CN112238152B - 一种宽幅超厚tc4钛合金板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法，制备TC4合金块，在真空焊箱中焊接成电极；电极经过多次熔炼得到合金铸锭；铸锭在箱式电阻加热炉中进行加热，然后锻造镦拔，镦拔后的坯料进行反复的回炉镦拔，进行空冷后修磨，放入相箱式电阻加热炉进行加热，然后镦拔，最后修复；修复后的坯料放入箱式电阻加热炉中加热，然后锻造展宽至板坯尺寸进行铇铣，铇铣后在均热炉中加热；轧制成板材，然后将板材进行热处理，热处理后进行切割和铇铣，得到成品板材；本发明的方法使得大规格板坯制备得以实现；多次镦拔变形，使得板坯各个方向变形均匀，铸态晶粒得到充分破坏和细化；利用4200mm四辊可逆式热轧机，一次直接轧制成品板材，该方式快速高效。
Description
技术领域
本发明属于钛合金厚板制造技术领域，具体涉及一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法。
背景技术
TC4钛合金名义成分为Ti-6Al-4V，属α+β型钛合金，综合性能优异，可加工成板材、棒材、锻件、管材、型材等加工材，TC4钛合金加工材在航空航天等领域有着广泛的应用，其中板材用量超过50％，随着国内外大型装备制造的发展，对宽幅超厚TC4钛合金板材提出了新的需求。目前，国内可按GJB2505A-2008标准要求，可批量生产规格为4.0～70×400～3000×1000～4000mm的TC4钛合金厚板。
国内大型装备产业的发展，提出了规格为130×≥2000×＞2500mm的宽幅超厚TC4板材需求。宽幅超厚TC4钛合金板材的制备，对大规格铸锭熔炼、大规格板坯制备、宽幅厚板轧制工艺及装备提出了更高的要求。制备出成分组织均匀、性能满足标准要求的宽幅超厚TC4钛合金板材，需提出大规格铸锭熔炼—厚板坯锻造—宽幅板材轧制成型可行的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法，采用该方法，能够成功制备出成分组织均匀、性能满足GJB2505A-2005要求的130×≥2000×＞2500mm的宽幅超厚TC4钛合金板材。
本发明所采用的技术方案是，一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，制备TC4合金块，在真空焊箱中焊接成电极；
步骤2，将经步骤1得到的电极经过多次熔炼得到合金铸锭；
步骤3，将经步骤2得到的铸锭在箱式电阻加热炉中进行加热，加热后进行锻造，得到坯料；
步骤4，将经步骤3得到的坯料进行镦拔，然后将镦拔后的坯料进行反复的回炉镦拔；
步骤5，将经步骤4得到的坯料进行空冷后修磨，修磨后放入相箱式电阻加热炉进行加热，然后进行镦拔，镦拔后反复进行回炉镦拔，最后修复；
步骤6，将经步骤5修复后的坯料放入箱式电阻加热炉中加热，然后锻造展宽至板坯尺寸；
步骤7，将经步骤6得到的板坯进行铇铣，铇铣后在均热炉中加热；
步骤8，将加热后的坯料轧制成板材，然后将板材进行热处理，热处理后进行切割和铇铣，得到成品板材。
本发明的特点还在于：
其中步骤1中，选用0级海绵钛和优质中间合金，按名义成分进行合金配比，得到TC4合金，然后将得到的TC4合金在3000吨油压机上压制成合金块，最后在真空焊接箱中焊接成电极；
其中步骤2具体内容为：将经步骤1得到的电极利用10吨自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，得到的合金铸锭经车床车削扒皮和锯切冒口，得到合金成品铸锭；
其中步骤3中箱式电阻加热炉加热的具体过程为：将经步骤2得到的铸锭在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下100～200℃，保温100～150min；提升温度，加热至β相变点以上150～200℃，保温500～600min；
其中步骤3中锻造过程为：将经加热的铸锭在4500T锻造机上，按锻造比1.4～1.6进行镦粗，再按30％的变形量进行展宽，展宽后长宽比为1.5，得到坯料；
其中步骤4中的镦拔过程为：将经步骤3得到的坯料进行热料回炉，加热至β相变点以上100～120℃，保温200～250min，然后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行镦拔；
镦拔后继续进行热料二次回炉，加热至β相变点以上50～100℃，保温200～250min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行二次镦拔；
二次镦拔后进行热料三次回炉，加热至β相变点以上50～100℃，保温200～250min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔；
其中步骤5中将经步骤4得到的坯料修磨后放入相箱式电阻加热炉进行加热，加热至β相变点以下30～50℃，保温500～600min，然后将加热后的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行首次镦拔；
然后将首次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下30～50℃，保温150～200min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行二次镦拔；
最后将经二次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下30～50℃，保温150～200min，最后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔；
其中步骤6中经步骤5修复后的坯料放入箱式电阻加热炉中加热，加热至β相变点以下30～50℃，保温500～600min；然后在4500T锻造机上，展宽至板坯尺寸，进行多次回炉，回炉加热温度在β相变点以下30～50℃，保温100～150min；
其中步骤7中将经步骤6锻造后的板坯，空冷后，在龙门铣床上进行六面铇铣，单面铇铣量5～10mm；将铇铣的板坯在均热炉中加热至β相变点以下150～200℃，保温250～350min后，再提升加热温度至β相变点以下30～50℃，保温350～450min；
其中步骤8具体操作过程为：将经步骤7加热后的坯料，在4200mm四辊可逆式热轧上轧制成品板材厚度，道次压下量5～20mm，轧制速度0.3～1m/s，轧制变形量为50～60％；将轧制后的板材在箱式电阻炉中进行热处理，热处理温度为750～850℃，保温120～200min，然后空冷至室温，将热处理后的板材，在龙门式水切割机上，预切割长宽尺寸，最后在龙门式铣床上就行六面铇铣，获得成品板材。
本发明的有益效果是：
本发明提出一套从熔炼-锻造-轧制-热处理-精整，制备宽幅超厚TC4板材的方法；利用4500T吨锻造机进行锻造，使得大规格板坯制备得以实现；多次镦拔变形，使得板坯各个方向变形均匀，铸态晶粒得到充分破坏和细化；利用4200mm四辊可逆式热轧机，一次直接轧制成品板材，该方式快速高效。
附图说明
图1是本发明的一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法中实施例1制备的成品板材显微组织图；
图2是本发明的一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法中实施例2制备的成品板材显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，选用0级海绵钛和优质中间合金，按名义成分进行合金配比，得到TC4合金，然后将得到的TC4合金在3000吨油压机上压制成合金块，最后在真空焊接箱中焊接成电极；
步骤2，将经步骤1得到的电极利用10吨自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，得到的合金铸锭经车床车削扒皮和锯切冒口，得到合金成品铸锭；
步骤3，将经步骤2得到的铸锭在箱式电阻加热炉中进行加热，加热至β相变点以下100～200℃，保温100～150min；提升温度，加热至β相变点以上150～200℃，保温500～600min，加热后进行锻造，锻造过程为：将经加热的铸锭在4500T锻造机上，按锻造比1.4～1.6进行镦粗，再按30％的变形量进行展宽，展宽后长宽比为1.5，得到坯料；
步骤4，将经步骤3得到的坯料进行热料回炉，加热至β相变点以上100～120℃，保温200～250min，然后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行镦拔；
镦拔后继续进行热料二次回炉，加热至β相变点以上50～100℃，保温200～250min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行二次镦拔；
二次镦拔后进行热料三次回炉，加热至β相变点以上50～100℃，保温200～250min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔；锻造后进行空冷，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；
步骤5，将经步骤4得到的坯料进行空冷后修磨，修磨后放入相箱式电阻加热炉进行加热，加热至β相变点以下30～50℃，保温500～600min，然后将加热后的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行首次镦拔；
然后将首次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下30～50℃，保温150～200min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行二次镦拔；
最后将经二次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下30～50℃，保温150～200min，最后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔，锻造后进行空冷，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；
步骤6，经步骤5修复后的坯料放入箱式电阻加热炉中加热，加热至β相变点以下30～50℃，保温500～600min；然后在4500T锻造机上，展宽至板坯尺寸，进行多次回炉，回炉加热温度在β相变点以下30～50℃，保温100～150min，然后锻造展宽至板坯尺寸；
步骤7，将经步骤6锻造后的板坯，空冷后，在龙门铣床上进行六面铇铣，单面铇铣量5～10mm；将铇铣的板坯在均热炉中加热至β相变点以下150～200℃，保温250～350min后，再提升加热温度至β相变点以下30～50℃，保温350～450min；
步骤8，将经步骤7加热后的坯料，在4200mm四辊可逆式热轧上轧制成品板材厚度，道次压下量5～20mm，轧制速度0.3～1m/s，轧制变形量为50～60％；将轧制后的板材在箱式电阻炉中进行热处理，热处理温度为750～850℃，保温120～200min，然后空冷至室温，将热处理后的板材，在龙门式水切割机上，预切割长宽尺寸，最后在龙门式铣床上就行六面铇铣，获得成品板材。
实施例1
步骤1，选用0级海绵钛和优质中间合金，按Ti-6.5Al-4.15V-0.165O-0.18Fe进行合金配比；将配比好的合金在3000吨油压机上压制成31～72kg合金块，在真空焊箱中焊接成电极；
步骤2，利用10吨自耗电弧炉(VAR)，经三次熔炼成Φ820的合金铸锭；三次VAR熔炼获得的铸锭，经车床车削扒皮、锯切冒口，得到合金铸锭；
步骤3，铸锭在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下200℃，保温150min；提升温度，加热至β相变点以上150℃，保温500min；加热的铸锭在4500T锻造机上，将Φ820×2357mm铸锭镦粗至Φ1080×1350mm，再展宽至800×1200×1290mm；
步骤4，展宽后的坯料，热料回炉，加热至β相变点以上100℃，保温200min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，按800×1200×1290→900×900×1520mm→1100×1100×1020mm→800×1200×1290mm进行镦拔变形；
镦拔后继续进行热料二次回炉，加热至β相变点以上80℃，保温200min；加热的坯料，在4500T锻造机上，按800×1200×1290mm→900×900×1520mm→1100×1100×1020mm→800×1200×1290mm进行镦拔变形；
二次镦拔后进行热料三次回炉，加热至β相变点以上80℃，保温200min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔；锻造后进行空冷，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；锻造后的坯料，空冷后，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；
步骤5，将经步骤4修磨后的坯料在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下40℃，保温550min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，按800×1200×1290mm→880×880×1535mm→1065×1065×1050mm→800×1200×1240mm进行镦拔变形；
然后将首次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下40℃，保温200min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，按800×1200×1290mm→880×880×1535mm→1065×1065×1050mm→800×1200×1240mm进行镦拔变形；
最后将经二次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下40℃，保温200min，最后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔，锻造后进行空冷，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；
步骤6，将步骤5修磨后的坯料，在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下40℃，保温550min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，800×1200×1240mm→650×1400×1270mm→380×1430×2280mm；
步骤7，将经步骤6锻造的板坯，空冷后，在龙门铣床上进行六面铇铣，铇铣后板坯尺寸365×1410×2260mm；铇铣的板坯，在均热炉中加热至β相变点以下150℃，保温300min后，再提升加热温度至β相变点以下40℃，保温400min；
步骤8，将经步骤7加热后的坯料365×1410×2260mm，在4200mm四辊可逆式热轧上以2260mm为宽，轧至145×2260×3550mm，道次压下量5～20mm，轧制速度0.3～1m/s，轧制变形量为50～60％；将轧制后的板材，在箱式电阻炉中，进行热处理，热处理温度为750℃，保温150min，空冷至室温；热处理后的板材，在龙门式水切割机上，预切割成145×2200×2680mm；最后在龙门式铣床上就行六面铇铣，获得成品板材130(±2)×2180(﹢5/0)×2660(﹢5/0)mm。
本实施案例，获得的成品板材尺寸为：130(±2)×2180(﹢5/0)×2660(﹢5/0)mm；不平度：1mm/m；表面粗糙度：Ra＜2.0μm；抗拉强度Rm＞900MPa；Rp0.2＞825MPa；A＞10％；化学成分如表1，显微组织如图1。板材成分、性能、组织及表面尺寸板型完全满足GJB2505A-2008要求。
表1案例一板材化学成分(wt/％)
| <![CDATA[<u>Al</u>]]> | <![CDATA[<u>V</u>]]> | <![CDATA[<u>Fe</u>]]> | <![CDATA[<u>C</u>]]> | <![CDATA[<u>N</u>]]> | <![CDATA[<u>H</u>]]> | <![CDATA[<u>O</u>]]> | <![CDATA[<u>单个</u>]]> | <![CDATA[<u>总和</u>]]> | <![CDATA[<u>基体</u>]]> |
| <![CDATA[<u>6.26</u>]]> | <![CDATA[<u>4.02</u>]]> | <![CDATA[<u>0.17</u>]]> | <![CDATA[<u>0.015</u>]]> | <![CDATA[<u>0.008</u>]]> | <![CDATA[<u>0.001</u>]]> | <![CDATA[<u>0.179</u>]]> | <![CDATA[<u>＜0.10</u>]]> | <![CDATA[<u>＜0.3</u>]]> | <![CDATA[<u>Ti</u>]]> |
实施例2：
步骤1，选用0级海绵钛和优质中间合金，按Ti-6.5Al-4.15V-0.165O-0.18Fe进行合金配比；将配比好的合金在3000吨油压机上压制成31～72kg合金块，在真空焊箱中焊接成电极；
步骤2，利用10吨自耗电弧炉(VAR)，经三次熔炼成Φ820的合金铸锭；三次VAR熔炼获得的铸锭，经车床车削扒皮、锯切冒口，得到合金铸锭；
步骤3，铸锭在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下200℃，保温150min；提升温度，加热至β相变点以上150℃，保温500min；加热的铸锭在4500T锻造机上，将Φ820×2106mm铸锭镦粗至Φ1020×1350mm，再展宽至750×1130×1290mm；
步骤4，展宽后的坯料，热料回炉，加热至β相变点以上100℃，保温200min；加热后的坯料在4500T锻造机上，按750×1130×1290mm→860×860×1500mm→1030×1030×1030mm→750×1130×1290mm进行镦拔变形；
镦拔后继续进行热料二次回炉，加热至β相变点以上80℃，保温200min；加热的坯料，在4500T锻造机上，按750×1130×1290mm→860×860×1500mm→1030×1030×1030mm→750×1130×1290mm进行二次镦拔变形；
二次镦拔后进行热料三次回炉，加热至β相变点以上80℃，保温200min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔；锻造后进行空冷，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；锻造后的坯料，空冷后，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；
步骤5，将经步骤4修磨后的坯料在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下40℃，保温550min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，按750×1130×1290mm→840×840×1500mm→1020×1020×1020mm→750×1130×1290mm进行镦拔变形；
然后将首次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下40℃，保温200min；加热后的坯料在4500T锻造机上，按750×1130×1290mm→840×840×1500mm→1020×1020×1020mm→750×1130×1290mm进行二次镦拔变形；
最后将经二次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下40℃，保温200min，最后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔，锻造后进行空冷，利用砂轮机进行修磨表面裂纹等缺陷；
步骤6，将步骤5修磨后的坯料，在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下40℃，保温550min；加热后的坯料在4500T锻造机上，750×1130×1290mm→600×1300×1310mm→380×1310×2050mm；
步骤7，将经步骤6锻造的板坯，空冷后，在龙门铣床上进行六面铇铣，铇铣后板坯尺寸365×1300×2030mm；铇铣的板坯，在均热炉中加热至β相变点以下150℃，保温300min后，再提升加热温度至β相变点以下40℃，保温400min；
步骤8，将经步骤7加热后的坯料365×1300×2030mm，在4200mm四辊可逆式热轧上以2030mm为宽，轧至145×2030×3270mm，道次压下量5～20mm，轧制速度0.3～1m/s，轧制变形量为50～60％；将轧制后的板材在箱式电阻炉中，进行热处理，热处理制度：750℃，保温150min，空冷至室温；热处理后的板材，在龙门式水切割机上，预切割成145×2000×2680mm；预切割后的板材，在龙门式铣床上就行六面铇铣，获得成品板材130×1980×2660mm。
本实施案例2，获得的成品板材尺寸为：130(±2)×1980(﹢5/0)×2660(﹢5/0)mm；不平度：1mm/m；表面粗糙度：Ra＜2.0μm。抗拉强度Rm＞900MPa；Rp0.2＞825MPa；A＞10％；化学成分如表2，显微组织如图2。板材成分、性能、组织及表面尺寸板型完全满足GJB2505A-2008要求。
表2案例一板材化学成分(wt/％)
| <![CDATA[<u>Al</u>]]> | <![CDATA[<u>V</u>]]> | <![CDATA[<u>Fe</u>]]> | <![CDATA[<u>C</u>]]> | <![CDATA[<u>N</u>]]> | <![CDATA[<u>H</u>]]> | <![CDATA[<u>O</u>]]> | <![CDATA[<u>单个</u>]]> | <![CDATA[<u>总和</u>]]> | <![CDATA[<u>基体</u>]]> |
| <![CDATA[<u>6.22</u>]]> | <![CDATA[<u>4.04</u>]]> | <![CDATA[<u>0.17</u>]]> | <![CDATA[<u>0.014</u>]]> | <![CDATA[<u>0.008</u>]]> | <![CDATA[<u>0.001</u>]]> | <![CDATA[<u>0.175</u>]]> | <![CDATA[<u>＜0.10</u>]]> | <![CDATA[<u>＜0.3</u>]]> | <![CDATA[<u>Ti</u>]]> |
Claims (3)
1.一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述宽幅超厚TC4钛合金板材厚度为130×≥2000×＞2500mm，具体包括以下步骤：
步骤1，选用0级海绵钛和优质中间合金，按名义成分进行合金配比，得到TC4合金，然后将得到的TC4合金在3000吨油压机上压制成合金块，最后在真空焊接箱中焊接成电极；
步骤2，将经步骤1得到的电极利用10吨自耗电弧炉经三次熔炼成合金铸锭，得到的合金铸锭经车床车削扒皮和锯切冒口，得到合金成品铸锭；
步骤3，将经步骤2得到的铸锭在箱式电阻加热炉中，加热至β相变点以下100~200℃，保温100~150min；提升温度，加热至β相变点以上150~200℃，保温500~600min，得到坯料；
步骤4，将经步骤3得到的坯料进行热料回炉，加热至β相变点以上100~120℃，保温200~250min，然后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行镦拔；
镦拔后继续进行热料二次回炉，加热至β相变点以上50~100℃，保温200~250min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行二次镦拔；
二次镦拔后进行热料三次回炉，加热至β相变点以上50~100℃，保温200~250min，然后将加热的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔；
步骤5，将经步骤4得到的坯料进行空冷后修磨，修磨后放入箱式电阻加热炉进行加热，加热至β相变点以下30~50℃，保温500~600min，然后将加热后的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行首次镦拔；
然后将首次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下30~50℃，保温150~200min；加热后的坯料，在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行二次镦拔；
最后将经二次镦拔后的坯料，进行热料回炉，加热至β相变点以下30~50℃，保温150~200min，最后在4500T锻造机上，按总锻造比为4进行三次镦拔，最后修复；
步骤6，经步骤5修复后的坯料放入箱式电阻加热炉中加热，加热至β相变点以下30~50℃，保温500~600min；然后在4500T锻造机上，展宽至板坯尺寸，进行多次回炉，回炉加热温度在β相变点以下30~50℃，保温100~150min，然后锻造展宽至板坯尺寸；
步骤7，将经步骤6得到的板坯进行铇铣，铇铣后在均热炉中加热；
步骤8，将经步骤7加热后的坯料，在4200mm四辊可逆式热轧上轧制至成品板材的厚度，道次压下量5~20mm，轧制速度0.3~1m/s，轧制变形量为50~60%；将轧制后的板材在箱式电阻炉中进行热处理，热处理温度为750~850℃，保温120~200min，然后空冷至室温，将热处理后的板材，在龙门式水切割机上，预切割长宽尺寸，最后在龙门式铣床上进行六面铇铣，获得成品板材。
2.根据权利要求1所述的一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤3中锻造过程为：将经加热的铸锭在4500T锻造机上，按锻造比1.4~1.6进行镦粗，再按30%的变形量进行展宽，展宽后长宽比为1.5，得到坯料。
3.根据权利要求1所述的一种宽幅超厚TC4钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤7中将经步骤6锻造后的板坯，空冷后，在龙门铣床上进行六面铇铣，单面铇铣量5~10mm；将铇铣的板坯在均热炉中加热至β相变点以下150~200℃，保温250~350min后，再提升加热温度至β相变点以下30~50℃，保温350~450min。
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