CN111910103A - 钛合金板材及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种钛合金板材及其制造方法，该钛合金板材以其总重为100wt%计算，该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。本发明利用钛合金的新的成份比例，并利用新的轧制工艺可再提升本发明的钛合金板材具有更佳的强度性能与延伸率。
Description
技术领域
本发明是有关于一种钛合金板材及其制造方法，且特别是有关于一种具有更佳的强度性能的钛合金板材及其制造方法。
背景技术
高尔夫球杆头由于其运动性质，球头需常以极高的挥杆速度去撞击坚硬的高尔夫球，且由于性能方面考虑，击球面厚度通常介于2~4mm之间，所以应用在球头的材料往往需要拥有极高的强度性能，才能承受其严苛的冲击环境。
钛合金板材因具有高强度、耐腐蚀性、高耐热性等特点而被广泛用于运动产业领域，其中又以6铝4钒钛合金(Ti-6Al-4V合金)最具代表性。6铝4钒钛合金是目前使用钛合金的总量一半以上的材料，虽然具有良好物理性能，但是6铝4钒钛合金含有贵金属钒(Ｖ)，因此较为昂贵。而且6铝4钒钛合金为差排型麻田散铁组织，不利弯锻，如果需要将6铝4钒钛合金进行较大的弯锻，容易发生破裂的情况。
本申请人的专利文献(中国台湾证书号TW I516318)曾提出一种高尔夫杆头的钛合金滚轧板，以特殊工法搭配专用合金材料，制造出高耐腐蚀性、高抗拉强度、高降伏强度、及高韧性等特质的钛合金板材，但由于产业竞争与持续创新的需求，追求更高强度、更优秀的钛合金材料为本申请人努力的方向。因此，便有需要提供一种具有更佳的强度性能的钛合金板材及其制造方法。
发明内容
本发明的一目的是提供一种具有更佳的强度性能的钛合金板材及其制造方法。
依据上述的目的，本发明提供一种钛合金板材，以其总重为100wt%计算，该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。
可选地，该钛合金板材的抗拉强度介在169~193KSI之间，且该钛合金板材的降伏强度介在158~181KSI之间。
本发明还提供一种钛合金板材制造方法，包括下列步骤：对海绵钛、铝铁合金、铝钛合金、铝钼合金、钛锡合金及铝铬合金进行熔炼工艺，以形成一铸锭；对该铸锭进行一锻造工艺(forging process)而形成一板胚：对该板胚进行一轧制工艺(rolling process)而形成一钛合金板材，其中该轧制工艺包括：一第一热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该板胚进行滚轧，使该板胚的原始厚度减至第一厚度；一第二热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第一热处理步骤后的板胚进行滚轧，使该板胚的第一厚度减至第二厚度；一第三热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该第二热处理步骤后的板胚进行水淬；以及一第四热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第三热处理步骤后的板胚进行换向滚轧，使该板胚的第二厚度减至第三厚度；其中该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。
可选地，该熔炼工艺进行三次真空电弧自耗熔炼，并采用该钛锡合金、该铝钼合金、该铝铁合金、该铝铬合金及铝钛合金作为中间合金。
可选地，该锻造工艺包括：进行一第一锻造步骤：在加热温度1200±50℃之间，将该铸锭进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮，以形成一坯料；进行一第二锻造步骤：在加热温度1060±50℃之间，将该第一锻造步骤后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮；进行一第三锻造步骤：在加热温度960±50℃之间，将该第二锻造步骤后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮；进行一第四锻造步骤：在加热温度930±50℃之间，将该第三锻造步骤后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后回炉；以及进行一第五锻造步骤：在加热温度930±50℃之间，将该第四锻造步骤后的坯料进行单向压下及四周整形交替操作，并锻制成该板坯。
可选地，该铸锭的α：β=1：2~3。
可选地，该铸锭的α/β转换温度为890~990℃，该铸锭的时效温度接近麻田散铁转换温度为780~880℃。
本发明还提供另一种钛合金板材制造方法，包括下列步骤：对海绵钛、纯铁、钼棒、纯铝、纯铬及纯锡进行一熔炼工艺，以形成一铸锭，其中采用该纯铁、该钼棒、该纯铝、该纯铬及该纯锡作为非中间合金；对该铸锭进行一锻造工艺而形成一板胚：以及对该板胚进行一轧制工艺而形成一钛合金板材，其中该轧制工艺包括：一第一热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该板胚进行滚轧，使该板胚的原始厚度减至第一厚度；一第二热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第一热处理步骤后的板胚进行滚轧，使该板胚的第一厚度减至第二厚度；一第三热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该第二热处理步骤后的板胚进行水淬；以及一第四热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第三热处理步骤后的板胚进行滚轧，使该板胚的第二厚度减至第三厚度；其中该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。
相较于先前技术的钛合金板材，本发明利用钛合金的新的成份比例，并利用新的轧制工艺可再提升本发明的钛合金板材具有更佳的强度性能与延伸率。
附图说明
图1为本发明的一实施例的钛合金板材制造方法的流程示意图。
图2为本发明的锻造工艺的流程示意图。
图3为本发明的轧制工艺的流程示意图
图中标记说明：
S100 步骤；
S200 步骤；
S210 第一锻造步骤；
S220 第二锻造步骤；
S230 第三锻造步骤；
S240 第四锻造步骤；
S250 第五锻造步骤；
S300 步骤；
S310 第一热处理步骤；
S320 第二热处理步骤；
S330 第三热处理步骤；
S340 第四热处理步骤。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和特点能更明显易懂，现配合图式将本发明相关实施例详细说明如下。
图1为本发明的一实施例的钛合金板材制造方法的流程示意图。该钛合金板材制造方法，包括下列步骤：
在步骤S100中，对海绵钛、铝铁合金、铝钛合金、铝钼合金、钛锡合金及铝铬合金进行一熔炼工艺，以形成一铸锭。而除了钛以外的添加元素也可采用非中间合金的纯铁、钼棒、纯铝、纯铬、纯锡进行熔炼。在本实施例中，以海绵钛、铝铁合金、铝钛合金、铝钼合金、钛锡合金及铝铬合金等为原料配置合金材料，各组成分依照设计质量配比后，压制电极后进行三次真空电弧自耗熔炼。该真空自耗电弧是指利用直流电源在电极与放置于铜坩埚底板之间产生电弧，电弧产生高热熔化电极，电极不断下降溶化，在水冷铜坩埚内形成熔池，熔化的金属完成速凝、结晶、成锭。
合金元素为铝(Al)、锡(Sn)、铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)。相对于钛(Ti)元素，铝(Al)元素的熔点较低，密度较小，熔点为660.4℃，密度为2.70g/cm3(20℃时)，同一温度下的饱和蒸汽压远远大于Ti的饱和蒸汽压，为易挥发的合金元素；锡(Sn)元素熔点也很低，而铁(Fe)、铬(Cr)等元素容易偏析，合金元素的加入方式选择不当，极易造成高密度夹杂及偏析的等冶金缺陷。铬(Cr)、钼(Mo)元素为高熔点难熔金属，其熔点为2000℃以上。铁(Fe)为共析型β稳定元素，具有强烈的偏析倾向。元素的偏析程度随铸锭中该元素含量的增加以及铸锭规格的增大而加剧。因此采取有效措施保证铝(Al)、锡(Sn)、铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)各元素充分合金化和均匀化是合金铸锭熔炼工艺研究的关键之一。
为了使各元素在铸锭中充分合金化，在本实施例中，采用了熔点及密度与基体较为接近的中间合金：钛锡合金(TiSn)、铝钼合金(AlMo)、铝铁合金(AlFe)、铝铬合金(AlCr)及铝钛合金(AlTi)。采用特殊的布、混料生产工艺，以提高中间合金在电极中分布的均匀性，进一步保证铸锭中各元素的分布均匀性。
α+β型钛合金通常会通过固溶与时效处理来在β相中析出部分的α相，进而达到强化材料的效果，当以提高强度为目的时，常见的作法是在生成α-β两相区温度或是高于β转变温度的温度快速冷却下来，之后再以时效的方式得到适当的α与β混和相。
本申请案相较于专利文献(中国台湾证书号TW I516318)，将钼(Mo)元素以较大的成份比例添加于钛合金中，且微调原钛合金中的设计元素的含量，而新的成分比例对比专利文献(中国台湾证书号TW I516318)，拥有更高的α/β转换温度为890~990℃，使合金材料在固溶时增加了β相的残留，使的原本α:β=1:1的比例改变为α：β=1 : 2~3，而时效温度接近麻田散铁转换温度(Ms)为780~880℃，使得更多的麻田散铁相析出增强β相的强度，使得合金材料的强度提升，在不大幅增加成本的情况下使得该合金材料具有更强的竞争力。
举例，本发明的实际投料64kg(合金材料重)，采用100kg(炉重)进行真空自耗熔炼炉熔炼，熔炼次数为3次，第一次铸锭直径为120mm，第二次铸锭直径为170mm，第三次铸锭直径为220mm。铸锭扒除表面污染层及皮下气孔缺陷后，取化学成分和气体分析样品。本发明的实施例1~5，采用标准方法，完成了成分检测，结果见表1。各铸锭中主要元素及杂质元素均满足试制要求，成分比例控制达到预期目标。
表1 铸锭成分比例（其中bal.表示平衡量）
在步骤S200中，对该铸锭进行一锻造工艺(forging process)而形成一板胚。举例，采用的锻造设备为800吨快锻机，加热炉温度控制精度±10℃。图2为本发明的锻造工艺的流程示意图。该锻造工艺包括：进行一第一锻造步骤S210，开坯：在加热温度1200±50℃之间，将该铸锭进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮，以形成一坯料；进行一第二锻造步骤S220，坯料改锻：在加热温度1060±50℃之间，将该第一锻造步骤S210后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮；进行一第三锻造步骤S230，坯料改锻：在加热温度960±50℃之间，将该第二锻造步骤S220后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮；进行一第四锻造步骤S240，坯料改锻：在加热温度930±50℃之间，将该第三锻造步骤S230后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后回炉；以及进行一第五锻造步骤S250，板坯制备：在加热温度930±50℃之间，将该第四锻造步骤S240后的坯料进行单向压下及四周整形交替操作，并锻制成尺寸为400mmx300mmx60mm的板坯。
在步骤S300中，对该板胚进行一轧制工艺(rolling process)而形成一钛合金板材。举例，根据加热炉、轧板机及工艺试验数量的要求，采用带锯机下料，将400mm×300mm×60mm板坯，沿长度和宽度中线方向断开，即四等分，每块尺寸为200mm×150mm×60mm，四块板坯采用刨床刨除表面氧化皮和裂纹缺陷，四周表面100%修磨，剩于余材料净重32.4公斤。在上一道工序40kg基础上损耗7.6kg，工序成材率为81%。再者，采用轧辊宽度为400mm的小型轧板机完成板材轧制。该板坯采用高温箱式电阻炉加热，在热轧试验机组轧机上轧制。使用数字电位差计对箱式电阻炉进行温度校订，保证温度偏差±10℃。
图3为本发明的轧制工艺的流程示意图。在本实施例中，该轧制工艺包括：进行一第一热处理步骤S310：在加热温度1000±100℃之间，将该板胚进行滚轧，使该板胚的原始厚度减至第一厚度，例如δ60mm→δ30mm；进行一第二热处理步骤S320：在加热温度800±100℃之间，将该第一热处理步骤S310后的板胚进行滚轧，使该板胚的第一厚度减至第二厚度，例如δ30mm→δ15mm；进行一第三热处理步骤S330：在加热温度1000±100℃之间，将该第二热处理步骤S320后的板胚进行水淬，例如水淬30分钟；以及进行一第四热处理步骤S340：在加热温度800±100℃之间，将该第三热处理步骤S330后的板胚进行换向滚轧，使该板胚的第二厚度减至第三厚度，例如δ15mm→δ4±0.6mm。搭配钛合金的新的成份比例，本发明的新的轧制工艺可再提升钛合金板材具有更佳的强度性能与延伸率。
该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，如表2。
表2
本发明的钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。双晶型的金属或合金具有在变形时，所有平行于双晶面的原子平面都朝着同一个方向移动的特性。双晶型的金属或合金的移动，又称为塑性变形或是永久变形，是利用原子相对称的排列移动产生变形。麻田散铁组织是指纯金属或合金从某一固相转变成另一固相时的产物；在转变过程中，原子不扩散，化学成分不改变，但晶格发生变化，同时新旧相之间维持一定的位向关系并且具有切变共格的特征。
轧制态板材性能：在厚度4mm的板材上沿横向、纵向取板状拉伸试样各五支，进行室温拉伸性能测试，测试结果见表3。可见，轧制态板材横向、纵向拉伸强度，可见强度塑性均达到本发明的目标要求；硬度值满足要求，尤其T方向(横向)面板强度最为优异，而高尔夫球头面板制作能依照合适的方向切割面板，以T方向(横向)切割面板能确保球头拥有最佳的机械性质。由表4可见本发明材料对比专利文献(中国台湾证书号TW I516318)的钛合金板材与业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)，拥有更佳的抗拉强度、降伏强度及延伸率。
因此，相较于先前技术的钛合金板材，本发明利用钛合金的新的成份比例，并利用新的轧制工艺可再提升本发明的钛合金板材具有更佳的强度性能与延伸率。
表3
表4
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种钛合金板材，其特征在于，以其总重为100wt%计算，该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。
2.根据权利要求1所述的钛合金板材，其特征在于，该钛合金板材的抗拉强度介在169~193KSI之间，且该钛合金板材的降伏强度介在158~181KSI之间。
3.一种钛合金板材，其特征在于，以其总重为100wt%计算，该钛合金板材由以下成份所组成：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。
4.一种钛合金板材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
对海绵钛、铝铁合金、铝钛合金、铝钼合金、钛锡合金及铝铬合金进行一熔炼工艺，以形成一铸锭；
对该铸锭进行一锻造工艺而形成一板胚：以及
对该板胚进行一轧制工艺而形成一钛合金板材，其中该轧制工艺包括：
进行一第一热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该板胚进行滚轧，使该板胚的原始厚度减至第一厚度；
进行一第二热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第一热处理步骤后的板胚进行滚轧，使该板胚的第一厚度减至第二厚度；
进行一第三热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该第二热处理步骤后的板胚进行水淬；以及
进行一第四热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第三热处理步骤后的板胚进行换向滚轧，使该板胚的第二厚度减至第三厚度；
其中该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。
5.根据权利要求4所述的钛合金板材制造方法，其特征在于，该熔炼工艺进行三次真空电弧自耗熔炼，并采用该钛锡合金、该铝钼合金、该铝铁合金、该铝铬合金及铝钛合金作为中间合金。
6.根据权利要求4所述的钛合金板材制造方法，其特征在于，该锻造工艺包括：
进行一第一锻造步骤：在加热温度1200±50℃之间，将该铸锭进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮，以形成一坯料；
进行一第二锻造步骤：在加热温度1060±50℃之间，将该第一锻造步骤后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮；
进行一第三锻造步骤：在加热温度960±50℃之间，将该第二锻造步骤后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后空冷，且修磨去除其表面裂纹及部分氧化皮；
进行一第四锻造步骤：在加热温度930±50℃之间，将该第三锻造步骤后的坯料进行一镦粗一拔长，锻后回炉；以及
进行一第五锻造步骤：在加热温度930±50℃之间，将该第四锻造步骤后的坯料进行单向压下及四周整形交替操作，并锻制成该板坯。
7.根据权利要求4所述的钛合金板材制造方法，其特征在于，该铸锭的α：β=1：2~3。
8.根据权利要求7所述的钛合金板材制造方法，其特征在于，该铸锭的α/β转换温度为890~990℃，该铸锭的时效温度接近麻田散铁转换温度为780~880℃。
9.根据权利要求4所述的钛合金板材制造方法，其特征在于，该钛合金板材的抗拉强度介在169~193KSI之间，且该钛合金板材的降伏强度介在158~181KSI之间。
10.一种钛合金板材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
对海绵钛、纯铁、钼棒、纯铝、纯铬及纯锡进行一熔炼工艺，以形成一铸锭，其中采用该纯铁、该钼棒、该纯铝、该纯铬及该纯锡作为非中间合金；
对该铸锭进行一锻造工艺而形成一板胚：以及
对该板胚进行一轧制工艺而形成一钛合金板材，其中该轧制工艺包括：
一第一热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该板胚进行滚轧，使该板胚的原始厚度减至第一厚度；
一第二热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第一热处理步骤后的板胚进行滚轧，使该板胚的第一厚度减至第二厚度；
一第三热处理步骤：在加热温度1000±100℃之间，将该第二热处理步骤后的板胚进行水淬；以及
一第四热处理步骤：在加热温度800±100℃之间，将该第三热处理步骤后的板胚进行滚轧，使该板胚的第二厚度减至第三厚度；
其中该钛合金板材包括以下成份：6~8wt%的铝、0.5~1.5wt%的锡、0.5~1.5wt%的铬、0.8~2.0wt%的铁、0.5~1.8%的钼、0.015wt%以下的氢、0.2wt%以下的氧、0.03wt%以下的氮、0.05wt%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，其中该钛合金板材具有双晶型过饱和的麻田散铁组织。
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