CN112719199B - 大口径钛合金厚壁管材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛及钛合金管材加工技术领域，公开一种大口径钛合金厚壁无缝管材制备工艺，摒弃传统的棒材锻造+镗孔的工艺方案，创造性的采用短流程连铸管坯在优化的锻造设备上采用镦粗工艺与拔长结合的方式，锻造过程始终保持管坯的形状，相比于传统的大口径厚壁管材加工方法，可以提高管材的成材率，缩短了钛合金厚壁无缝管材的加工流程，降低厚壁管材的生产成本，提高钛合金厚壁管材的力学性能。

Description

大口径钛合金厚壁管材制备方法

技术领域

本发明涉及钛及合金加工技术领域，尤其是钛合金管材的制备，具体而言涉及一种大口径钛合金厚壁管材制备方法。

背景技术

钛具有低密度、高比强度、耐海水腐蚀性、低温韧性好等特点，广泛应用于军工领域、深海装备、国防技术等领域内。被公认为是一种天然的“海洋金属”，钛合金无缝管更加具有广阔的应用前景。但是钛合金高温化学性质活泼，加工窗口窄，导热性差，硬度大的特点，严重制约了钛合金无缝管的生产和使用。

大口径钛合金厚壁管材的加工方法目前有两种：一种是用钛合金厚板材，通过卷板机或用油压机模压成型，然后焊接成圆管，经过校圆，矫直，制作成有缝管材；第二种方法是采用钛合金棒材经过钻孔、镗孔等工序制作无缝厚壁管材。目前，国内、外制造大口径钛合金管，主要是采用以上方法，而上述方法制造大口径管材，组织稳定性欠佳，力学性能达标率低。

例如，第2018115396052号中国申请提出一种大口径TC4钛合金厚壁无缝管材的制造方法，其制备过程如下：1)选用优质的海绵钛和合金包作为原料，并按照要求将海绵钛和合金包进行配比后生产出铸锭；2)将步骤1)中的铸锭经过锻造成方坯，再依次进行下料、表面修磨处理，最后经过三镦三拔，模锻成Φ114～Φ720的TC4棒材；3)将步骤2)制得的TC4棒材放入电炉内加热，保温2-8小时，采用三辊斜轧穿孔工艺制作TC4管坯；4)将步骤3)中的TC4管坯送入定减径机进行定减径，得到符合规格要求的TC4管材；然后对管材进行冷轧扩孔+退火处理，得到成品管材。但是，斜轧穿孔法生产的钛合金厚壁管组织调控难度较大，性能达标率低，生产成本高、生产效率低、缺陷控制难度大。

因此，开发一种大口径钛合金厚壁无缝管材制备工艺，就成为拓展钛合金在海洋工程、航空航天等领域应用亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种大口径钛合金厚壁管材制备方法，相比于传统的大口径厚壁管材加工方法，在管坯加热后直接进行锻造，锻造过程始终保持管坯的形状，提高管材的成材率，同时省去锻棒镗孔的工艺流程，降低厚壁管材的生产成本，提高钛合金厚壁管材的力学性能。

为实现上述目的，本发明第一方面提出一种大口径钛合金厚壁管材制备方法，包括以下步骤：

步骤一：选择预定壁厚和外径尺寸的钛合金管坯；

步骤二：将钛合金管坯加热至1070℃～1150℃，保温3～6h；

步骤三：将加热后的管坯套于锻机芯棒上，压下纵向环形锻机压头，压下量为管坯长度的25～70％，提升纵向环形锻机压头，对管坯进行纵向镦粗工艺；

步骤四：压下横向锻机压头，从横向将厚管坯进行锻压，边旋转边锻压，对管坯的总变形量控制在25～50％，对管坯进行横向拔长工艺；

步骤五：按照所述步骤三进行纵向第二次镦粗工艺，完成第1火次锻造，即镦-拔-镦，火次锻造比控制在3～4；

步骤六：第1火次锻造后，取出管坯进行空冷，进行管坯内外表面修伤。

步骤七：依次重复步骤二→步骤四→步骤三→步骤四→步骤五→步骤六，完成第2火次的锻造，即拔-镦-拔，火次锻造比控制在3～5；

步骤八：依次重复步骤二→步骤三→步骤四→步骤三→步骤五→步骤六，完成第3火次的锻造。即镦-拔-镦，火次锻造比控制在3～5；

步骤九：第4火次为成品锻造，将钛合金管坯加热至终端温度，保温3～6h，将管坯锻造至略大于成品管材尺寸的管坯；

步骤十：对管坯进行退火处理。

优选地，所述步骤三的纵向镦粗工艺采用三快一慢的方式，即镦粗工艺分4次压制，前三次为快速锻压，每次压下量较小，是步骤三总压下量的10％，锻压时间控制在5±2s；第四次锻压为慢锻，压下量为总压下量剩余的70％，锻压时间控制在30±5s。

优选地，所述步骤四的横向拔长工艺的采用一次锻压→二次锻压→倒八方→滚圆的工艺，其中每次锻压采用“慢-慢-快-快”的顺序进行锻压，慢速锻压的时间控制在15±3s，快速锻压的时间控制在4±2s。

优选地，所述步骤十中，对管坯进行退火处理包括：加热温度在(α+β)/β相变点以下120～200℃，保温时间3～5h。

优选地，所述步骤十中，对管坯进行退火处理包括：

双重退火：加热温度在(α+β)/β相变点以下30～80℃，保温0.5h后空冷，再在(α+β)/β相变点以下300～400℃，保温2～5h。

优选地，所述步骤一，管坯尺寸外径400～800mm，壁厚50～400mm，管身长L＝500～1000mm。

优选地，所选择的锻造设备的锻机吨位为3000～6000t。

本发明的一种大口径钛合金厚壁无缝管材制备工艺，摒弃了传统的棒材锻造+镗孔的工艺方案，创造性的采用短流程连铸管坯在优化的锻造设备上直接进行管坯锻造的工艺方法，锻造过程始终保持管坯的形状，相比于传统的大口径厚壁管材加工方法，可以提高管材的成材率，缩短了钛合金厚壁无缝管材的加工流程，降低厚壁管材的生产成本，提高钛合金厚壁管材的力学性能。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明实施例的大孔径太近厚壁管材制备工艺的流程示意图。

图2是本发明实施例的管坯锻造过程中纵向环形锻机压头与横向锻机压头的示意图。

图3是本发明实施例的管坯纵向锻压的示意图。

图4是本发明实施例的管坯横向锻压的示意图。

图5是本发明拔长工艺横向锻压流程示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图示，本发明总体提出一种短流程低成本的大口径钛合金厚壁管材制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：选择预定壁厚和外径尺寸的钛合金管坯，例如可选择参照专利201510398496.7技术生产的钛合金连铸管坯，管坯尺寸外径400～800mm，壁厚50～400mm，管身长L＝500～1000mm；

步骤二：将钛合金管坯加热至1070℃～1150℃，保温3～6h；

步骤三：结合图2、3，将加热后的管坯套于锻机芯棒上，压下纵向环形锻机压头，压下量为管坯长度的25～70％，提升纵向环形锻机压头，对管坯进行纵向镦粗工艺；锻机吨位3000～6000t；

如图2-4，附图标记1表示纵向环形锻机压头，附图标记2表示锻机芯棒；附图标记3代表管坯；附图标记4代表横向锻机压头；附图标记5代表锻机底座。

步骤四：结合图4，压下横向锻机压头，从横向将厚管坯进行锻压，边旋转边锻压，对管坯的总变形量控制在25～50％，对管坯进行横向拔长工艺；

步骤五：按照步骤三进行纵向第二次镦粗工艺，完成第1火次锻造，即镦-拔-镦，火次锻造比控制在3～4；

进一步地优选地，在步骤三、四、五进行过程中，若管坯表面温度低于终锻温度，则将管坯放回加热炉900℃～1150℃保温1.5～2.5h后，继续镦拔。

步骤六：第1火次锻造后，取出管坯进行空冷，进行管坯内外表面修伤。

步骤七：依次重复步骤二→步骤四→步骤三→步骤四→步骤五→步骤六，完成第2火次的锻造，即拔-镦-拔，火次锻造比控制在3～5；

步骤八：依次重复步骤二→步骤三→步骤四→步骤三→步骤五→步骤六，完成第3火次的锻造。即镦-拔-镦，火次锻造比控制在3～5；

步骤九：第4火次为成品锻造，将钛合金管坯加热至终端温度，保温3～6h，将管坯锻造至略大于成品管材尺寸的管坯；

步骤十：对管坯进行退火处理。

优选地，步骤三的纵向镦粗工艺采用三快一慢的方式，即镦粗工艺分4次压制，前三次为快速锻压，每次压下量较小，是步骤三总压下量的10％，锻压时间控制在5±2s；第四次锻压为慢锻，压下量为总压下量剩余的70％，锻压时间控制在30±5s。

优选地，结合图5所示，步骤四的横向拔长工艺的采用一次锻压→二次锻压→倒八方→滚圆的工艺，其中每次锻压采用“慢-慢-快-快”的顺序进行锻压，慢速锻压的时间控制在15±3s，快速锻压的时间控制在4±2s。

优选地，步骤十中，对管坯进行退火处理包括：

1)普通退火：加热温度在(α+β)/β相变点以下120～200℃，保温时间3～5h；

2)双重退火：加热温度在(α+β)/β相变点以下30～80℃，保温0.5h后空冷，再在(α+β)/β相变点以下300～400℃，保温2～5h。

本发明的一种大口径钛合金厚壁无缝管材制备工艺，摒弃了传统的棒材锻造+镗孔的工艺方案，创造性的采用短流程连铸管坯在优化的锻造设备上直接进行管坯锻造的工艺方法，锻造过程始终保持管坯的形状，相比于传统的大口径厚壁管材加工方法，可以提高管材的成材率，缩短了钛合金厚壁无缝管材的加工流程，降低厚壁管材的生产成本，提高钛合金厚壁管材的力学性能。

其中在锻压过程中，采用镦粗工艺与拔长结合的方式，提高管材成型质量。其中，镦粗工艺具有“三快一慢，先小后大”的特点，“三快一慢，先小后大”工艺的原理：起初管坯温度较高，接近锻造温度窗口上限，因此前三次锻压的变形量较低，防止变形温升过高。三次锻压后温度降低，接近锻造温度窗口下限，因此第四次锻压采用大变形量，使管坯温度升高维持在锻造温度窗口内。

而在步骤四的拔长工艺中，根据拔长工艺横向锻压流程执行，流程为：原始形状→一次锻压→二次锻压→倒八方→滚圆。考虑到温升的影响，四次锻压采用“慢-慢-快-快”的顺序进行锻压，慢速锻压的时间控制在15±3s，快速锻压的时间控制在4±2s。其中“慢-慢-快-快”工艺的原理是前期温度较高，一次、二次锻压的变形量较大，防止温升过快，因此采用“慢速锻压”；到八方和滚圆的变形量较小，防止温度减低至终锻温度以下，快速完成这两道工序。由此，实现在镦粗工艺与拔长工艺中的锻压控制，防止温度和锻压持续对钛合金的性能和组织的影响。

在实施过程中，根据钛合金产品性能需要，进行锻造火次确认，一般可选锻造火次为4火次。其中1～2火次为开坯锻(采用表1的铸锭加热和终端温度)，3火次为改锻(采用表1的变形坯料的加热和终端温度)，4火次为成品锻(采用表1的成品加热和终端温度)，成品锻造后的管坯尺寸应略大于成品管材的尺寸(直径略大15mm)。若产品性能要求较高，可酌情增加改锻火次，最终的1火次为成品锻。

表1加工钛及钛合金的锻造加热温度控制表

实施例1

本实施为生产Ф400*60*L mm规格的TC4钛合金无缝管，具体步骤如下：

步骤一：原料采用由专利201510398496.7技术生产的钛合金连铸管坯。管坯尺寸外径550mm，壁厚150mm，管身长L＝1000mm。

步骤二：将钛合金管坯加热至1150℃，保温4h，采用如图2所示的锻造设备进行管材的锻造，将加热后的管坯套于特制锻机芯棒上，芯棒直径250mm，锻机吨位4500t。

步骤三：如图3所示，压下纵向环形锻机压头，压下量为管坯长度的30％(管身长度变为700mm，外径变为637mm)，提升纵向环形锻机压头，对管坯实现镦粗工艺。

步骤四：如图4所示，压下横向锻机压头，从横向将厚管坯进行锻压，边旋转边锻压，对管坯的总变形量控制在45％(管身长度变为1280mm，外径变为500mm)，实现管坯拔长。

步骤五：将管坯放回加热炉1150℃保温2h后，重复步骤三，对管坯的总变形量控制在47％(管身长度变为671mm，外径变为640mm)进行第二次镦粗工艺，完成第1火次锻造(镦-拔-镦)，第一火次锻造比控制在3.3。

步骤六：第1火次锻造后，管坯取出空冷，进行管坯内外表面修伤。

步骤七：依次重复步骤二→步骤四→步骤三→步骤四→步骤五→步骤六，完成第2火次的锻造(拔-镦-拔)，火次锻造比为4.0。

特别地，重复步骤二的管坯加热工艺为1050℃保温4h；重复步骤五的管坯加热工艺为1050℃保温2h。

特别地，第一个重复步骤四变形情况为：对管坯的总变形量控制在52％(管身长度变为1429mm，外径变为480mm)；

特别地，重复步骤三变形情况为：对管坯的总变形量控制在48％(管身长度变为746mm，外径变为620mm)；

特别地，第二个重复步骤四变形情况为：对管坯的总变形量控制在48％(管身长度变为1429mm，外径变为480mm)。

步骤八：依次重复步骤二→步骤三→步骤四→步骤三→步骤五→步骤六，完成第3火次的锻造(镦-拔-镦)，火次锻造比控制在4.2。

步骤九：第4火次为成品锻造，将钛合金管坯加热至终端温度950℃，保温4h，将管坯锻造至Φ415×Φ250×2187mm。

步骤十：根据表1中的数据，对管坯进行普通退火：加热温度在780℃，保温4h，空冷。

步骤十一：管坯的粗车与精修，采用常规的钛合金机加工技术对管材进行尺寸加工，成品尺寸Φ400×Φ280×2000mm。

步骤十二：对管材的尺寸、力学性能、金相、无损探伤等进行检测，达标后入库。

实施例2

本实施为生产Ф500*85*L mm规格的TA2钛合金无缝管，具体步骤如下：

步骤一：原料采用由专利201510398496.7技术生产的钛合金连铸管坯。管坯尺寸外径600mm，壁厚150mm，管身长L＝1000mm。

步骤二：将钛合金管坯加热至1000℃，保温4.5h，采用如图2所示的锻造设备进行管材的锻造，将加热后的管坯套于特制锻机芯棒上，芯棒直径300mm，锻机吨位4500t。

步骤三：如图3所示，压下纵向环形锻机压头，压下量为管坯长度的30％，提升纵向环形锻机压头，对管坯实现镦粗工艺。

步骤四：如图4所示，压下横向锻机压头，从横向将厚管坯进行锻压，边旋转边锻压，对管坯的总变形量控制在42％，对管坯实现拔长工艺。

步骤五：将管坯放回加热炉1000℃保温2h后，重复步骤三，对管坯的总变形量控制在48％，进行第二次镦粗工艺，完成第1火次锻造(镦-拔-镦)，第一火次锻造比控制在3.2。

步骤六：第1火次锻造后，管坯取出空冷，进行管坯内外表面修伤。

步骤七：依次重复步骤二→步骤四→步骤三→步骤四→步骤五→步骤六，完成第2火次的锻造(拔-镦-拔)，火次锻造比为3.9。

特别地，重复步骤二的管坯加热工艺为950℃保温4h；重复步骤五的管坯加热工艺为950℃保温2h。

步骤八：依次重复步骤二→步骤三→步骤四→步骤三→步骤五→步骤六，完成第3火次的锻造(镦-拔-镦)，火次锻造比控制在4.2。

步骤九：第4火次为成品锻造，将钛合金管坯加热至终端温度950℃，保温4h，将管坯锻造至Φ515×Φ300×1540mm。

步骤十：根据表1中的数据，对管坯进行普通退火：加热温度在700℃，保温4h，空冷。

步骤十一：管坯的粗车与精修，采用常规的钛合金机加工技术对管材进行尺寸加工，成品尺寸Φ500×Φ330×1400mm。

步骤十二：对管材的尺寸、力学性能、金相、无损探伤等进行检测，达标后入库。

表2拉伸性能对比

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由以上表2的测试结果可见，通过本发明实施例锻造的钛合金厚壁管材，其力学性能上显著优于目前国标标准的钛及钛合金锻件的TC4和TA2的力学拉伸性能，通过本发明的工艺处理缩短了钛合金厚壁无缝管材的加工流程，降低厚壁管材的生产成本，提高钛合金厚壁管材的力学性能。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种大口径钛合金厚壁管材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择预定壁厚和外径尺寸的钛合金管坯；

步骤二：将钛合金管坯加热至1070℃~1150℃，保温3~6h；

步骤三：将加热后的管坯套于锻机芯棒上，压下纵向环形锻机压头，压下量为管坯长度的25~70%，对管坯进行纵向镦粗工艺，提升纵向环形锻机压头；

步骤四：压下横向锻机压头，从横向将厚管坯进行锻压，边旋转边锻压，对管坯的总变形量控制在25~50%，对管坯进行纵向拔长工艺；

步骤五：按照所述步骤三进行纵向第二次镦粗工艺，完成第1火次锻造，即镦-拔-镦，火次锻造比控制在3~4；

步骤六：第1火次锻造后，取出管坯进行空冷，进行管坯内外表面修伤；

步骤七：依次重复步骤二→步骤四→步骤三→步骤四，完成第2火次的锻造，即拔-镦-拔，火次锻造比控制在3~5；

第2火次锻造后，取出管坯进行空冷，进行管坯内外表面修伤；

步骤八：依次重复步骤二→步骤三→步骤四→步骤三，完成第3火次的锻造，即镦-拔-镦，火次锻造比控制在3~5；

第3火次锻造后，取出管坯进行空冷，进行管坯内外表面修伤；

步骤九：第4火次为成品锻造，将钛合金管坯加热至终锻温度，保温3~6h，将管坯锻造至略大于成品管材尺寸的管坯；

步骤十：对管坯进行退火处理。

2.根据权利要求1所述的大口径钛合金厚壁管材制备方法，其特征在于，所述步骤三的纵向镦粗工艺采用三快一慢的方式，即镦粗工艺分4次压制，前三次为快速锻压，每次压下量较小，是步骤三总压下量的10%，锻压时间控制在5±2s；第四次锻压为慢锻，压下量为总压下量剩余的70%，锻压时间控制在30±5s。

3.根据权利要求1所述的大口径钛合金厚壁管材制备方法，其特征在于，所述步骤四的纵向拔长工艺采用一次锻压→二次锻压→倒八方→滚圆的工艺，其中每次锻压采用“慢-慢-快-快”的顺序进行锻压，慢速锻压的时间控制在15±3s，快速锻压的时间控制在4±2s。

4.根据权利要求1所述的大口径钛合金厚壁管材制备方法，其特征在于，所述步骤十中，对管坯进行退火处理包括：加热温度在（α+β）/β相变点以下120~200℃，保温时间3~5h。

5.根据权利要求1所述的大口径钛合金厚壁管材制备方法，其特征在于，所述步骤十中，对管坯进行退火处理包括：

双重退火：加热温度在（α+β）/β相变点以下30~80℃，保温0.5h后空冷，再在（α+β）/β相变点以下300~400℃，保温2~5h。

6.根据权利要求1所述的大口径钛合金厚壁管材制备方法，其特征在于，所述步骤一中，管坯尺寸外径400~800mm，壁厚50~400mm，管身长L=500~1000mm。

7.根据权利要求1所述的大口径钛合金厚壁管材制备方法，其特征在于，所选择的锻造设备的锻机吨位为3000~6000t。

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