CN112959004B - 一种高强度钛合金封头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高强度钛合金封头及其制备方法，所述制备方法包括步骤1制备钛合金板坯；步骤2、制备钛合金封头料板；步骤3、采用上钢板和下钢板将钛合金封头料板包覆并抽真空；步骤4、制得钛合金封头半成品；步骤5、得到目标尺寸的高强度钛合金封头成品。本发明所得成品的组织均匀性好、性能优良，在满足耐压壳体高强耐蚀的同时保证设备在极端工况条件下的安全性和可靠性，克服了钛合金封头强度不足以及在成型过程中出现的表面质量的问题。

Description

一种高强度钛合金封头及其制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金加工技术领域，具体涉及一种高强度钛合金封头及其制备方法。

背景技术

钛及钛合金材料因其具有高强度、高耐蚀、质轻等优点，被广泛应用于海洋工程领域。近年来，由浅海逐步向深海发展，深海资源勘探及开发取得系列重要成果，而深海的特殊环境对深海装备耐压材料提出了特殊的要求。深海装备耐压材料在具有耐腐蚀性能的同时，还需具有较高的屈服强度，从而使深海装备能够承受住由其在深海中的工作深度产生的静压强以及多次上浮和下潜产生的周期性载荷对其耐压壳体的冲击。耐压壳体材料的选用直接关系到深海装备的先进性和可靠性。目前，国内外耐压壳体均不同程度的使用了钛合金，使其在深海环境中具备高强度和耐腐蚀等性能，同时也达到了减重和长寿命等要求。

封头是耐压壳体的重要组成构件。在现有技术中，钛合金封头主要分为两种制备工艺，一种是采用热冲压工艺制备封头，如专利文献CN109570380A公开了一种高强度钛合金封头压制工艺，通过制作工艺板、试板，并与钛封头板坯料共同冲压制备钛合金封头；一种是采用旋压成型工艺制备封头，如专利文献CN100542736公开了一种大尺寸薄壁高精度TC4钛合金封头的制造方法，通过采用强旋、多道次普旋、再强旋得旋压工艺制备封头，该工艺适应于大尺寸薄壁封头制备。

以上两种方案制备的钛合金封头均未指出钛合金封头成品的强度，无法保证钛合金封头在极端工况条件下的安全性和可靠性。此外，高强钛合金因具有强度高、塑性差和高温易氧化等特性，现有的钛合金封头制备工艺在封头加热过程中易在其表面形成脆性氧化层，使得其在冲压过程中出现开裂及裂纹持续扩展的问题；在封头成型的过程中还容易因变形量大和温度急剧降低，使得变形抗力增大导致封头出现开裂和褶皱等表面质量问题。

综上所述，急需一种高强度钛合金封头及其制备方法以解决现有技术中存在的钛合金封头强度不足以及在成型过程中出现的表面质量问题。

发明内容

本发明第一目的在于提供一种高强度钛合金封头的制备方法，具体技术方案如下：

一种高强度钛合金封头的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将钛合金铸锭开坯锻造后进行多火次镦拔获得钛合金板坯；

步骤2、将钛合金板坯经多火次热轧获得钛合金封头料板；

步骤3、在钛合金封头料板的上、下表面上分别铺设上钢板和下钢板，将上钢板和下钢板边部焊接并预留用于真空设备对焊接后的密闭空间抽真空的通道，抽真空结束后对通道封闭；

步骤4、将焊接且封闭好的钛合金封头料板放置在冲压模具中经加热后进行多火次热冲压，获得钛合金封头半成品；

步骤5、取下上钢板和下钢板，并将钛合金封头半成品进行切边处理和表面机械加工得到目标尺寸的高强度钛合金封头成品。

优选的，所述步骤1中，钛合金铸锭开坯锻造的温度不低于相变点T_β+150℃，多火次镦拔的加热温度包括第一加热温度和第二加热温度，所述第一加热温度为T_β+30℃～T_β+50℃，镦粗变形量为45％～50％，所述第二加热温度为T_β-50℃～T_β-20℃，镦粗变形量为40％～45％。

优选的，所述步骤1中，在多火次镦拔过程中采用第一加热温度和第二加热温度交替加热。

优选的，所述步骤2中，在所述钛合金板坯进行多火次热轧前还需要经过表面机械加工处理，每火次热轧的加热温度均为T_β-50℃～T_β-20℃，第一火次热轧的保温时间为1.2S1～1.8S1分钟，从第二火次热轧开始，每火次热轧的保温时间为0.4S1～0.8S1分钟，其中，S1为所述钛合金板坯的厚度。

优选的，所述步骤2中，每火次热轧的轧制道次为6-7次，钛合金封头料板的厚度总变形量为70％-90％。

优选的，所述步骤3中，所述上钢板的厚度为2-5mm，所述下钢板的厚度与钛合金封头料板的厚度相同。

优选的，所述步骤3中，钛合金封头料板在铺设上钢板和下钢板前还需涂抹耐高温隔离涂料。

优选的，所述步骤3中，焊接方式为电弧焊焊接。

优选的，所述步骤4中，加热温度为T_β-50℃～T_β-20℃，保温时间为1.2S2～1.8S2分钟，每火次热冲压的速度不大于0.25mm/s，前一火次热冲压后直接转入电加热炉中，经加热保温后进行下一次冲压，直至最后一火次热冲压获得钛合金封头半成品，其中，S2为钛合金封头料板及上钢板和下钢板的厚度之和。

本发明第二目的在于提供一种高强度钛合金封头，具体技术方案如下：

一种采用所述高强度钛合金封头的制备方法制得高强度钛合金封头。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明针对高强度钛合金特点，提供了一种新的高强度钛合金封头及其制备方法，通过采用开坯锻造、热轧、热冲压成型和表面机械加工的处理方法，通过相变点以上开坯自由锻造，破碎钛合金铸锭原始粗大晶粒，通过相变点T_β上下交替多火次镦拔，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；通过多火多道次热轧，解决高强度钛合金因一次变形过大导致板材开裂等质量问题；通过上、下钢板焊接抽真空和多火次热冲压结合，解决了高强度钛合金因大变形量、热度散失过快、高温氧化导致钛合金热冲压后出现开裂和褶皱等表面质量问题；通过采用科学的热处理参数进行热处理，优化钛合金中晶相组分比例，获得均匀的等轴组织，平均晶粒度达到6级以上，并最终获得屈服强度大于1100Mpa的高强度钛合金封头成品。所得成品的组织均匀性好、性能优良，在满足耐压壳体高强耐蚀的同时保证设备在极端工况条件下的安全性和可靠性，克服了钛合金封头强度不足的问题。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种高强度钛合金封头的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将Ф680mm(“Φ”指代的是横截面为圆形的坯料直径)的钛合金铸锭开坯锻造后进行多火次镦拔获得钛合金板坯；

步骤2、将钛合金板坯经多火次热轧获得钛合金封头料板；

步骤3、在钛合金封头料板(规格为

1700mm×40mm)的上、下表面上分别铺设上钢板和下钢板，将上钢板和下钢板的边部焊接并预留用于真空设备对焊接后的密闭空间(所述钛合金封头料板位于密闭空间内部)抽真空的通道，抽真空结束后对通道封闭，具体的，在通道的外部焊接钢管，所述通道通过钢管与真空设备连接，抽真空结束后用压钳将钢管压扁并焊接密合，以实现对通道封闭；

步骤4、将焊接且封闭好的钛合金封头料板放置在冲压模具中经加热后进行多火次热冲压，获得钛合金封头半成品；

步骤5、取下上钢板和下钢板，并将钛合金封头半成品进行切边处理和表面机械加工得到目标尺寸的高强度钛合金封头成品。

本实施例均采用电加热炉加热。

所述步骤1中，钛合金铸锭包括以下重量百分比的组分：2％～6.5％的Al、0.5％～1％的V、1％～3.5％的Mo、0.5％～1.5％的Cr、0.5％～2.5％的Zr、1％～2.5％的Sn、0.2％～1％的Fe以及余量的Ti。将钛合金铸锭进行两火次开坯锻造，其开坯锻造的温度为相变点T_β+150℃，保温40分钟，将钛合金铸锭两镦两拔至

700mm(“

”指代的是横截面为方形的坯料内切圆直径)的板坯钛合金，其镦粗变形量50％，锻后空冷，多火次镦拔的加热温度包括第一加热温度和第二加热温度，所述第一加热温度为T_β+30℃～T_β+50℃，镦粗变形量为45％～50％，所述第二加热温度为T_β-50℃～T_β-20℃，镦粗变形量为40％～45％。

所述步骤1中，在多火次镦拔过程中采用第一加热温度和第二加热温度交替加热，具体的，首先，将Ф700mm的钛合金板坯加热至第一加热温度T_β+30℃，一镦一拔至

700mm，镦粗变形量45％，锻后空冷；其次，将加热温度交替至第二加热温度T_β-50℃，采用两火次一镦一拔，镦粗变形量45％，钛合金板坯由

700mm锻造成

780mm；然后，将加热温度交替至第一加热温度T_β+50℃，进行动态再结晶，保温350分钟出炉，采用两火次两镦两拔，镦粗变形量50％，钛合金板坯由

780mm锻造成

650mm，锻后回炉；最后，将加热温度交替至第二加热温度在T_β-50℃，采用三火次锻造，镦粗变形量42％，将钛合金板坯由

650mm锻造成宽度1200mm×厚度250mm的钛合金板坯。上述采用第一加热温度和第二加热温度交替加热，用以充分破碎所述钛合金铸锭的铸态大组织，保证获得的钛合金板坯组织的均匀性，并获得均匀细小的等轴组织。

所述步骤2中，在所述钛合金板坯(宽度1200mm×厚度250mm)进行多火次热轧前还需要经过表面机械加工处理，以去除钛合金板坯的表面缺陷，第一火次热轧的加热温度为T_β-30℃，第一火次热轧的保温时间为1.2S₁分钟(300分钟，其中，S₁为所述钛合金板坯的厚度250mm)，将钛合金板坯沿1200mm宽度方向经6道次轧制至宽度为1800mm×厚度166mm，第一火次热轧后回炉进行第二火次热轧，加热温度为T_β-50℃，保温70分钟，相比钛合金板坯第一火次热轧方向，第二火次热轧换向90°经6道次轧制，将钛合金板坯轧至41mm厚，获得1800mm×41mm×L的钛合金板坯。

经多火次热轧完成的钛合金板坯还需要依次经过热矫形处理、表面处理和切边处理。所述热矫形处理具体为将钛合金板坯放入矫直机进行热矫直。经表面处理后以去除钛合金板坯的表面缺陷，经切边处理后获得宽度1700mm×厚度40mm×长度1700mm的钛合金封头料板。

所述步骤2中，每火次热轧的轧制道次为6次，钛合金封头料板的厚度总变形量(厚度总变形量＝(钛合金封头料板多火次热轧前的原厚度-钛合金封头料板多火次热轧后的厚度)/钛合金封头料板多火次热轧前的原厚度)为83.6％。

所述步骤3中，所述上钢板的厚度为3mm，所述下钢板的厚度与钛合金封头料板的厚度相同，均为40mm。

所述步骤3中，钛合金封头料板在铺设上钢板和下钢板前还需涂抹氮化硼耐高温隔离涂料，用于防止钛合金封头料板在高温状态下与上钢板和下钢板间出现元素相互渗透形成金属化合物，从而会降低钛合金封头料板的品质。

所述步骤3中，焊接方式为电弧焊焊接，确保焊接后的钛合金封头料板在上钢板和下钢板的包覆下，不仅能够在冲压过程中有效降低冲压模具与钛合金封头料板直接接触产生压痕等缺陷，还能够有效降低了钛合金封头料板在成型过程中与外界热交换速度，避免了因热交换速度过快而导致钛合金封头料板的变形抗力剧增出现裂纹等缺陷；抽真空的目的是为了防止钛合金封头料板在高温轧制过程中与空气发生氧化反应，生成脆性氧化层，进而避免钛合金封头料板在冲压过程中出现开裂，并出现裂纹持续扩展，导致钛合金封头压制失败的问题。

所述步骤4中，加热温度为T_β-50℃，保温时间为1.205S₂分钟(100分钟)，每火次热冲压的速度不大于0.25mm/s，前一火次热冲压后直接转入电加热炉中，经加热保温后进行下一次冲压，直至第四火次热冲压获得HHA 1093mm×40mm(±3mm)钛合金封头半成品，其中，S₂为钛合金封头料板及上钢板和下钢板的厚度之和83mm。

所述步骤5在切边处理，经表面机械加工，去除表面氧化皮、压痕、裂纹和褶皱等缺陷，按设计图纸要求进行精加工，获得目标尺寸HHA 1115mm×18mm的高强度钛合金封头成品。

采用本发明所述的高强度钛合金封头的制备方法制备得到的高强度钛合金封头，在组织和性能上满足以下要求：封头显微组织为在两相区加工产生的组织，无完整的原始β晶界，为转变的β基体上的等轴α组织或拉长α组织，晶粒度为6级，其力学性能满足Rm≥1198MPa，Rp0.2≥1125MPa，A≥10％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度钛合金封头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将Ф680mm钛合金铸锭开坯锻造后进行多火次镦拔获得钛合金板坯；

步骤2、将钛合金板坯经多火次热轧获得钛合金封头料板；

步骤3、在钛合金封头料板的上、下表面上分别铺设上钢板和下钢板，将上钢板和下钢板边部焊接并预留用于真空设备对焊接后的密闭空间抽真空的通道，抽真空结束后对通道封闭；

步骤4、将焊接且封闭好的钛合金封头料板放置在冲压模具中经加热后进行多火次热冲压，获得钛合金封头半成品；

步骤5、取下上钢板和下钢板，并将钛合金封头半成品进行切边处理和表面机械加工得到目标尺寸的高强度钛合金封头成品；

所述步骤1中，将钛合金铸锭进行两火次开坯锻造，其开坯锻造的温度为相变点T_β+150℃，保温40分钟，将钛合金铸锭两镦两拔至□700mm的板坯钛合金；

在多火次镦拔过程中采用第一加热温度和第二加热温度交替加热，具体的，首先，将Ф700mm的钛合金板坯加热至第一加热温度T_β+30℃，一镦一拔至□700mm，镦粗变形量45％，锻后空冷；其次，将加热温度交替至第二加热温度T_β-50℃，采用两火次一镦一拔，镦粗变形量45％，钛合金板坯由□700mm锻造成□780mm；然后，将加热温度交替至第一加热温度T_β+50℃，进行动态再结晶，保温350分钟出炉，采用两火次两镦两拔，镦粗变形量50％，钛合金板坯由□780mm锻造成□650mm，锻后回炉；最后，将加热温度交替至第二加热温度在T_β-50℃，采用三火次锻造，镦粗变形量42％，将钛合金板坯由□650mm锻造成宽度1200mm×厚度250mm的钛合金板坯。

2.根据权利要求1所述的高强度钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，在所述钛合金板坯进行多火次热轧前还需要经过表面机械加工处理，每火次热轧的加热温度均为T_β-50℃～T_β-20℃，第一火次热轧的保温时间为1.2S₁～1.8S₁分钟，从第二火次热轧开始，每火次热轧的保温时间为0.4S₁～0.8S₁分钟，其中，S₁为所述钛合金板坯的厚度。

3.根据权利要求2所述的高强度钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，每火次热轧的轧制道次为6-7次，钛合金封头料板的厚度总变形量为70％-90％。

4.根据权利要求3所述的高强度钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述上钢板的厚度为2-5mm，所述下钢板的厚度与钛合金封头料板的厚度相同。

5.根据权利要求4所述的高强度钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，钛合金封头料板在铺设上钢板和下钢板前还需涂抹耐高温隔离涂料。

6.根据权利要求5所述的高强度钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，焊接方式为电弧焊焊接。

7.根据权利要求6所述的高强度钛合金封头的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，加热温度为T_β-50℃～T_β-20℃，保温时间为1.2S₂～1.8S₂分钟，每火次热冲压的速度不大于0.25mm/s，前一火次热冲压后直接转入电加热炉中，经加热保温后进行下一次冲压，直至最后一火次热冲压获得钛合金封头半成品，其中，S₂为钛合金封头料板及上钢板和下钢板的厚度之和。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的高强度钛合金封头的制备方法制得的高强度钛合金封头。