CN112517633B - 一种低成本钛合金短流程轧制工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种低成本钛合金短流程轧制工艺，该工艺的步骤包括：步骤一：将经过电子束冷床炉熔炼后的扁锭加热到相变点以上温度，进行第一火轧制，水冷后得到第一热轧板坯；步骤二：进行第二火热轧，得到第二热轧板坯；步骤三：进行中间再结晶退火处理；步骤四：进行第三热轧，得到第三热轧板坯；步骤五：进行成品退火处理，得到厚度为4mm～12mm的钛合金板坯。本发明操作简单，工艺稳定可控，采用电子束冷床炉熔炼方法得到的扁锭直接进行热轧，避免了铸锭制坯火次，降低了成本，同时满足了钛合金的相关指标要求。

Description

一种低成本钛合金短流程轧制工艺
技术领域
本发明是一种低成本钛合金短流程轧制工艺，属于钛合金材料加工技术领域。
背景技术
钛合金因具有高比强度、高抗冲击性能、优异的耐腐蚀性能、高韧性和可焊接等性能特点，广泛应用于航空航天、舰船等重要的工业领域，特别是新一代航空航天飞行器开始大量采用钛合金来实现其高减重、长寿命和低成本的设计与应用需求。钛合金不仅在航空航天领域用量的不断提升，在装甲车辆等兵器领域对钛合金的需求也越来越高，而钛合金居高不下的加工和使用成本已经成为制约其扩大应用的主要障碍，迫切需要发展低成本钛合金材料及其加工技术。
而如何降低钛合金材料与加工成本已经成为其在航空、航天、兵器和船舶等装备工业领域扩大用量以实现轻量化应用的技术瓶颈，因此低成本钛合金加工的研究越来越引起世界各国的重视。世界主要钛合金生产国包括美国、日本、俄罗斯、中国等都开展了低成本钛合金及其制备技术的研究。发展低成本钛合金主要途径有两条，一条是采用较廉价的合金元素代替较贵的合金元素，降低原材料的成本；另一条是降低合金制造成本和减少损耗。但是采用添加廉价Fe和Fe-Mo中间合金代替较贵的V等元素来降低材料成本，导致了焊接和疲劳等综合性能的降低从而限制了其推广应用。
目前，国内关于低成本钛合金板材的研究主要为多次真空自耗电弧熔炼+开坯锻造+多次轧制工艺，因此，迫切需要发展低成本钛合金板材短流程轧制技术，解决钛合金板材成本高的瓶颈问题，满足国内各领域日益增长的钛合金材料应用需求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种低成本钛合金短流程轧制工艺，其目的是通过较少的轧制火次实现降低板材轧制的成本，同时使操作简单、工艺稳定可控，保证了钛合金的性能指标。
为了降低钛合金材料制造的成本，本发明技术方案选择了冷床炉熔炼技术制备钛合金铸锭，冷床炉熔炼技术通过实现精炼提纯、减少成分偏析和净化高低密度杂质等效果。采用电子束冷床炉单次熔炼(EBCHM)钛合金扁锭，可以直接进行板材的短流程轧制，可代替多次真空自耗炉熔炼+多次轧制工艺试制的板材产品，在军用和民用领域得到推广应用。
在此基础上确定的本发明技术方案的内容如下：
本发明所述的低成本钛合金短流程轧制工艺的步骤如下：
步骤一、将电子束冷床炉熔炼后得到的扁形铸锭放入加热炉，加热至β相变点以上50℃～150℃后保温150min～250min，然后进行第一火轧制，水冷后进行表面修磨处理，得到厚度为50mm～80mm的第一火轧制板坯；
所述第一火轧制的轧制方向为单向轧制；
步骤二、将步骤一得到的第一火轧制板坯放入加热炉，加热至β相变点以下30℃～60℃后保温60min～90min，然后进行第二火轧制，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为20mm～30mm的第二火轧制板坯；
所述第二火轧制的轧制方向与第一火轧制的轧制方向交替垂直、平行；
步骤三、对步骤二得到的第二火轧制板坯进行再结晶退火处理；
步骤四、将步骤三再结晶退火处理后的第二火轧制板坯放入加热炉，加热至β相变点以下50℃～80℃后保温15min～25min，然后进行第三火轧制，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为4mm～12mm的第三火轧制板坯；
所述第三火轧制的轧制方向与第一火轧制的轧制方向平行；
步骤五、将步骤四得到的第三火轧制板坯进行成品退火处理，经酸洗和表面修磨处理后得到厚度为4mm～12mm的钛合金板坯成品。
在一种实施中，所述钛合金的牌号为TC4。
在一种实施中，步骤一中所述第一火轧制的道次数为5～8道次，每道次变形量为10％～25％。
在一种实施中，步骤二中所述第二火轧制的道次数为4～6道次，每道次变形量为10％～25％。
在一种实施中，步骤二中第二火轧制的前2～3个道次的轧制方向与第一火轧制的轧制方向垂直，后续道次的轧制方向与第一火轧制的轧制方向平行。
在一种实施中，步骤三中所述的再结晶退火处理的温度为800℃～900℃，保温时间为15min～25min。
在一种实施中，步骤四中所述第三火轧制的道次数为3～5道次，每道次变形量为15％～30％。
在一种实施中，步骤五中所述的成品退火处理的温度为700℃～800℃，保温时间为60min～120min。
本发明与现有技术相比具有以下特点及有益的技术效果：
(1)本发明技术方案是基于采用电子束冷床炉熔炼方法制备的钛合金扁锭可以不经过制坯过程而直接轧制成型的特点，步骤一中，通过在相变点以上50℃～150℃进行第一火大变形轧制，通过一火次轧制实现了钛合金传统工艺中开坯锻造和后续轧制变形的有效结合，缩短了工艺流程，节约了加工成本。在相变点以上50℃～150℃高温加热保温过程中，目的是均匀化组织，消除钛合金扁锭在熔炼过程中可能产生的组织性能差异，提高了组织的一致性和稳定性。随后进行一火次大变形轧制，充分破碎了粗大的原始β晶粒，通过控制轧制火次变形量和每道次变形量，实现了钛合金组织的动态再结晶与晶粒形核长大的综合平衡。最后迅速水冷淬火，抑制了在冷却过程中晶粒内析出的长条状α相的粗化，获得了细小均匀的片层组织。
(2)步骤二中，板坯前2～3个道次采用换向轧制工艺，后续道次进行常规轧制工艺，作用是充分破碎板材的晶界α相和长条状α相，获得等轴化的细晶组织，通过2～3个道次的换向轧制，消除了钛合金板坯的各项异性，通过一个火次轧制完成了两个轧制方向的变形，在两个方向上控制动态再结晶与晶粒形核长大的综合平衡。
(3)步骤三中，对钛合金板坯进行了再结晶退火处理，目的是通过静态再结晶，将前两次轧制后的板坯由于大变形而产生的相对粗大变形晶粒重新转变为无畸变的晶粒，进一步细化了晶粒组织，提高了工艺塑性，降低了板材的变形开坯倾向和翘曲变形，大大简化了生产工序，降低了工作量，提高了生产效率。同时消除了前两火次轧制后由于冷却不均匀和变形不均匀等而产生的残余应力，显著提高了板坯表面质量和尺寸精度。传统的热轧方法所采用的退火处理，是基于多火次开坯锻造后细小的均匀晶粒，目的仅仅是消除由于变形不均匀而产生的残余应力，而步骤三所采用的再结晶退火，则结合了消除残余应力和细化晶粒两个过程，有效缩短了工艺流程，节约了加工成本。
(4)步骤四中，进一步降低了轧制温度，等轴α获得了更为充分的细化和均匀化，获得等轴化的细晶组织。
(5)本发明基于采用电子束冷床炉熔炼方法制备的钛合金扁锭可以不经过制坯过程而直接轧制成型的特点，采用一火次“β单相区大变形轧制后淬火以细化晶粒组织、多道次大变形热轧、换向轧制、中间再结晶退火”相结合的工艺路线，通过对轧制加热温度、保温时间、轧制火次变形量、每道次变形量、再结晶退火温度等工艺参数的综合控制，实现了钛合金组织的动态再结晶与晶粒形核长大的综合平衡，从而以较少的轧制火次成功实现了低成本钛合金板材的组织均匀化和细晶化的技术问题，降低了低成本钛合金的轧制成本。满足了钛合金的相关指标要求，具有良好的工艺可行性和批量生产一致稳定性。
附图说明
图1为实施例1所获得的钛合金的显微组织照片
图2为实施例2所获得的钛合金的显微组织照片
图3为实施例3所获得的钛合金的显微组织照片
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1
采用本发明方法制备厚度为5mm的TC4钛合金板材的具体步骤为：
步骤一：将化学成分检验合格的采用电子束冷床炉熔炼制备的TC4钛合金200mm厚扁锭在β相变点以上90℃的加热炉中保温180min后，进行6道次的第一火轧制，保持第一热轧的轧制方向为单向轧制，各道次变形量分别为：15％，20％，20％，25％，20％，15％，然后浸水快速冷却至室温，经表面修磨处理得到厚度为55mm的中间板坯；
步骤二：将步骤一所述第一热轧板坯在β相变点以下35℃的加热炉中保温70min后，进行5道次的第二火轧制，其中前3个道次轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，其他2道次轧制方向与第一热轧的轧制方向平行，各道次变形量分别为：12％，15％，20％，15％，11％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为22mm的第二热轧板坯；
步骤三：将步骤三种所述第二热轧板坯进行再结晶退火处理，具体过程：将步骤三中所述第二热轧板坯置于退火炉中，在温度为820℃条件下保温18min后在空气中冷却；
步骤四：将步骤三所述第二热轧板坯在β相变点以下50℃的加热炉中保温16min后，进行5道次的第三火轧制，保持第三热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向平行，各道次变形量分别为：22％，25％，30％，25％，25％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为5mm的第三热轧板坯；
步骤五：将步骤四所述第三热轧板在720℃条件下加热保温80min后在空气中冷却，经酸洗和表面修磨处理后，得到厚度为5mm的TC4钛合金板坯；
采用本实施例制备的TC4钛合金板坯在室温条件下的抗拉强度为918MPa，屈服强度为854MPa，延伸率为13.5％，断面收缩率为40.6％，显微组织如图1所示，满足相关技术标准要求。
实施例2
采用本发明方法制备厚度为8mm的TC4钛合金板材的具体步骤：
步骤一：将化学成分检验合格的采用电子束冷床炉熔炼制备的TC4钛合金220mm厚扁锭在β相变点以上120℃的加热炉中保温200min后，进行7道次的第一火轧制，保持第一热轧的轧制方向为单向轧制，各道次变形量分别为：12％，15％，20％，20％，20％，12％，12％，然后浸水快速冷却至室温，经表面修磨处理得到厚度为65mm的中间板坯。
步骤二：将步骤一所述第一热轧板坯在β相变点以下45℃的加热炉中保温80min后，进行6道次的第二火轧制，其中前3个道次轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，其他3道次轧制方向与第一热轧的轧制方向平行，各道次变形量分别为：12％，15％，20％，15％，15％，11％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为25mm的第二热轧板坯。
步骤三：将步骤三种所述第二热轧板坯进行再结晶退火处理，具体过程：将步骤三中所述第二热轧板坯置于退火炉中，在温度为850℃条件下保温20min后在空气中冷却。
步骤四：将步骤三所述第二热轧板坯在β相变点以下65℃的加热炉中保温20min后，进行4道次的第三火轧制，保持第三热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向平行，各道次变形量分别为：18％，30％，30％，20％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为8mm的第三热轧板坯。
步骤五：将步骤四所述第三热轧板在750℃条件下加热保温90min后在空气中冷却，经酸洗和表面修磨处理后，得到厚度为8mm的TC4钛合金板坯。
采用本实施例制备的TC4钛合金板坯在室温条件下的抗拉强度为911MPa，屈服强度为853MPa，延伸率为11.8％，断面收缩率为39.4％，显微组织如图2所示，满足相关技术标准要求。
实施例3
采用本发明方法制备厚度为10mm的TC4钛合金板材的具体步骤：
步骤一：将化学成分检验合格的采用电子束冷床炉熔炼制备的TC4钛合金250mm厚扁锭在β相变点以上150℃的加热炉中保温240min后，进行7道次的第一火轧制，保持第一热轧的轧制方向为单向轧制，各道次变形量分别为：12％，15％，20％，20％，20％，12％，11％，然后浸水快速冷却至室温，经表面修磨处理得到厚度为75mm的中间板坯。
步骤二：将步骤一所述第一热轧板坯在β相变点以下60℃的加热炉中保温90min后，进行4道次的第二火轧制，其中前2个道次轧制方向与第一热轧的轧制方向垂直，其他2道次轧制方向与第一热轧的轧制方向平行，各道次变形量分别为：16％，25％，25％，15％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为30mm的第二热轧板坯。
步骤三：将步骤三种所述第二热轧板坯进行再结晶退火处理，具体过程：将步骤三中所述第二热轧板坯置于退火炉中，在温度为900℃条件下保温28min后在空气中冷却。
步骤四：将步骤三所述第二热轧板坯在β相变点以下70℃的加热炉中保温25min后，进行4道次的第三火轧制，保持第三热轧的轧制方向与第一热轧的轧制方向平行，各道次变形量分别为：15％，30％，30％，20％，空冷后进行表面修磨处理得到厚度为10mm的第三热轧板坯。
步骤五：将步骤四所述第三热轧板在780℃条件下加热保温120min后在空气中冷却，经酸洗和表面修磨处理后，得到厚度为10mm的TC4钛合金板坯。
采用本实施例制备的TC4钛合金板坯在室温条件下的抗拉强度为908MPa，屈服强度为848MPa，延伸率为12.9％，断面收缩率为42.7％，显微组织如图3所示，满足相关技术标准要求。

Claims (4)

1.一种低成本钛合金短流程轧制工艺，其特征在于：该工艺步骤如下：
步骤一、将电子束冷床炉熔炼后得到的扁形铸锭放入加热炉，加热至β相变点以上50℃～150℃后保温150min～250min，然后进行第一火轧制，水冷后进行表面修磨处理，得到厚度为50mm～80mm的第一火轧制板坯；
所述第一火轧制的轧制方向为单向轧制，第一火轧制的道次数为5～8道次，每道次变形量为10％～25％；
步骤二、将步骤一得到的第一火轧制板坯放入加热炉，加热至β相变点以下30℃～60℃后保温60min～90min，然后进行第二火轧制，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为20mm～30mm的第二火轧制板坯；
第二火轧制的道次数为4～6道次，每道次变形量为10％～25％，其中前2～3个道次的轧制方向与第一火轧制的轧制方向垂直，后续道次的轧制方向与第一火轧制的轧制方向平行；
步骤三、对步骤二得到的第二火轧制板坯进行再结晶退火处理，温度为800℃～900℃，保温时间为15min～25min；
步骤四、将步骤三再结晶退火处理后的第二火轧制板坯放入加热炉，加热至β相变点以下50℃～80℃后保温15min～25min，然后进行第三火轧制，空冷后进行表面修磨处理，得到厚度为4mm～12mm的第三火轧制板坯；
所述第三火轧制的轧制方向与第一火轧制的轧制方向平行；
步骤五、将步骤四得到的第三火轧制板坯进行成品退火处理，经酸洗和表面修磨处理后得到厚度为4mm～12mm的钛合金板坯成品。
2.根据权利要求1所述的低成本钛合金短流程轧制工艺，其特征在于：所述钛合金的牌号为TC4。
3.根据权利要求1所述的低成本钛合金短流程轧制工艺，其特征在于，步骤四中所述第三火轧制的道次数为3～5道次，每道次变形量为15％～30％。
4.根据权利要求1所述的低成本钛合金短流程轧制工艺，其特征在于，步骤五中所述的成品退火处理的温度为700℃～800℃，保温时间为60min～120min。
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