CN112626372A - 钛合金板材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金板材及其制造方法，以其总重为100 wt.%计算，该钛合金板材包括以下成份：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。本发明的钛合金材料借由添加钆，并佐以轧制工法的搭配，制造出具有更高强度及延展性的钛合金板材。

Description

钛合金板材及其制造方法

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及延展性的钛合金板材及其制造方法。

背景技术

高尔夫球杆头需要有极强的强度与韧性，因为杆头时常以极高的挥杆速度来撞击高尔夫球，且基于性能方面考虑，杆头外壳通常越轻越好，才能有更多的配重空间，因此打击面的厚度通常介于2~4mm之间，这进一步的加深了对于材料性能的考验，所以对于杆头方面的材料选用，条件通常极为苛刻。

之前本申请人的专利文献(中国台湾申请号：108116204)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，制造出高耐腐蚀性、高抗拉及屈服强度、及高韧性等特质的钛合金板，其说明书可并入本文作为参考(Incorporated by Reference)。然而，由于产业竞争与持续创新的需求，追求更高强度、更优秀的材料为本公司努力的方向。因此，便有需要提供一种在强度及延展性方面有更加高的效能与质量的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及延展性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100 wt.%计算，该钛合金板材包括以下成份：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

在一些实施例中，该钛合金板材的抗拉强度介于170~182KSI之间，且该钛合金板材的延伸率介于12~19%之间。

本发明还提供一种钛合金板材，以其总重为100 wt.%计算，该钛合金板材由以下成份所组成：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

本发明更提供一种钛合金板材制造方法，包括下列步骤：对含有钛、铝、钒及钆的各个材料进行一熔炼制程，以形成一铸锭；对该铸锭进行一锻造制程(forging process)而形成一板胚：以及对该板胚进行一轧制制程(rolling process)而形成一钛合金板材，其中该轧制制程包括：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750±50℃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750±50℃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：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

在一些实施例中，该熔炼制程包括：采用海绵钛、钛铝合金、铝钒合金及氧化钆进行真空电弧自耗熔炼。

在一些实施例中，该熔炼制程包括：采用纯钛、纯铝、纯钒及纯钆进行真空电弧自耗熔炼。

在一些实施例中，该锻造制程包括：

进行一第一锻造步骤：在加热温度1180±20℃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980±10℃之间，将该第一锻造步骤后的该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±10℃之间，将该第二锻造步骤后的该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940±10℃之间，将该第三锻造步骤后的该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：820±40℃之间，将该第四锻造步骤后的该坯料进行单向压下及四周整形交替操作，并锻制成该板坯。

在一些实施例中，该钛合金板材的使用温度处于马氏体转换的起始温度之下700℃~800℃。

在一些实施例中，该钛合金板材的抗拉强度介于170~182KSI之间，且该钛合金板材的延伸率介于12~19%之间。

本发明还提供另一种钛合金板材的制造方法，包括下列步骤：

对含有钛、铝、钒及钆的各个材料进行一熔炼制程，以形成一铸锭；

对该铸锭进行一锻造制程而形成一板胚：以及

对该板胚进行一轧制制程而形成一钛合金板材，其中该轧制制程包括：

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750±50℃之间，将该第一热处理步骤后的该板胚进行滚轧，使该板胚的该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该板胚进行水淬；以及

进行一第四热处理步骤：在加热温度750±50℃之间，将该第三热处理步骤后的该板胚进行换向滚轧，使该板胚的该第二厚度减至第三厚度；

其中该钛合金板材由以下成份所组成：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

本发明的钛合金材料借由添加钆(Gd)，并佐以轧制工法的搭配，制造出具有更高强度及延展性的新型钛合金板材。本发明钛合金板材对比业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)，拥有更佳的强度及延展性。

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 为本发明的锻造制程的流程示意图；

图3 为本发明的轧制制程的流程示意图；

图4 为业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)的光学显微镜(OM)-1000倍金相图；

图5 为业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)的扫描式电子显微镜(SEM)-1000倍金相图；

图6 为业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)的扫描式电子显微镜(SEM)-5000倍金相图；

图7 为本发明钛合金材料的光学显微镜(OM)-1000倍金相图；

图8 为本发明钛合金材料的扫描式电子显微镜(SEM)-1000倍金相图；

图9 为本发明钛合金材料的扫描式电子显微镜(SEM)-5000倍金相图。

附图中的符号说明：

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，配合附图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，对含有钛、铝、钒及钆的各个材料进行一熔炼制程，以形成一铸锭。在本实施例中，该熔炼制程可采用海绵钛、钛铝合金、铝钒合金及氧化钆进行真空电弧自耗熔炼。在另一实施例中，该熔炼制程也可采用纯钛、纯铝、纯钒及纯钆进行真空电弧自耗熔炼。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。

举例，该熔炼制程以海绵钛、钛铝合金、铝钒合金、氧化钆为原料配置合金料，各组成分依照设计质量配比后，进行真空自耗熔炼炉熔炼，熔炼次数为3次，一次锭直径为120mm，二次锭直径为170 mm，三次锭直径为220 mm。铸锭生产工艺流程如下：海绵钛→挑料→混料→布料→压制电极→电极组焊→熔炼→铸锭处理、分析检验→入库。根据所确定的工艺路线、合金化方式及所制定的试制方案熔炼出直径Φ220 mm的铸锭。铸锭扒除表面污染层及皮下气孔缺陷后，在距离铸锭冒口和底部均为50 mm位置，取化学成分和气体分析样品。采用标准方法，完成了成分检测，结果见表1。可见，铸锭中各主要元素及杂质元素均满足试制要求，成分控制达到了预期目标。

编号	Al	V	Gd	Ti	Fe	H	O	N	C
										实施例1	6.10	4.37	0.08	bal.	0.09	0.0088	0.009	0.006	0.026
实施例2	6.33	4.32	0.05	bal.	0.11	0.0075	0.029	0.015	0.030
										实施例3	6.76	3.37	0.1	bal.	0.12	0.0051	0.026	0.006	0.022
实施例4	5.97	4.52	0.012	bal.	0.07	0.0095	0.031	0.018	0.036

表1 铸锭成分比例

在步骤S200中，对该铸锭进行一锻造制程(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为本发明的锻造制程的流程示意图。该锻造制程包括：进行一第一锻造步骤S210，开坯：在加热温度1180±20℃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980±10℃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±10℃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940±10℃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，在加热温度：820±40℃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400 mm×300 mm×60 mm的板坯。

在步骤S300中，对该板胚进行一轧制制程(rolling process)而形成一钛合金板材。举例，采用轧辊宽度为400 mm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为本发明的轧制制程的流程示意图。在本实施例中，该轧制制程包括：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δ60 mm→δ30 mm；进行一第二热处理步骤S320：在加热温度750±50℃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δ30 mm→δ15 mm；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750±50℃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δ15 mm→δ4±0.6 mm。搭配钛合金的新的成份比例，本发明的新的轧制制程可再提升钛合金板材具有更佳的强度与延展性。

该钛合金板材包括以下成份：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质，如表2。本发明借由添加稀土元素：钆(Gd)，并佐以轧制工法(即压延工法)的搭配，制造出具有更高强度的新型钛合金材料。

设计成分

Al

V

Gd

Ti

Fe

H

O

N

C

成分比例( wt.%)

5~7

3~5

0.04~0.13

bal.

<0.2

<0.015

<0.2

<0.03

<0.05

表2

本发明添加少量的稀土元素钆(Gd)，并以特殊轧制工法使其晶粒产生方向性，进而使材料特定的方向大幅提升强度，并利用适当的退火方式使其材料因轧制工法降低的延伸率回复，进而获得高强度且高延展性的钛合金材料。图4~6为业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)的光学显微镜(OM)与扫描式电子显微镜(SEM)金相图，图7~9为本发明钛合金材料的光学显微镜(OM)与扫描式电子显微镜(SEM)金相图。相较于图4~6的业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)，图7~9显示本发明钛合金材料添加微量的钆(Gd)会使晶粒细化，因此在后续的热压轧或热处理都能获得更细致的晶粒，这也是提升强度关键。

钆(Gd)元素容易沉积在钛合金材料晶界处，而钛合金材料在经热压轧与热处理时在晶界处的钆(Gd)会限制与阻碍晶粒的成长，使得处理后的钛合金最终能保有更细致的晶粒，进而提升钛合金材料的物性与质量。添加钆(Gd)元素也能抑制压延时钛合金材料边角产生的裂缝延展，改善业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)的得料率不佳的情况，能让板材更容易轧制，一般情况下钛合金(Ti-6Al-4V)的得料率并不高，约只有6-7成，额外添加微量钆(Gd)时，得料率能提升至8成。

本发明的钛合金材料的α/β转换温度为约950℃~990℃，马氏体转换的起始温度(Ms)为800℃~840℃之间，本发明的钛合金板材的使用温度处于马氏体转换的起始温度(Ms)之下700℃~800℃左右，由于温度处于马氏体转换的起始温度(Ms)之下，钛合金材料内部晶粒容易析出大量的强化相，借由强化相的析出使得钛合金板材强度提升。

以表1的实施例1的钛合金成分比例为例，在约4.5mm板材上取样横向(L)与纵向(T)拉伸试样各5支，在室温下进行拉伸测试，测试结果见表3。可见，T方向有远高于业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)的机械性质，而高尔夫球头制作打击面板时会根据切割方向的不同而影响性能，以T方向切割面板能确保球头拥有最佳的机械性质。

表3

本发明的钛合金材料借由添加钆(Gd)，并佐以轧制工法的搭配，制造出具有更高强度及延展性的新型钛合金板材。由表4可见本发明钛合金板材对比业界常用钛合金(Ti-6Al-4V)，拥有更佳的强度及延展性。

表4

综上所述，仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的较佳实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明专利申请范围文义相符，或依本发明专利权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种钛合金板材，其特征在于，以其总重为100 wt.%计算，该钛合金板材包括以下成份：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

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于170~182KSI之间，且该钛合金板材的延伸率介于12~19%之间。

3.一种钛合金板材，其特征在于，以其总重为100 wt.%计算，该钛合金板材由以下成份所组成：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

4.一种钛合金板材的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

对含有钛、铝、钒及钆的各个材料进行一熔炼制程，以形成一铸锭；

对该铸锭进行一锻造制程而形成一板胚：以及

对该板胚进行一轧制制程而形成一钛合金板材，其中该轧制制程包括：

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750±50℃之间，将该第一热处理步骤后的该板胚进行滚轧，使该板胚的该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该板胚进行水淬；以及

进行一第四热处理步骤：在加热温度750±50℃之间，将该第三热处理步骤后的该板胚进行换向滚轧，使该板胚的该第二厚度减至第三厚度；

其中该钛合金板材包括以下成份：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

5.根据权利要求4所述的钛合金板材的制造方法，其特征在于，该熔炼制程包括：采用海绵钛、钛铝合金、铝钒合金及氧化钆进行真空电弧自耗熔炼。

6.根据权利要求4所述的钛合金板材的制造方法，其特征在于，该熔炼制程包括：采用纯钛、纯铝、纯钒及纯钆进行真空电弧自耗熔炼。

7.根据权利要求4所述的钛合金板材的制造方法，其特征在于，该锻造制程包括：

进行一第一锻造步骤：在加热温度1180±20℃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980±10℃之间，将该第一锻造步骤后的该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±10℃之间，将该第二锻造步骤后的该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940±10℃之间，将该第三锻造步骤后的该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：820±40℃之间，将该第四锻造步骤后的该坯料进行单向压下及四周整形交替操作，并锻制成该板坯。

8.根据权利要求7所述的钛合金板材的制造方法，其特征在于，该钛合金板材的使用温度处于马氏体转换的起始温度之下700℃~800℃。

9.根据权利要求8所述的钛合金板材的制造方法，其特征在于，该钛合金板材的抗拉强度介于170~182KSI之间，且该钛合金板材的延伸率介于12~19%之间。

10.一种钛合金板材的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

对含有钛、铝、钒及钆的各个材料进行一熔炼制程，以形成一铸锭；

对该铸锭进行一锻造制程而形成一板胚：以及

对该板胚进行一轧制制程而形成一钛合金板材，其中该轧制制程包括：

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750±50℃之间，将该第一热处理步骤后的该板胚进行滚轧，使该板胚的该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该板胚进行水淬；以及

进行一第四热处理步骤：在加热温度750±50℃之间，将该第三热处理步骤后的该板胚进行换向滚轧，使该板胚的该第二厚度减至第三厚度；

其中该钛合金板材由以下成份所组成：5~7 wt.%的铝、3~5 wt.%的钒、0.04~0.13 wt.%的钆、0.2 wt.%以下的铁、0.03 wt.%以下的氮、0.015 wt.%以下的氢、0.2 wt.%以下的氧、0.05 wt.%以下的碳、平衡量的钛，以及不可避免的杂质。

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