶界；所述固溶时效热处理的过程为：将Ti-1300超高强钛合金轧制棒材加热至760℃后保温1h，之后空冷至室温，然后加热至540℃后保温4h，再空冷至室温。
图2为本对比例的Ti-1300超高强钛合金轧制棒材的显微组织图，从图2中可以看出，Ti-1300超高强钛合金轧制棒材的显微组织为不完全β再结晶组织，局部存在平直晶界。
通过图1和图2对比可以看出，采用本实施例的方法可以获得理想的细小等轴α加工态组织，得到的Ti-1300超高强钛合金热轧棒材的显微组织为均匀细小的等轴初生α相，无β再结晶组织。
对比例2
本对比例包括以下步骤：
步骤一、将直径为Φ45mm的Ti-1300超高强钛合金棒材加热至860℃后保温30min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的Ti-1300超高强钛合金棒材进行10道次轧制处理，将轧制后的Ti-1300超高强钛合金棒材空冷到室温，切定尺，得到直径为Φ8mm的Ti-1300超高强钛合金轧制棒材；所述轧制中单道次轧制的变形量为20％。
经检测，本对比例Ti-1300超高强钛合金轧制棒材在固溶时效热处理后抗拉强度为1460MPa，延伸率为8％，存在不完全β再结晶的组织，局部存在平直晶界；所述固溶时效热处理的过程为：将Ti-1300超高强钛合金轧制棒材加热至760℃后保温1h，之后空冷至室温，然后加热至540℃后保温4h，再空冷至室温。
图3为本对比例的Ti-1300超高强钛合金轧制棒材的显微组织图，从图3中可以看出，Ti-1300超高强钛合金轧制棒材的显微组织为不完全β再结晶组织，局部存在平直晶界。
通过图1和图3对比可以看出，采用本实施例的方法可以获得理想的细小等轴α加工态组织，得到的Ti-1300超高强钛合金热轧棒材的显微组织为均匀细小的等轴初生α相，无β再结晶组织。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将直径为Φ50mm的Ti-5553超高强钛合金棒材加热至810℃后保温28min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的Ti-5553超高强钛合金棒材在6min升温至840℃后进行8道次轧制处理，将轧制后的Ti-5553超高强钛合金棒材空冷到室温，切定尺，得到直径为Φ12mm的Ti-5553超高强钛合金热轧棒材；所述轧制中单道次轧制的变形量为15％。
经检测，本实施例Ti-5553超高强钛合金热轧棒材在固溶时效热处理后抗拉强度为1530MPa，延伸率为11％，具有均匀的等轴组织，具有优异的综合性能匹配；所述固溶时效热处理的过程为：将Ti-5553超高强钛合金热轧棒材加热至780℃后保温1h，之后空冷至室温，然后加热至550℃后保温4h，再空冷至室温。
对比例3
本对比例包括以下步骤：
步骤一、将直径为Φ50mm的Ti-5553超高强钛合金棒材加热至780℃后保温34min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的Ti-5553超高强钛合金棒材进行8道次轧制处理，将轧制后的Ti-5553超高强钛合金棒材空冷到室温，切定尺，得到直径为Φ12mm的Ti-5553超高强钛合金轧制棒材；所述轧制中单道次轧制的变形量为15％。
经检测，本对比例Ti-5553超高强钛合金轧制棒材在固溶时效热处理后抗拉强度为1350MPa，延伸率为9％，存在不完全β再结晶的组织，局部存在平直晶界；所述固溶时效热处理的过程为：将Ti-5553超高强钛合金轧制棒材加热至780℃后保温1h，之后空冷至室温，然后加热至550℃后保温4h，再空冷至室温。
通过对比例3和实施例2对比可以看出，采用本实施例的方法可以获得理想的细小等轴α加工态组织，得到的Ti-5553超高强钛合金热轧棒材的显微组织为均匀细小的等轴初生α相，无β再结晶组织。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将直径为Φ55mm的Ti-1300超高强钛合金棒材加热至815℃后保温30min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的Ti-1300超高强钛合金棒材在10min升温至840℃后进行5道次轧制处理，将轧制后的Ti-1300超高强钛合金棒材空冷到室温，切定尺，得到直径为Φ20mm的Ti-1300超高强钛合金热轧棒材；所述轧制中单道次轧制的变形量为10％。
经检测，本实施例Ti-1300超高强钛合金热轧棒材在固溶时效热处理后抗拉强度为1650MPa，延伸率为12％，具有均匀的等轴组织，具有优异的综合性能匹配；所述固溶时效热处理的过程为：将Ti-1300超高强钛合金热轧棒材加热至760℃后保温1h，之后空冷至室温，然后加热至540℃后保温4h，再空冷至室温。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将直径为Φ48mm的Ti-5553超高强钛合金棒材加热至813℃后保温28min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的Ti-5553超高强钛合金棒材在7min升温至840℃后进行7道次轧制处理，将轧制后的Ti-5553超高强钛合金棒材空冷到室温，切定尺，得到直径为Φ16mm的Ti-5553超高强钛合金热轧棒材；所述轧制中单道次轧制的变形量为16％。
经检测，本实施例Ti-5553超高强钛合金热轧棒材在固溶时效热处理后抗拉强度为1540MPa，延伸率为12％，具有均匀的等轴组织，具有优异的综合性能匹配；所述固溶时效热处理的过程为：将Ti-5553超高强钛合金热轧棒材加热至780℃后保温1h，之后空冷至室温，然后加热至550℃后保温4h，再空冷至室温。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (2)
1.一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将超高强钛合金棒材加热至β相变点温度以下15℃～20℃后进行保温处理；所述超高强钛合金的抗拉强度σb≥1250MPa；所述超高强钛合金棒材的直径为Φ45mm～Φ55mm；所述保温处理的时间为25min～30min；
步骤二、将步骤一中经保温处理后的超高强钛合金棒材加热至β相变点温度以上10℃后进行多道次轧制处理，得到超高强钛合金热轧棒材；所述多道次轧制处理的过程为：将超高强钛合金棒材进行5道次～10道次轧制；所述多道次轧制处理中单道次轧制的变形量为10％～20％；所述加热的时间为5min～10min。
2.根据权利要求1所述的一种超高强钛合金热轧棒材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述超高强钛合金热轧棒材的直径为Φ8mm～Φ20mm。
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