CN112439806A - 一种钛合金无缝管材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钛合金无缝管材的制备方法，包括以下步骤：(1)采用海绵钛和中间合金经过多次熔炼得到钛合金铸锭；(2)将熔炼得到的钛合金铸锭加热，进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上和钛合金相变点以下交错进行多火次镦拔，得到钛合金棒坯；(3)对钛合金棒材进行冲通孔，经镗孔后得到钛合金空心棒坯；(4)将加热后的钛合金空心棒坯内外表面涂布上润滑剂，然后对钛合金空心棒坯进行挤压，得到钛合金挤压管坯；(5)对钛合金挤压管坯进行一次成型精锻，得到精锻成品管坯；(6)整体热处理后进行矫直、机加，得钛合金无缝管材。采用本发明的制备方法制作出的钛合金无缝管材具有管材外径和外型可调、尺寸精度高、组织均匀性高等特点。

Description

一种钛合金无缝管材的制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金制作技术领域，尤其涉及一种采用挤压结合精锻制备高组织均匀性钛合金无缝管材的钛合金无缝管材的制备方法。
背景技术
随着钛及钛合金的应用，目前应用于舰船及海洋工程、海洋勘探仪器等方面的钛及钛合金无缝管材的需求随之增加，其钛合金无缝管材主要应用于其工作条件处于恶劣环境下的设备或部件，如油田测井仪外壳需置于海水下数千米，其所需承受的压力较大，且同时需承受海水和海洋生物腐蚀；又如置于数千米海深中的海洋勘探仪器外壳、承受较大压力通入腐蚀介质的管道等。
在现有技术中，制造钛合金无缝管主要分为两种制备工艺，一种是采用斜轧穿孔+热连轧工艺生产无缝管材，如专利文献CN103128102A、CN109280787A和CN103341491A均公开了一种钛合金油井管的生产方法，他们通过真空炉两次熔炼，多次锻造扒皮成圆坯，热穿孔得到毛管，毛管经五机架三辊连轧机，制得荒管，最终得到热轧无缝管。另一种方式是采用挤压工艺制备无缝管材，如专利文献CN105344731A提供了一种TC11钛合金无缝管的制备方法，如专利文献CN110280980A提出了一种飞行器起落架用TC4钛合金无缝管材的加工方法，均为棒坯经钻孔、加热、润滑、挤压、机加得到钛合金无缝管。
斜轧穿孔+热连轧工艺可以实现穿孔和成型一次完成，成本低，钛金属及工模具消耗相对较小，但变形温度高，变形剧烈，表面质量及材料组织性能难以控制；同时，热张力减径采用无芯棒空轧会导致无缝管内表面呈多边形，外表面损伤及内表面不圆使热轧无缝管在交付前需要较大量的表面修磨才能满足使用要求和尺寸精度。采用挤压工艺制备无缝管材，由于涉及圆棒坯钻中心通孔以及挤压工序，导致金属及工模具消耗大，会提高钛合金无缝管的生产成本；由于挤压润滑问题，管材内外表面易出现划伤、鼓肚、凹坑等变形不均匀现象；同时，管材内外径变形不一致，晶粒尺寸存在偏差，尺寸受挤压模具限制，内外径尺寸不可调。
因钛及钛合金价格昂贵以及特殊服役环境，因此，有必要探索一种管材组织性能优良、尺寸规格覆盖范围广的高组织均匀性钛合金无缝管材制备的新型技术。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种能够获得长度较长、管材的外径和外型可调、尺寸精度高、组织均匀性高钛合金无缝管材的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种钛合金无缝管材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用海绵钛和中间合金经过熔炼，得钛合金铸锭；
步骤二：将熔炼得到的钛合金铸锭加热，进行拉拔锻造，得钛合金棒坯；
步骤三：对钛合金棒材进行冲通孔，得钛合金空心棒坯；
步骤四：将加热后的钛合金棒坯的表面涂布上润滑剂，然后对钛合金进行挤压，得钛合金挤压管坯；
步骤五：对钛合金挤压管坯进行一次成型精锻，得精锻成品管坯；
步骤六：对精锻成品管坯进行热处理，并于热处理后进行矫直和机加，得大口径钛合金无缝管。
作为本发明的进一步方案：所述步骤一中的所述海绵钛和中间合金的熔炼次数设置为一次及以上。
优选的，所述海绵钛和中间合金在熔炼前，依次经挑选、配料、称重、再依次进行电极压制和电极焊接。
优选的，所述海绵钛采用粒度为0.83～12.7mm的MHT-100海绵钛、MHT-110海绵钛的一种或一种以上的组合。
优选的，所述熔炼采用真空自耗熔炼，且每次熔炼时的稳弧电流的波动设置为1A～6A。
优选的，所述熔炼后的钛合金铸锭的外径为φ300～φ1000mm。
作为本发明的进一步方案：所述步骤二中的所述拉拔锻造的方式为在钛合金相变点以上和钛合金相变点以下交错进行多火次镦拔。
优选的，所述拉拔锻造的具体设置方式如下：
A、在相变点以上开坯锻造，确保铸锭组织的均匀化；
B、在相变点以上与相变点以下交替多火次锻造，保证铸态大组织的充分破碎细化；
C、相变点以下多火次锻造的方式，保证棒坯组织的均匀性。
优选的，所述在钛合金变点以上多火次镦拔的加热温度采用Tβ+30～Tβ+50℃，镦粗变形量控制为40％～45％；所述在钛合金相变点以下多火次镦拔的加热温度采用Tβ-50～Tβ-20℃，镦粗变形量控制为38％～43％。
优选的，所述钛合金棒坯的外径为φ300～φ1300mm。
作为本发明的进一步方案：所述步骤三中，对钛合金棒材进行冲通孔的制备方式优选采用镗孔。
优选的，所述钛合金空心棒坯的外径为φ300～φ1300mm，中心孔内径为φ30～400mm。
作为本发明的进一步方案：为了获得表面质量更为优良的钛合金管，所述步骤四中的钛合金空心棒坯的表面粗糙度设置为Ra≤9μm。
优选的，所述润滑剂优先采用玻璃润滑剂、二硫化钼以及润滑脂。
优选的，所述挤压采用加热处理挤压方式实现，所述加热处理的温度设置为Tβ+30～Tβ+70℃，加热时间设置为20～300min。
作为本发明的进一步方案：所述对钛合金进行挤压的具体步骤为：
A、热处理完成后，在钛合金空心棒坯内外表面涂布玻璃粉，使表面呈晶莹熔融态；
B、将玻璃粉压制成厚40～120mm的圆环玻璃垫；
C、在挤压模和坯料之间加入玻璃垫，然后对钛合金棒进行挤压。
优选的，所述玻璃熔融态的厚度设置为0.1～1mm。
优选的，所述对钛合金棒进行挤压的挤压速度设置为5～130mm/s，挤压比控制为3％～30％。
优选的，所述钛合金挤压管坯的外径为φ80～φ950mm，内径为φ20～φ910mm，表面粗糙度Ra≤6.3μm。
作为本发明的进一步方案：所述步骤五中的精锻加热温度设置为Tβ-70～Tβ-20℃，加热时间设置为30～120min。
优选的，所述步骤五中，在进行精锻处理前，先对精锻成品管坯的表面刷涂层。
优选的，所述精锻成品管坯的外径为φ60～φ930mm，内径为φ20～φ900mm。
本发明还包括一种及以上的高组织均匀性的钛合金无缝管，其特征在于：采用上述的制备方法加工而成。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明相比现有技术中针对钛合金管的生产工艺中每道轧制后都要进行真空退后的方式，本发明所提供的钛合金无缝管材的生产工艺采用热挤压管坯，然后进行热精锻得到加工成品，这样既降低了电耗成本也缩短了生产周期，提高了成材率。
(2)本发明中在锻造过程中通过缩短流程时间、预热工装设备等方式严格控制温降，保证温度场的均匀性，根据组织要求合理设置礅拔次数，增加换向以保证应力、应变的均匀性；合金的组织在变形过程中具有遗传性，通过采取单相区(β)热挤压结合两相区(α+β)精锻的方式制备大口径钛合金无缝管材，同时制定合理的热处理工艺，优化合金中的相组分比例，最终获得了良好的微观组织。
(3)挤压后的管坯再进行精锻，通过调整精锻芯棒尺寸和精锻工艺参数，能够实现管材内外径及外型可调，制备出尺寸规格覆盖范围广的钛及钛合金无缝管。
(4)采用本发明方法制备的钛合金无缝管材其组织的均匀性较高，特别适用于舰船及海洋工程、海洋勘探等领域。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照实施时的具体步骤，对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
本发明提供了一种钛合金无缝管材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用海绵钛和中间合金经过熔炼，得钛合金铸锭；
步骤二：将熔炼得到的钛合金铸锭加热，进行拉拔锻造，得钛合金棒坯；
步骤三：对钛合金棒材进行冲通孔，得钛合金空心棒坯；
步骤四：将加热后的钛合金棒坯的表面涂布上润滑剂，然后对钛合金进行挤压，得钛合金挤压管坯；
步骤五：对钛合金挤压管坯进行一次成型精锻，得精锻成品管坯；
步骤六：对精锻成品管坯进行热处理，并于热处理后进行矫直和机加，得大口径钛合金无缝管。
实施例一：
以生产外径为φ600mm、内径为φ540mm的TC4无缝管材为例，其制备方法具体如下：
步骤一：真空熔炼得到φ780mm的铸锭；
步骤二：外表面机加扒皮后得到φ760的圆铸锭；
步骤三：在钛合金相变点以上(Tβ+20～Tβ+50℃)和钛合金相变点以下(Tβ-50～Tβ-20℃)交错进行多火次镦拔，得到φ1000mm钛合金棒坯；
步骤四：对钛合金棒材进行冲通孔，经镗孔后得到外径为φ950mm、中心孔直径φ385mm的钛合金空心棒坯，坯料的中心孔表面粗糙度不高于6.3微米；
步骤五：Tβ+50℃电炉加热，加热时间240min；
步骤六：出炉，内、外表面撒玻璃粉，表面熔融润滑剂厚度0.3～0.5mm；
步骤七：挤压速度按平均10mm/s进行控制，机加后得到外径φ665mm、内径φ560mm的挤压管坯，表面粗糙度不大于6.3微米；
步骤八：精锻：加热温度Tβ-50℃，保温90min，精锻后的尺寸为外径φ615、内径φ525mm；
步骤九：机加成品，得外径φ600mm、内径φ540mm的TC4无缝管材。
实施例二：
以生产外径为φ480mm、内径为φ430mm的TC11无缝管材为例，其制备方法具体如下：
步骤一：真空熔炼得到φ780mm的铸锭；
步骤二：外表面机加扒皮后得到φ760的圆铸锭；
步骤三：在钛合金相变点以上(Tβ+20～Tβ+50℃)和钛合金相变点以下(Tβ-50～Tβ-20℃)交错进行多火次镦拔，得到φ900mm钛合金棒坯；
步骤四：对钛合金棒材进行冲通孔，经镗孔后得到外径为φ870mm、中心孔直径φ385mm的钛合金空心棒坯，坯料的中心孔表面粗糙度不高于6.3微米；
步骤五：Tβ+50℃电炉加热，加热时间240min；
步骤六：出炉，内、外表面撒玻璃粉，表面熔融润滑剂厚度0.3～0.5mm；
步骤七：挤压速度按平均7mm/s进行控制，机加后得到外径φ545mm、内径φ440mm的挤压管坯，表面粗糙度不大于6.3微米；
步骤八：精锻：加热温度Tβ-50℃，保温90min，精锻后的尺寸为外径φ495、内径φ415mm；
步骤九：机加成品，得外径φ480mm、内径φ430mm的TC11无缝管材。
实施例三：
以生产外径为φ105mm、内径为φ75mm的TC11无缝管材为例，其制备方法具体如下：
步骤一：真空熔炼得到φ780mm的铸锭；
步骤二：外表面机加扒皮后得到φ760的圆铸锭；
步骤三：在钛合金相变点以上(Tβ+20～Tβ+50℃)和钛合金相变点以下(Tβ-50～Tβ-20℃)交错进行多火次镦拔，得到φ500mm钛合金棒坯；
步骤四：对钛合金棒材进行冲通孔，经镗孔后得到外径为φ460mm、中心孔直径φ90mm的钛合金空心棒坯，坯料的中心孔表面粗糙度不高于6.3微米；
步骤五：Tβ+50℃电炉加热，加热时间240min；
步骤六：出炉，内、外表面撒玻璃粉，表面熔融润滑剂厚度0.3～0.5mm；
步骤七：挤压：速度按平均30mm/s进行控制，机加后得到外径φ150mm、内径φ80mm的挤压管坯，表面粗糙度不大于6.3微米；
步骤八：精锻：加热温度Tβ-50℃，保温90min，精锻后的尺寸为外径φ115、内径φ65mm；
步骤九：机加成品，得外径φ105mm、内径φ75mm的TC11无缝管材。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钛合金无缝管材的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采用海绵钛和中间合金经过熔炼，得钛合金铸锭；
步骤二：将熔炼得到的钛合金铸锭加热，进行拉拔锻造，得钛合金棒坯；
步骤三：对钛合金棒材进行冲通孔，得钛合金空心棒坯；
步骤四：将加热后的钛合金棒坯的表面涂布上润滑剂，然后对钛合金进行挤压，得钛合金挤压管坯；
步骤五：对钛合金挤压管坯进行一次成型精锻，得精锻成品管坯；
步骤六：对精锻成品管坯进行热处理，并于热处理后进行矫直和机加，得大口径钛合金无缝管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的海绵钛采用粒度为0.83～12.7mm的MHT-100海绵钛、MHT-110海绵钛的一种或一种以上的组合。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述熔炼采用真空自耗熔炼，且每次熔炼时的稳弧电流的波动设置为1A～6A。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤二中的所述拉拔锻造的方式为在钛合金相变点以上和钛合金相变点以下交错进行多火次镦拔。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述拉拔锻造的具体设置方式如下：
步骤一：在相变点以上开坯锻造，确保铸锭组织的均匀化；
步骤二：在相变点以上与相变点以下交替多火次锻造，保证铸态大组织的充分破碎细化；
步骤三：相变点以下多火次锻造的方式，保证棒坯组织的均匀性。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述在钛合金相变点以上多火次镦拔的加热温度采用Tβ+30～Tβ+50℃，镦粗变形量控制为40％～45％；所述在钛合金相变点以下多火次镦拔的加热温度采用Tβ-50～Tβ-20℃，镦粗变形量控制为38％～43％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤四中的挤压采用加热处理挤压方式实现，所述加热处理的温度设置为Tβ+30～Tβ+70℃，加热时间设置为20～300min。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述对钛合金进行挤压的具体步骤为：
步骤一：热处理完成后，在钛合金空心棒坯内外表面涂布玻璃粉，使表面呈晶莹熔融态；
步骤二：将玻璃粉压制成厚40～120mm的圆环玻璃垫；
步骤三：在挤压模和坯料之间加入玻璃垫，然后对钛合金棒进行挤压。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤五中的精锻加热温度为Tβ-70～Tβ-20℃，加热时间为30～120min。
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