CN112935010A - 一种大口径高强钛合金管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径高强钛合金管材及其制备方法，所述方法包括如下步骤：1)采用海绵钛和中间合金经过多次熔炼后得到钛合金铸锭；2)将钛合金铸锭加热后进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上及相变点以下交错进行多火次镦拔，得到圆柱形的钛合金锻坯；3)对钛合金锻坯进行冲通孔作业，经扩孔后得到钛合金空心棒坯；4)将钛合金空心棒坯放入机器中进行斜轧扩孔，得到钛合金管坯；5)对钛合金管坯进行定径精轧和矫直处理，得到钛合金成品管坯；6)对钛合金成品管坯进行退火处理，经机加表面处理后，得到大口径高强钛合金管材。本发明通过优化生产工艺，成功制备出外径大于500mm且屈服强度大于1000MPa的钛合金管材。

Description

一种大口径高强钛合金管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金加工技术领域，特别地，涉及一种具有大口径、高强韧特点的钛合金管材，以及该钛合金管材的制备方法。

背景技术

钛及钛合金材料因其具有高强、高耐蚀等优点，被广泛应用于海洋工程领域。近年来，随着我国海洋强国战略的逐步深化，海洋工程装备和大吨位舰船的建设逐步向大规格、大尺寸、大吨位和轻量化发展，对钛及钛合金管材的性能要求也越来越高，产品的尺寸规格也越来越大。对于大口径的钛合金管材来说，可通过提升材质强度以取代增加壁厚的操作，在实现减重目标的同时，保证海洋装备及设施的耐久性、安全性和可靠性。

目前钛合金无缝管的制备工艺主要分为两种：

一种是采用斜轧穿孔+热连轧的工艺生产无缝管材；如中国专利CN109622659A公开了一种大口径TC4钛合金厚壁无缝管材的生产方法，通过锻造棒坯+斜轧穿孔+拉拔扩孔+机加的方法制备直径最大可达660mm的钛合金管材，管材壁厚比(即管材外径与管壁厚度的比值)为5～65，屈服强度为828MPa。

另一种则是采用挤压工艺制备无缝管材；如中国专利CN105344731A提供了一种TC11钛合金无缝管的制备方法，棒坯经钻孔、加热、润滑、挤压和机加处理后得到钛合金无缝管，管材的屈服强度可达960-1000MPa，但管材的外径为76mm、内径为42mm，该方法适用于生产尺寸较小的产品。

在上述两种技术方案中，由于高强钛合金具有强度高、塑性差的特点，因此在用其制备管材的过程中存在变形抗力大、高温变形困难的问题，导致无缝管容易出现开裂、变形不均匀等情况。现有技术无法生产出外径大于500mm且屈服强度大于1000MPa的大口径高强钛合金管材。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可制备外径大于500mm且屈服强度大于1000MPa的钛合金管材的方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种大口径高强钛合金管材的制备方法，包括如下步骤：

步骤1)熔炼：采用海绵钛和中间合金经过多次熔炼后得到钛合金铸锭；

步骤2)锻造：将熔炼得到的钛合金铸锭加热后进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上及相变点以下交错进行多火次镦拔，得到圆柱形的钛合金锻坯；

步骤3)冲孔：对钛合金锻坯进行冲通孔作业，经扩孔后得到钛合金空心棒坯；

步骤4)斜轧扩孔：将钛合金空心棒坯放入机器中进行斜轧扩孔，得到钛合金管坯；

步骤5)定径：对钛合金管坯进行定径精轧和矫直处理，得到大口径的钛合金成品管坯；

步骤6)退火：对钛合金成品管坯进行退火处理，经机加表面处理后，得到大口径高强钛合金管材。

优选地，所述步骤1)中的熔炼过程均采用真空自耗熔炼，且每次熔炼稳弧电流的波动范围在6A以内。

优选地，在所述步骤2)中，在相变点T_β以上多火次镦拔，加热温度为T_β+30℃～T_β+50℃，变形量为40％～45％；在相变点T_β以下多火次镦拔，加热温度为T_β-50℃～T_β-20℃，变形量为38％～43％。其中，在相变点以上开坯锻造，可确保锻态组织均匀化，在相变点以下锻造，可确保坯料组织的均匀性，通过在相变点以上和相变点以下交替多火次锻造，保证了铸态大组织的充分破碎细化。

优选地，在所述步骤3)中，冲通孔温度为T_β-50℃～T_β-20℃。

优选地，在所述步骤4)中，斜轧温度为T_β+30℃～T_β+50℃，直径压下率为11～16％，轧管速度为0.3～0.5m/s。

优选地，在所述步骤5)中，将钛合金管坯经定减径处理后凭借余温进行矫直获得钛合金成品管坯。

优选地，在所述步骤6)中，退火时的工艺参数为：加热温度680～860℃，加热时间4～6h。

优选地，在所述步骤1)中，熔炼钛合金坯料前，海绵钛和中间合金先经过挑选、配料及称重后进入油压机中压制电极，并进入真空等离子焊箱中焊接电极。

优选地，所述步骤1)中的海绵钛包括MHT-100海绵钛和MHT-110海绵钛，二者的粒度均为0.83mm～12.7mm。

本发明的另一目的在于提供一种大口径高强钛合金管材，该钛合金管采用上述方法制备而成。

本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：

1、本发明提供了一种新的钛合金管材制备方法，尤其适用于大口径高强韧钛合金无缝管的制备，本发明针对高强钛合金特点，通过设计锻坯锻造工艺，调整冲孔工艺，成功实现对于外径大于500mm且屈服强度大于1000Mpa的钛合金管材的量产，所得产品的管材组织均匀性好、性能优良，在满足装备轻量化要求的同时保证设备在极端工况条件下的安全性和可靠性。

2、本发明采用了熔炼+自由锻+冲孔+扩孔+斜轧扩孔加工的处理方法，通过相变点以上开坯自由锻，破碎铸锭原始粗大晶粒，确保了铸锭组织均匀化，相变点上下交替多火次锻造，保证了铸态大组织充分细化，实现对钛合金组织均匀性控制；通过冲孔+扩孔+斜轧解决了传统斜轧穿孔工艺因变形量太大，表面质量及材料组织性能难以控制的问题；通过采用科学热处理参数进行热处理，优化合金中晶相组分比例，获得良好微观组织，最终获得大口径高强钛合金无缝管。

具体实施方式

下面将结合实际，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种大口径高强钛合金管材的制备方法，具体步骤如下：

步骤1)钛合金坯料熔炼，获得钛合金铸锭

采用小颗粒海绵钛(包括MHT-100海绵钛和MHT-110海绵钛，且二者的粒度均为0.83mm～12.7mm)和中间合金，经过三次熔炼后获得钛合金铸锭坯料。各组分的重量百分比为：Al 2～6.5％、V 0.5～1％、Mo1～3.5％、Cr0.5～1.5％、Zr0.5～2.5％、Sn1～2.5％、Fe0.2～1％余量为Ti。杂质元素的要求为：O≤0.15wt％、C≤0.08wt％、N≤0.05wt％、H≤0.0125wt％。

钛合金熔炼工艺的具体流程为：小颗粒海绵钛+中间合金→挑料→配料称重→电极压制→电极焊接→熔炼→机械加工→探伤、切冒口→成分检验→入库。

所述电极压制采用THP67-8000A油压机压制，具体是：先将海绵钛及中间合金进行人工检查、挑选，然后经混配料系统称重、下料机混料后进入THP67-8000A油压机内，最后经油压机挤压成电极块。

所述电极焊接采用真空等离子焊接，预抽真空到0.08mbar以下，以10～15l/min的速度充氩气达到300～350mbar，用两台焊枪以60～100mm/min的速度焊接不少于8条直焊缝。

第一次熔炼：采用真空自耗熔炼，真空度≤10Pa，熔炼电流为14～26kA，熔炼电压为26～35V，稳弧电流为直流6～12A，熔炼后经冷却、凝固后得到一次钛合金锭。

第二次熔炼：将一次钛合金锭平头后再放入真空自耗电弧炉中进行二次熔炼，熔炼电流为15～28kA，熔炼电压为27～38V，稳弧电流为交流8～14A，熔炼后经冷却、凝固后得到二次钛合金锭。

第三次熔炼：将二次钛合金锭平头后再放入真空自耗电弧炉中进行三次熔炼，熔炼电流为18～32kA，熔炼电压为29～39V，稳弧电流为交流10～16A，熔炼后经冷却、凝固后得到Ф780钛合金锭。

其中，稳弧电流主要是在真空自耗熔炼时对电弧施加一个纵向磁场，可提高电弧的稳定性，并使熔池发生有益的旋转，起到细化晶粒、成分均匀化、改善钛锭表面质量的作用。熔炼过程中稳弧电流的波动范围限制在6A以内，熔炼过程较稳定。

最后机械加工是将Ф780钛合金锭进行扒皮，去除表面氧化皮、气孔、裂纹等缺陷，得到Ф760mm的钛合金铸锭。

步骤2)钛合金铸锭锻造，获得圆柱形锻坯

将熔炼得到的钛合金铸锭加热后进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上及相变点以下交错进行多火次镦拔，得到圆柱形的钛合金锻坯。

所述钛合金锻坯的具体制备工艺流程为：多火次开坯锻造→相变点以上及以下交错多火次镦拔→圆柱形锻坯。

具体的，将熔炼得到的钛合金铸锭进行两火次开坯锻造，采用电加热炉加热至T_β+50℃，保温40min，将Ф760mm的钛合金铸锭两镦两拔至

变形量40％～45％，锻后空冷；再将坯料加热至T_β+20℃，一镦一拔至

变形量38％，锻后空冷；在T_β-50℃时，采用两火次一镦一拔，变形量38％，坯料由

锻造成

再将坯料加热至T_β+50℃，保温60min，采用两火次两镦两拔，变形量40％，坯料由

锻造成

锻后回炉；在T_β-50℃，采用三火次拔长锻造，变形量18％，将坯料由

锻造成Ф420mm的待冲孔钛合金锻坯。

步骤3)钛合金锻坯冲孔

将钛合金锻坯加热至T_β-20℃，采用工模具经快锻机进行一火次冲孔及一火次扩孔后，得到外径为520mm，中心孔直径为215mm的钛合金空心棒坯，变形量为35～45％。

步骤4)钛合金空心棒坯斜轧扩孔

将钛合金空心棒坯放入斜轧穿孔机中进行斜轧扩孔，得到钛合金管坯，斜轧温度为T_β+30℃～T_β+50℃，直径压下率为11～16％，轧管速度为0.3～0.5m/s。

步骤5)钛合金管坯定径精轧、矫直

将钛合金管坯放入轧机进行定减径精轧，以精确管材尺寸，管材定径时的温度为T_β-50℃，轧制速度为30mm/s～50mm/s。利用定径后的余热，通过矫直机对管坯进行热矫直，得到外径535mm、壁厚26mm的钛合金成品管坯。

步骤6)钛合金成品管坯退火、机加表面处理

将钛合金成品管坯随炉升温至680℃，保温4h后随炉冷至200℃，出炉空冷，再采用车床进行表面处理得到外径525mm、壁厚16mm的钛合金无缝管材。

本实施例制备出的钛合金无缝管，经检测，其屈服强度不低于1000MPa，抗拉强度不低于1059MPa，延伸率不低于12％，满足深海工况环境对无缝管性能的需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，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。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)熔炼：采用海绵钛和中间合金经过多次熔炼后得到钛合金铸锭；

步骤2)锻造：将熔炼得到的钛合金铸锭加热后进行拉拔锻造，在钛合金相变点以上及相变点以下交错进行多火次镦拔，得到圆柱形的钛合金锻坯；

步骤3)冲孔：对钛合金锻坯进行冲通孔作业，经扩孔后得到钛合金空心棒坯；

步骤4)斜轧扩孔：将钛合金空心棒坯放入机器中进行斜轧扩孔，得到钛合金管坯；

步骤5)定径：对钛合金管坯进行定径精轧和矫直处理，得到大口径的钛合金成品管坯；

步骤6)退火：对钛合金成品管坯进行退火处理，经机加表面处理后，得到大口径高强钛合金管材。

2.根据权利要求1所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的熔炼过程均采用真空自耗熔炼，且每次熔炼稳弧电流的波动范围在6A以内。

3.根据权利要求2所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，在相变点T_β以上多火次镦拔，加热温度为T_β+30℃～T_β+50℃，变形量为40％～45％；在相变点T_β以下多火次镦拔，加热温度为T_β-50℃～T_β-20℃，变形量为38％～43％。

4.根据权利要求3所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，冲通孔温度为T_β-50℃～T_β-20℃。

5.根据权利要求4所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，斜轧温度为T_β+30℃～T_β+50℃，直径压下率为11～16％，轧管速度为0.3～0.5m/s。

6.根据权利要求5所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，在所述步骤5)中，将钛合金管坯经定减径处理后凭借余温进行矫直获得钛合金成品管坯。

7.根据权利要求6所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，在所述步骤6)中，退火时的工艺参数为：加热温度680～860℃，加热时间4～6h。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，熔炼钛合金坯料前，海绵钛和中间合金先经过挑选、配料及称重后进入油压机中压制电极，并进入真空等离子焊箱中焊接电极。

9.根据权利要求8所述大口径高强钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的海绵钛包括MHT-100海绵钛和MHT-110海绵钛，二者的粒度均为0.83mm～12.7mm。

10.一种大口径高强钛合金管材，其特征在于，采用权利要求1～9中任意一项所述方法制备而成。