CN113351814B - 一种ta5-a钛合金中厚板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种TA5‑A钛合金中厚板的制备方法，包括铸锭熔炼、板坯锻造、一火轧制、中间修磨、二火成品轧制、热处理、表面处理及采用喷砂酸洗与修磨，最终获得了横纵向抗拉强度Rm≥726Mpa，屈服强度Rp0.2≥628Mpa，延伸率A≥15%，室温冲击akv≥100J/cm2，冷弯直径D=5T，弯曲角α=100°无裂纹，综合性能优良的TA5‑A合金板材，提升了潜艇、水中兵器等武器装备的安全性及可靠性。

Description

一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法。
背景技术
TA5-A合金是在普通TA5牌号基础上发展起来一种特殊用途中强钛合金，名义成分Ti-4Al-0.005B系全α钛合金，主要用于潜艇、水中兵器、舰船等耐海水条件下的螺栓、受力构件以及耐压壳体等。钛为密排六方结构，轧制加工中易形成基面织构和横向织构，造成横纵向力学性能差异明显，从而导致后加工产品性能的各向异性，这无疑对成品设备的安全性及可靠性是不利的。按照国军标GJB 944-90要求，TA5-A合金板材纵向室温抗拉强度Rm≥686Mpa，屈服强度Rp0.2≥588Mpa，延伸率A≥13%，断面收缩率Z≥25%，室温冲击akv≥57J/cm2，冷弯直径D=5T（T为板材厚度），弯曲角α=100°无裂纹，横向指标未做要求。基于此，关于TA5-A的研究以及工业生产多以纵向指标为考量标准，而鲜有研究及工业生产同时对横纵向进行研究和考量，例如在《海洋工程用 TA5-A 钛合金中厚板材研究》以及《二次轧制参数和退火热处理对TA5-A钛合金热轧板力学性能的影响》的文献中，分别研究了氧含量、变形量等工艺参数对板材纵向性能的影响，虽然按照文献中最优参数制备的TA5-A板材表现出了良好的纵向性能，但未涉及横向结果。近年来随着潜艇、水中兵器等武器装备的不断升级，对原材料的要求也越来越高，因此研究制备一种横纵向同时满足GJB 944-90标准要求的高强塑性、高冲击的TA5-A中厚板具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，本发明采用全流程工艺控制理念，通过对熔炼、锻造及热轧加工等关键流程控制，最终获得了横纵向抗拉强度Rm≥726Mpa，屈服强度Rp0.2≥628Mpa，延伸率A≥15%，室温冲击akv≥100J/cm2，冷弯直径D=5T，弯曲角α=100°无裂纹，综合性能优良的TA5-A合金板材，提升了潜艇、水中兵器等武器装备的安全性及可靠性。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤一、铸锭熔炼：选用海绵钛、铝豆、以及铝硼合金粉进行配料并压制成电极块，经过真空自耗电弧炉熔炼成Ti-4Al-0.005B铸锭，切除铸锭冒口并扒皮；
步骤二、板坯锻造：一火开坯锻造温度为Tβ+(50~120)℃，经至少两次镦拔处理，总变形量为60~80%，终锻温度≥850℃，一火坯料经修磨、锯切后进行二火锻造，二火锻造温度为Tβ+(20~60)℃，同样经至少两次镦拔，总变形量为40~80%，终锻温度≥800℃；二火坯料修磨后进行三火锻造，三火锻造温度在Tβ-(20~60)℃，经至少一次镦拔，总变形量65~80%，终锻温度≥750℃，然后经整形、铣面后制备成为轧制用方形板坯；
步骤三、一火轧制：一火加热温度为Tβ-(20~60)℃，保温时间为100~190min，轧程变形率为50～90%，得一火板；
步骤四、中间修磨：将步骤三得到的一火板经整面修磨去除表面裂纹、压入缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向；
步骤五、二火成品轧制：二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，加热温度为Tβ-(60~150)℃，保温时间为20~90min，轧程变形率控制为40～85%；
步骤六、热处理：采用大气气氛退火，退火温度为600～700℃；
步骤七、表面处理：采用喷砂酸洗与修磨，去除上下表面氧化皮及缺陷，得成品板。
进一步的，步骤二中方形板坯的厚度为130～160mm。
进一步的，步骤二中一火后的总变形量为60~80%，二火后的总变形量为40~80%，三火后的总变形量65~80%。
进一步的，步骤三中产品厚度为30~70mm。
进一步的，步骤五中产品厚度为10~25mm。
本发明的有益效果为：本发明通过对熔炼、锻造、轧制等关键工艺的控制，制备出了一种横纵向同时满足GJB 944-90标准要求的高强塑性、高冲击的TA5-A中厚板材，大大提升了潜艇、水中兵器等武器装备的安全性及可靠性。
具体体现在：使用本专利方法制备的TA5-A板材综合性能优良，横纵向指标均能满足GJB 944-90标准要求，并可达到抗拉强度Rm≥726Mpa，屈服强度Rp0.2≥628Mpa，延伸率A≥15%，室温冲击akv≥100J/cm2，冷弯直径D=5T，弯曲角α=100°无裂纹，综合性能优良，易加工成型，用于制造的船舶结构件安全性更高；且本专利工艺简单，可实现批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例1得到的板材的组织结构示意图；
图2是本发明实施例2得到的板材的组织结构示意图；
图3是本发明实施例3得到的板材的组织结构示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明实施例加以详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤一、铸锭熔炼：选用海绵钛、铝豆、以及铝硼合金粉进行配料并压制成电极块，铝豆的铝含量为≥99.7%，经过真空自耗电弧炉熔炼成Ti-4Al-0.005B铸锭，切除铸锭冒口并扒皮；
步骤二、板坯锻造：一火开坯锻造温度为Tβ+(50~120)℃，Tβ+(50~120)℃表示为在相变点温度以上的50~120℃，经至少两次镦拔处理，总变形量为60~80%，终锻温度≥850℃，一火坯料经修磨、锯切后进行二火锻造，二火锻造温度为Tβ+(20~60)℃，同样经至少两次镦拔，总变形量为40~80%，终锻温度≥800℃；二火坯料修磨后进行三火锻造，三火锻造温度在Tβ-(20~60)℃，Tβ-(20~60)℃表示为在相变点温度以下的20~60，经至少一次镦拔，总变形量65~80%，终锻温度≥750℃，然后经整形、铣面后制备成为轧制用方形板坯，板坯组织为等轴α+晶间β；板坯锻造分3次进行锻造的目的为：依次降低锻造温度，充分破碎铸钛粗大晶粒组织，获得均匀细小组织，为后工序轧制变形获得良好性能打下良好基础；
步骤三、一火轧制：一火加热温度为Tβ-(20~60)℃，保温系数0.3~1.2min/mm，保温时间为100~190min，轧程变形率为50～90%，得一火板；
步骤四、中间修磨：将步骤三得到的一火板经整面修磨去除表面裂纹、压入缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向；
步骤五、二火成品轧制：二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，加热温度为Tβ-(60~150)℃，保温系数为0.8~1.2min/mm，保温时间为20~90min，轧程变形率控制为40～85%；一火轧制和二火成品轧制的目的是进一步破碎晶粒组织，获得均匀细小组织，获得良好的综合性能；
步骤六、热处理：采用大气气氛退火，退火温度为600～700℃，保温系数2.0~5.0min/mm，保温时间为40~100min；
步骤七、表面处理：采用喷砂酸洗与修磨，去除上下表面氧化皮及缺陷，得成品板。
进一步的，步骤二中方形板坯的厚度为130～160mm。
进一步的，步骤二中一火后的总变形量为60~80%，二火后的总变形量为40~80%，三火后的总变形量65~80%。
进一步的，步骤三中产品厚度为30~70mm。
进一步的，步骤五中产品厚度为10~25mm。
实施例1：
步骤一、铸锭熔炼：选用零级海绵钛、高纯铝豆（99.8%）以及铝硼合金粉进行配料并压制成电极块，经过三次真空自耗电弧炉熔炼成Ti-4Al-0.005B铸锭，金相法实测相变点1000℃。
步骤二、板坯锻造：一火开坯锻造温度在相变点1100℃，经两次镦拔，总变形量75%，终锻温度892℃；一火坯料经修磨、锯切后进行二火锻造，二火锻造温度在1050℃，同样经两次镦拔，总变形量68%，终锻温度833℃；二火坯料修磨后进行三火锻造，三火锻造温度在980℃，经两镦一拔，总变形量72%，终锻温度788℃，然后经整形、铣面后制备成为轧制用130mm厚方形板坯，板坯组织为等轴α+晶间β。
步骤三、一火轧制：一火加热温度为980℃，保温时间130min，轧至成品厚度36.4mm，轧程变形率为72%。
步骤四、中间修磨：一火板经整面修磨去除表面裂纹、压入等缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向。
步骤五、二火成品轧制：二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，加热温度920℃，保温时间36.4min，轧至成品厚度12mm,轧程变形率67%。
步骤六、热处理：采用大气气氛退火，退火温度600℃，保温时间50min。
步骤七、表面处理：采用喷砂酸洗与修磨，去除上下表面氧化皮及缺陷。
成品板组织为拉长α+少量等轴α+晶间β，板材组织及实测性能分别见图1及表1。
实施例2：
步骤一、铸锭熔炼：选用零级海绵钛、高纯铝豆（99.8%）以及铝硼合金粉进行配料并压制成电极块，经过三次真空自耗电弧炉熔炼成Ti-4Al-0.005B铸锭，金相法实测相变点995℃。
步骤二、板坯锻造：一火开坯锻造温度在相变点1100℃，经两次镦拔，总变形量78%，终锻温度885℃；一火坯料经修磨、锯切后进行二火锻造，二火锻造温度在1050℃，同样经两次镦拔，总变形量63%，终锻温度843℃；二火坯料修磨后进行三火锻造，三火锻造温度在980℃，经两镦一拔，总变形量75%，终锻温度768℃，然后经整形、铣面后制备成为轧制用150mm厚方形板坯，板坯组织为等轴α+晶间β。
步骤三、一火轧制：一火加热温度为980℃，保温时间150min，轧至成品厚度51mm，轧程变形率为66%。
步骤四、中间修磨：一火板经整面修磨去除表面裂纹、压入等缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向。
步骤五、二火成品轧制：二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，加热温度920℃，保温时间51min，轧至成品厚度16mm,轧程变形率69%。
步骤六、热处理：采用大气气氛退火，退火温度650℃，保温时间60min。
步骤七、表面处理：采用喷砂酸洗与修磨，去除上下表面氧化皮及缺陷。
成品板组织为拉长α+少量等轴α+晶间β，板材组织及实测性能分别见图2及表1。
实施例3：
步骤一、铸锭熔炼：选用零级海绵钛、高纯铝豆（99.8%）以及铝硼合金粉进行配料并压制成电极块，经过三次真空自耗电弧炉熔炼成Ti-4Al-0.005B铸锭，金相法实测相变点1000℃。
步骤二、板坯锻造：一火开坯锻造温度在相变点1100℃，经两次镦拔，总变形量72%，终锻温度901℃；一火坯料经修磨、锯切后进行二火锻造，二火锻造温度在1050℃，同样经两次镦拔，总变形量65%，终锻温度821℃；二火坯料修磨后进行三火锻造，三火锻造温度在980℃，经两镦一拔，总变形量78%，终锻温度755℃，然后经整形、铣面后制备成为轧制用160mm厚方形板坯，板坯组织为等轴α+晶间β。
步骤三、一火轧制：一火加热温度为980℃，保温时间160min，轧至成品厚度62mm，轧程变形率为61%。
步骤四、中间修磨：一火板经整面修磨去除表面裂纹、压入等缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向。
步骤五、二火成品轧制：二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，加热温度920℃，保温时间62min，轧至成品厚度22mm,轧程变形率65%。
步骤六、热处理：采用大气气氛退火，退火温度700℃，保温时间90min。
步骤七、表面处理：采用喷砂酸洗与修磨，去除上下表面氧化皮及缺陷。
成品板组织为拉长α+少量等轴α+晶间β，板材组织及实测性能分别见图3及表1。
对比实施例1
对比实施例1中除铸锭熔炼原料采用1级海绵钛以及二火不换向轧制外，其余工艺参数与实施例1均相同，所制备板材的力学性能如表1所示。
对比实施例2
对比实施例2中一火加热温度1010℃/二火加热温度980℃，其余工艺参数与实施例2均相同，所制备板材的力学性能如表1所示。
表1 采用本发明加工的TA5-A钛合金中厚板的性能
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由图1～3及表1可知，采用本发明制备的不同厚度的TA5-A合金板组织均匀，且与GJB 944-90指标相比，成品板材横纵向抗拉与屈服强度富余量均超高40Mpa，延伸率富余量超过5%，冲击韧性富余量超过40J/cm2，冷弯100°弯曲合格，表现出了良好的综合性能。
还需要说明的是，在本文中，诸如Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (5)

1.一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤一、铸锭熔炼：选用海绵钛、铝豆、以及铝硼合金粉进行配料并压制成电极块，经过真空自耗电弧炉熔炼成Ti-4Al-0.005B铸锭，切除铸锭冒口并扒皮；
步骤二、板坯锻造：一火开坯锻造温度为Tβ+(50~120)℃，经至少两次镦拔处理，总变形量为60~80%，终锻温度≥850℃，一火坯料经修磨、锯切后进行二火锻造，二火锻造温度为Tβ+(20~60)℃，同样经至少两次镦拔，总变形量为40~80%，终锻温度≥800℃；二火坯料修磨后进行三火锻造，三火锻造温度在Tβ-(20~60)℃，经至少一次镦拔，总变形量65~80%，终锻温度≥750℃，然后经整形、铣面后制备成为轧制用方形板坯；
步骤三、一火轧制：一火加热温度为Tβ-(20~60)℃，保温时间为100~190min，轧程变形率为50～90%，得一火板；
步骤四、中间修磨：将步骤三得到的一火板经整面修磨去除表面裂纹、压入缺陷，修磨方向垂直于一火轧制方向；
步骤五、二火成品轧制：二火换向轧制，即轧制方向与一火轧制方向垂直，加热温度为Tβ-(60~150)℃，保温时间为20~90min，轧程变形率控制为40～85%；
步骤六、热处理：采用大气气氛退火，退火温度为600～700℃；
步骤七、表面处理：采用喷砂酸洗与修磨，去除上下表面氧化皮及缺陷，得成品板；成品板组织为拉长α+少量等轴α+晶间β。
2.根据权利要求1所述的一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，其特征在于：步骤二中方形板坯的厚度为130～160mm。
3.根据权利要求1所述的一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，其特征在于：步骤三中产品厚度为30~70mm。
4.根据权利要求1所述的一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，其特征在于：步骤五中产品厚度为10~25mm。
5.根据权利要求1所述的一种TA5-A钛合金中厚板的制备方法，其特征在于：步骤六中的保温时间为50~100min。
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