CN112517659A - 一种等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，该工艺的步骤如下：步骤一：将钛合金坯料加热，进行热轧；步骤二：进行眼膜热拉拔；步骤三：进行中间再结晶退火；步骤四：进行辊模冷拉拔，步骤五：充氩在线连续退火。本发明操作简单，工艺稳定可控，采用本发明加工的丝材，直径公差控制在±0.02mm，椭圆度≤0.02mm，满足了等离子弧/电弧增材制造用高品质丝材的工艺和技术要求，应用前景广阔。

Description

一种等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法
技术领域
本发明是一种等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，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、高韧性和可焊接等诸多优点，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。随着钛合金在航空航天领域用量的不断提升，加工和使用成本已经成为制约其扩大应用的主要障碍。
受到钛合金本性的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造这些大型复杂钛合金关键结构件，不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业设备，而且锻造工序繁多、工艺复杂，且零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5～10％)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长，严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用。
高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”制造技术，利用快速原型制造的基本原理，以金属粉末(或丝材)为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本、先进“近净成形”制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景。
而在高效等离子弧/电弧熔丝增材成形过程中，通过对刚凝微区同步施加连续小压力锻造，对刀具可达性差、干涉严重的表面和存在冶金缺陷的区域开展机械铣削加工，解决了宏微观组织细化、力学性能均匀一致、冶金缺陷受控、变形与残余应力减小、尺寸精度及表面质量改善等关键技术问题，实现了高性能大型金属构件在同一平台、同一工位上的增-等-减材高效高精度超短流程复合制造。
目前，国内现有钛合金丝材主要应用于焊丝和紧固件领域，采用现有设备制备的钛合金丝材存在着尺寸控制精度不高(直径允许偏差0～-0.08mm)，形态控制不均匀(不圆度≤0.08mm)、生产效率低以及表面质量控制不严格等诸多问题，严重影响了等离子弧/电弧增材制造的生产效率，导致制备的制件尺寸精度不够、内部产生缺陷等质量问题，在实际使用过程中，同时存在夹丝、断丝、丝材扭滚、送丝不畅等诸多问题，无法实现等离子弧/电弧熔锻铣复合增材制造用丝材的使用要求。因此，迫切需要发展能够满足等离子弧/电弧增材制造用丝材的加工方法，解决了常规增材制造因缺失锻造，导致组织不均匀、性能各向异性、力学性能难及锻件水平等诸多问题，满足日益增长的等离子弧/电弧增材制造用高品质钛合金丝材的迫切需求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术的不足而设计提供了一种等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其目的是通过热轧、热拉拔、再结晶退火、眼膜冷拉拔、在线退火、辊模冷拉拔以及真空退火处理的组合，实现了高品质等离子弧/电弧增材制造丝材的加工，操作简单，工艺稳定可控。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法的步骤如下：
步骤一：将成分检验合格的钛合金坯料放入电阻炉中，加热至β相变点以下20℃～60℃并保温60min～120min，再进行多道次热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф9.0mm～Ф10.0mm的与拉拔口径相应的盘条丝材；
步骤二：将步骤一得到的盘条丝材表面涂覆润滑剂后放入电阻炉中，加热至β相变点以下100℃～200℃，进行多道次热拉拔，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф4.0mm～Ф5.0mm的钛合金丝材；
步骤三：将步骤二得到的钛合金丝材坯料进行再结晶退火处理；
步骤四：将步骤三完成再结晶退火处理的钛合金丝材坯料在辊模拉丝机上进行多道次光亮冷拉拔，得到钛合金丝材；
步骤五：将步骤四得到的钛合金丝材进行充氩在线连续退火处理，得到尺寸符合精度要求的钛合金丝材成品。
在一种实施中，步骤一所述钛合金坯料为Ф50.0mm～Ф90.0mm的车光圆棒，表面无缺陷损伤。
在一种实施中，步骤二中所述多道次热拉拔时，拉拔速度为7m～30m/min，每拉伸道次变形量低于30％，丝材表面需涂覆乳化液作为拉拔润滑剂。
在一种实施中，步骤三中所述再结晶退火处理采用的加热炉为井式电阻炉，加热温度为800℃～900℃，保温时间为60min～120min。
在一种实施中，步骤四中所述多道次光亮冷拉拔时，拉拔速度为30m～300m/min，每拉伸道次变形量低于25％，丝材表面需涂覆乳化液作为拉拔润滑剂。
在一种实施中，步骤四中得到的钛合金丝材直径为0.6mm～Ф3.0mm。
在一种实施中，步骤四中得到的钛合金丝材直径公差为±0.02mm，椭圆度≤0.02mm。
在一种实施中，步骤五中所述充氩在线连续退火处理时，炉内所充氩气的纯度≥99.99％，并保持有惰性气体溢出为准的微正压。
在一种实施中，步骤五中所述充氩在线连续退火处理的退火温度为700℃～850℃。
在一种实施中，步骤五中所述充氩在线连续退火处理时，丝材行走速度为3m～10m/min。
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)本发明获得了一种等离子弧/电弧增材制造用高品质钛合金丝材的加工方法。步骤一中，采用操作简单的热轧设备将钛合金坯料热轧成适合于后续热拉拔的盘条丝材，经过多道次热轧，合金显微组织获得充分细化和均匀化。
(2)步骤二中，将表面涂覆润滑剂的盘条丝材进行多道次均匀热拉拔，在细化丝材直径的同时，丝材显微组织产生了均匀连续变形。
(3)步骤三中，对钛合金丝材进行再结晶退火处理，目的是消除钛合金丝材在连续拉拔过程中由于局部变形不均匀而产生的残余应力，通过静态再结晶退火，进一步细化晶粒组织，提高了工艺塑性。
(4)步骤四中，将经过再结晶退火后的丝材表面涂覆润滑剂后进行多道次光亮冷拉拔，相对与传统眼膜冷拉拔工艺，采用先进的辊模拉丝机可以提高拉拔速度，提高生产效率，同时由于模具精度高，可以有效提高丝材表面的光亮度，同时保证了丝材的直径公差和椭圆度要求，在等离子弧/电弧熔锻铣复合增材制造实际使用过程中，解决了由于丝材尺寸精度不够存在的夹丝和断丝等使用问题。
(5)步骤五中，将最终得到的丝材进行充氩在线连续退火，消除丝材的残余应力，同时通过将盘圆丝材经过近100m的充氩在线连续退火，达到了等离子弧/电弧增材熔锻铣复合增材制造用高品质丝材苛刻的直线度要求，当盘圆丝材在使用时，丝材打开后呈现一根笔直直线的状态，解决了传统真空退火炉由于空间有限，丝材退火后无法保证直线度的问题，避免了丝材使用过程中存在丝材扭滚和送丝不畅等诸多问题，同时有效去除合金丝材在加工过程中潜在的表面氢污染。
(6)本发明有效结合了热轧、热拉拔、再结晶退火、辊模冷拉拔以及充氩在线连续退火等处理手段，严格控制热轧温度、保温时间以及热轧道次变形量等，使钛合金显微组织获得充分的细化和均匀化，有利于后续拉拔工序的顺利实施；在后续热拉拔和冷拉拔过程中，严格控制道次变形量，提供合理可行有效的润滑辅助措施，避免了在拉拔过程中可能产生的裂纹、缺陷甚至断丝现象的出现；在拉拔过程中，合理安排再结晶退火和在线连续退火工序，有效去除了钛合金丝材在拉拔过程可能产生由于局部变形不均匀导致的残余应力，通过冲氩在线连续退火，实现了静态再结晶退火，进一步细化了晶粒组织，同时保证了合金丝材的直线度以及表面可能存在的渗氢问题，有效解决了现有钛合金丝材存在的尺寸控制精度不高，形态控制不均匀、生产效率低以及表面质量控制不严格等诸多问题。
具体实施方式
以下将结合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直径为1.0mm的TC4钛合金丝材的步骤如下：
步骤一：将化学成分检验合格TC4钛合金Ф85.0mm车光棒料在β相变点以下30℃的箱式电阻炉中保温100min，进行7道次轧制，每道次轧制后的丝材直径分别Ф55.0mm、Ф43.0mm、Ф32.0mm、Ф24.0mm、Ф18.0mm、Ф14.2mm、Ф11.5mm，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф9.2mm的适合拉拔口径的盘条丝材。
步骤二：将步骤一所述盘条丝材表面涂覆石墨乳润滑剂后，在β相变点以下180℃的在线电阻炉中加热，进行8道次热拉拔，每道次热拉后的丝材直径分别Ф8.5mm、Ф8.0mm、Ф7.5mm、Ф6.5mm、Ф6.0mm、Ф5.5mm、Ф5.0mm、Ф4.3mm空冷后进行表面修磨处理，拉拔速度控制在16m/min，得到直径为Ф4.1mm的钛合金丝材。
步骤三：将步骤二种所述钛合金丝材放置井式退火炉中进行再结晶退火，在温度为820℃条件下保温80min后在空气中冷却。
步骤四：将步骤五所述钛合金丝材表面涂覆乳化液后在辊模拉丝机上进行13道次光亮冷拉拔，每道次辊模冷拉拔后丝材直径分别为Ф3.9mm、Ф3.5mm、Ф3.1mm、Ф2.7mm、Ф2.4mm、Ф2.2mm、Ф2.0mm、Ф1.8mm、Ф1.6mm、Ф1.4mm、Ф1.2mm、Ф1.1mm、Ф1.0mm，拉拔速度控制在80m/min，得到Ф1.0mm的钛合金丝材。
步骤五：将步骤四所述钛合金丝材进行填充高纯氩气的连续退火炉中进行退火，退火温度为800℃，丝材丝材行走速度为8m/min。所得到Ф1.0mm的TC4钛合金丝材直径公差为-0.01mm～0.02mm，椭圆度为0.01mm。
实施例2
采用本发明方法制备直径为1.6mm的TC4钛合金丝材的步骤如下：
步骤一：将化学成分检验合格TC32钛合金Ф70.0mm车光棒料在β相变点以下20℃的箱式电阻炉中保温90min，进行7道次轧制，每道次轧制后的丝材直径分别Ф52.0mm、Ф41.0mm、Ф30.0mm、Ф23.0mm、Ф17.0mm、Ф14.0mm、Ф11.0mm，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф9.8mm的适合拉拔口径的盘条丝材。
步骤二：将步骤一所述盘条丝材表面涂覆石墨乳润滑剂后，在β相变点以下150℃的在线电阻炉中加热，进行10道次热拉拔，每道次热拉后的丝材直径分别Ф9.3mm、Ф8.8mm、Ф8.2mm、Ф7.8mm、Ф7.0mm、Ф6.5mm、Ф6.0mm、Ф5.5mm、Ф5.0mm、Ф4.5mm，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф4.3mm的钛合金丝材。
步骤三：将步骤二种所述钛合金丝材放置井式退火炉中进行再结晶退火，在温度为880℃条件下保温90min后在空气中冷却。
步骤四：将步骤三所述钛合金丝材表面涂覆乳化液后在辊模拉丝机上进行10道次光亮冷拉拔，每道次辊模冷拉拔后丝材直径分别为Ф4.2mm、Ф3.8mm、Ф3.4mm、Ф3.0mm、Ф2.6mm、Ф2.3mm、Ф2.1mm、
Ф1.9mm、Ф1.7mm、Ф1.6mm，拉拔速度控制在150m/min，得到Ф1.6mm的钛合金丝材。
步骤五：将步骤四所述钛合金丝材进行填充高纯氩气的连续退火炉中进行退火，退火温度为780℃，丝材丝材行走速度为6m/min。所得到Ф1.6mm的TC32钛合金丝材直径公差为-0.01mm～0.01mm，椭圆度为0.01mm。
实施例3
采用本发明方法制备直径为2.4mm的TC4钛合金丝材的步骤如下：
步骤一：将化学成分检验合格TA15钛合金Ф65.0mm车光棒料在β相变点以下35℃的箱式电阻炉中保温80min，进行7道次轧制，每道次轧制后的丝材直径分别Ф50.0mm、Ф39.0mm、Ф30.0mm、Ф22.0mm、Ф16.0mm、Ф13.0mm、Ф11.0mm，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф9.5mm的适合拉拔口径的盘条丝材。
步骤二：将步骤一所述盘条丝材表面涂覆石墨乳润滑剂后，在β相变点以下120℃的在线电阻炉中加热，进行9道次热拉拔，每道次热拉后的丝材直径分别Ф9.0mm、Ф8.5mm、Ф8.0mm，Ф7.5mm、Ф7.0mm、Ф6.5mm、Ф6.0mm、Ф5.5mm、Ф5.0mm，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф4.8mm的钛合金丝材。
步骤三：将步骤二种所述钛合金丝材放置井式退火炉中进行再结晶退火，在温度为850℃条件下保温100min后在空气中冷却。
步骤四：将步骤三所述钛合金丝材表面涂覆乳化液后在辊模拉丝机上进行7道次光亮冷拉拔，每道次辊模冷拉拔后丝材直径分别为Ф4.3mm、Ф4.2mm、Ф3.8mm、Ф3.4mm、Ф3.0mm、Ф2.6mm、Ф2.4mm拉拔速度控制在120m/min，得到Ф2.4mm的钛合金丝材。
步骤五：将步骤四所述钛合金丝材进行填充高纯氩气的连续退火炉中进行退火，退火温度为820℃，丝材丝材行走速度为10m/min。所得到Ф2.4mm的TA15钛合金丝材直径公差为-0.02mm～0.01mm，椭圆度为0.02mm。

Claims (10)

1.一种等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤一：将成分检验合格的钛合金坯料放入电阻炉中，加热至β相变点以下20℃～60℃并保温60min～120min，再进行多道次热轧，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф9.0mm～Ф10.0mm的与拉拔口径相应的盘条丝材；
步骤二：将步骤一得到的盘条丝材表面涂覆润滑剂后放入电阻炉中，加热至β相变点以下100℃～200℃，进行多道次热拉拔，空冷后进行表面修磨处理，得到直径为Ф4.0mm～Ф5.0mm的钛合金丝材；
步骤三：将步骤二得到的钛合金丝材坯料进行再结晶退火处理；
步骤四：将步骤三完成再结晶退火处理的钛合金丝材坯料在辊模拉丝机上进行多道次光亮冷拉拔，得到钛合金丝材；
步骤五：将步骤四得到的钛合金丝材进行充氩在线连续退火处理，得到尺寸符合精度要求的钛合金丝材成品。
2.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤一所述钛合金坯料为Ф50.0mm～Ф90.0mm的车光圆棒，表面无缺陷损伤。
3.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤二中所述多道次热拉拔时，拉拔速度为7m～30m/min，每拉伸道次变形量低于30％，丝材表面需涂覆乳化液作为拉拔润滑剂。
4.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤三中所述再结晶退火处理采用的加热炉为井式电阻炉，加热温度为800℃～900℃，保温时间为60min～120min。
5.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤四中所述多道次光亮冷拉拔时，拉拔速度为30m～300m/min，每拉伸道次变形量低于25％，丝材表面需涂覆乳化液作为拉拔润滑剂。
6.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤四中得到的钛合金丝材直径为Ф0.6mm～Ф3.0mm。
7.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤四中得到的钛合金丝材直径公差为±0.02mm，椭圆度≤0.02mm。
8.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤五中所述充氩在线连续退火处理时，炉内所充氩气的纯度≥99.99％，并保持有惰性气体溢出为准的微正压。
9.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤五中所述充氩在线连续退火处理的退火温度为700℃～850℃。
10.根据权利要求1所述的等离子弧/电弧增材制造用钛合金丝材加工方法，其特征在于：步骤五中所述充氩在线连续退火处理时，丝材行走速度为3m～10m/min。
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