CN113578967A - 一种550℃~650℃高温钛合金箔材的制备方法 - Google Patents

一种550℃~650℃高温钛合金箔材的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，具体为：(1)将高温钛合金铸锭在1100℃～1200℃加热后锻造，获得坯料；(2)在950℃～1000℃加热后进行轧制；(3)在β相变点之上50℃～70℃热处理后水淬冷却到室温获得板坯；(4)在950℃～1000℃加热后进行轧制；(5)将所得坯料进行组焊，获得包覆叠轧包；(6)将叠轧包在950℃～1000℃加热后，进行轧制；(7)拆开叠轧包，对坯料进行第二次组焊，获得包覆叠轧包；(8)将叠轧包在900℃～950℃加热后，垂直于上次轧制方向进行轧制；(9)退火、蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.6mm的板材；(10)将板材剪切后进行7～25次冷轧，得到厚度0.08mm～0.2mm的轧制态箔材；(11)进行真空退火热处理，获得厚度为0.08mm～0.2mm的成品箔材。

Description

一种550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法
技术领域
本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法。
背景技术
550℃～650℃高温钛合金主要应用于航空发动机和航天高超声速飞行器的高温结构部件。目前，我国自主研发的高温钛合金的有TA32、TA33和Ti65钛合金，长时使用温度分别为550℃、600℃和650℃，以上高温钛合金的板材已应用于航空发动机和超音速飞行器的筒体、机体、机翼等热结构部件。
使用温度在550℃～650℃的高温钛合金箔材在航空航天领域的高温承力结构件中具有广泛的应用前景，高温钛合金蜂窝结构以轻质、高强度、耐高温的特性在超高声速飞行器的机翼蜂窝壁板等构件中具有不可替代的优势。现有的钛合金箔材专利主要关注结构钛合金如TC4、TB8、TB5等合金箔材的制备工艺(见授权公告号CN103464461B、CN102941228B)，其制备方法相对简单，一般是从市场上采购成品板作为坯料，然后采用冷轧或热轧的方式得到箔材。这些方法一般只关注箔材的厚度公差，对箔材的显微组织和力学性能等很少关注。
国内外现有专利很少涉及550℃～650℃的高温钛合金箔材的制备工艺与方法，随着航空航天高超声速飞行器飞行速度的不断提升，其蜂窝壁板结构对高温钛合金箔材的需求越来越迫切，不但要求高温钛合金箔材具有良好的成形性能，还要求具备较高的室温和高温(550℃～650℃)拉伸强度。
发明内容
本发明针对550℃～650℃高温钛合金箔材制备技术空白，提供一种550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其目的是提供一种550℃～650℃高温钛合金箔材，该箔材的平均晶粒尺寸3～8μm，室温抗拉强度可达1000MPa～1200MPa，延伸率≥8％，TA32钛合金箔材550℃抗拉强度为600MPa～680MPa，TA33钛合金箔材600℃抗拉强度为680MPa～740MPa，Ti65钛合金箔材650℃抗拉强度为500MPa～600MPa，箔材厚度偏差不大于±0.015mm。
本发明的技术方案是：
一种550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将钛合金铸锭在温度为1100℃～1200℃的加热炉中保温200min～240min，在锻造机上进行锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用坯料；
步骤二，将所得坯料在温度为950℃～1000℃的加热炉中保温100min～150min，在轧机上进行开坯轧制，得到厚度为10mm～15mm的板坯；
步骤三，将所得板坯剪切后，在钛合金β相变点之上50℃～70℃的加热炉中保温60～90min，水淬至室温；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度950℃～1000℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到厚度为4±0.5mm的坯料；
步骤五，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为950℃～1000℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到厚度为1.5±0.2mm的坯料；
步骤七，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度900℃～950℃的加热炉中保温80～100min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.65mm±0.03mm的坯料；
步骤九，将所得坯料经过退火处理、蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.6mm板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行7～25次冷轧，中间过程中每轧程之间进行真空退火热处理，最终得到厚度为0.08mm～0.2mm的轧制态箔材；
步骤十一，最后将轧制态箔材放入真空炉中进行真空退火热处理，获得厚度为0.08mm～0.2mm的成品箔材。
作为优选的技术方案：
步骤一中所得板坯尺寸为150±5mm×500mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于50％。
步骤二中所述的开坯轧制，轧程数为2～3次，每轧程总变形量不小于40％。
步骤四中所述的轧制，轧程数为2～3次，每轧程总变形量不小于30％。
步骤五或步骤七中，所述包覆轧制包中钢板与每片钛合金坯料的厚度比为1～20:1。
步骤六中所述的轧制，轧程数为1次，总变形量不小于50％。
步骤八中所述的轧制，轧程数为1次，总变形量不小于45％。
步骤九中所述的退火处理，其温度为550℃～700℃，退火时间120min～240min，随炉冷却；制备得到的0.6mm板材，其厚度偏差不超过±0.05mm。
步骤十中所述的冷轧，每轧程总变形量8％～25％，所述的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，中间过程的热处理温度为800℃～950℃，保温时间60min，随炉冷却。
步骤十一中成品箔材的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，热处理温度为700℃～900℃，保温时间60min～90min，随炉冷却。
本发明与现有技术比有以下优点：
1、本发明涵盖了550℃～650℃高温钛合金箔材制备中的板坯制备、板材轧制、箔材制备、箔材热处理的全流程制备工艺与方法，可有效控制箔材的显微组织和力学性能。
2、本发明在板坯制备过程中采用β相区淬火工艺，形成针状无序排列的马氏体αˊ相板条和少量的β相，可有效减弱最终产品箔材的相变织构，同时细化箔材的晶粒尺寸。
3、本发明中0.6mm板材经历两次包覆和一次换向轧制，可有效减弱最终箔材的轧制织构。
4、采用本发明所述方法制备的550℃～650℃高温钛合金(Ti55、Ti60、Ti65)箔材，其平均晶粒尺寸3～8μm，室温抗拉强度可达1000MPa～1200MPa，延伸率≥8％；其中TA32钛合金箔材550℃抗拉强度为600MPa～680MPa，TA33钛合金箔材600℃抗拉强度为680MPa～740MPa，Ti65钛合金箔材650℃抗拉强度为500MPa～600MPa，箔材厚度偏差不大于±0.015mm。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
厚度为0.1mm的TA32钛合金箔材的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-5.20Al-3.5Sn-3.0Zr-1.0Mo-0.4Nb-0.4Ta-0.25Si的TA32钛合金铸锭，将钛合金铸锭在温度为1100℃的加热炉中保温200min，在锻造机上进行锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用坯料，所得坯料尺寸为150mm×500mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于50％；
步骤二，将所得坯料在温度950℃的加热炉中保温100min，在轧机上进行开坯轧制，得到厚度为10mm的板坯，轧程数为3次，每轧程总变形量70～75％；
步骤三，将所得板坯剪切后，在TA32合金β相变点之上50℃的加热炉中保温60min，水淬至室温；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度950℃的加热炉中保温60min，轧制得到厚度为4±0.5mm的坯料，轧程数为2次，每轧程总变形量为35％；
步骤五，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为20:1；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为950℃的加热炉中保温60min，轧制得到厚度为1.5±0.2mm的坯料，轧程数为1次，总变形量为63％；
步骤七，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为20:1；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度900℃的加热炉中保温80min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.65±0.03mm的坯料，轧程数为1次，总变形量为57％；
步骤九，将所得坯料经过550℃，240min，炉冷的退火热处理，蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.6mm板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行8次冷轧，每轧程总变形量15％～20％，中间过程每轧程之间必须进行800℃，60min的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，最终得到厚度为0.1mm的轧制态箔材；
步骤十一，将轧制态的箔材，放入真空炉中进行700℃，60min的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，获得厚度为0.1mm的成品箔材。
本实施例制备的厚度为0.1mm的TA32(Ti55)钛合金箔材，其平均晶粒尺寸3μm～5μm，室温抗拉强度：1000MPa，延伸率12％，550℃抗拉强度可达650MPa，箔材厚度偏差±0.012mm。
实施例2
厚度为0.2mm的TA33钛合金箔材的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-5.7Al-4.0Sn-3.5Zr-0.9Mo-0.37Si-0.4Nb-1.0Ta-0.06C的TA33钛合金铸锭，将钛合金铸锭在温度为1150℃的加热炉中保温210min，在锻造机上进行锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用坯料，所得坯料尺寸为155mm×500mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于50％；
步骤二，将所得坯料在温度970℃的加热炉中保温120min，在轧机上进行开坯轧制，得到厚度为12mm的板坯，轧程数为3次，每轧程总变形量50～60％；
步骤三，将所得板坯剪切后，在β相变点之上60℃的加热炉中保温90min，水淬至室温；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度970℃的加热炉中保温90min，轧制得到厚度为4±0.5mm的坯料，轧程数为3次，每轧程总变形量为30％；
步骤五，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为10:1；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为970℃的加热炉中保温90min，轧制得到厚度为1.5±0.2mm的坯料，轧程数为1次，总变形量为63％；
步骤七，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为10:1；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度920℃的加热炉中保温100min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.65±0.03mm的坯料，轧程数为1次，总变形量为57％；
步骤九，将所得坯料经过600℃，200min，炉冷的退火热处理、蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.6mm板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行11次冷轧，每轧程总变形量10％～15％，中间过程中每轧程之间必须进行850℃，60min的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，最终得到厚度为0.2mm的轧制态箔材；
步骤十一，将轧制态的箔材，放入真空炉中进行800℃，保温时间80min的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，获得厚度为0.2mm的成品箔材。
本实施例制备的厚度为0.2mm的TA33(Ti60)钛合金箔材，其平均晶粒尺寸4μm～6μm，室温抗拉强度：1100MPa，延伸率10％，600℃抗拉强度可达720MPa，箔材厚度偏差±0.014mm。
实施例3
厚度为0.08mm的Ti65钛合金箔材的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-5.8Al-4.0Sn-3.5Zr-0.5Mo-0.45Si-0.3Nb-1.0Ta-0.8W-0.06C的Ti65钛合金铸锭，将钛合金铸锭在温度为1200℃的加热炉中保温200min，在锻造机上进行锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用坯料，所得坯料尺寸为145mm×500mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于50％；
步骤二，将所得坯料在温度1000℃的加热炉中保温150min，在轧机上进行开坯轧制，得到厚度为12mm的板坯，轧程数为3次，每轧程总变形量50～60％；；
步骤三，将所得板坯剪切后，在温度为β相变点之上70℃的加热炉中保温80min，水淬至室温；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度1000℃的加热炉中保温90min，轧制得到厚度为4±0.5mm的坯料，轧程数为3次，每轧程总变形量30％；
步骤五，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为20:1；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为1000℃的加热炉中保温90min，轧制得到厚度为1.5±0.2mm的坯料，轧程数为1次，总变形量为63％；
步骤七，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为20:1；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度950℃的加热炉中保温90min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.65±0.03mm的坯料，轧程数为1次，总变形量为57％；
步骤九，将所得坯料经过700℃，240min，炉冷的退火热处理，蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.6mm板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行24次冷轧，每轧程总变形量8％～12％，中间过程中每轧程之间必须进行900℃，60min的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，最终得到厚度为0.08mm的轧制态箔材；
步骤十一，将轧制态的箔材，放入真空炉中进行900℃，90min的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，获得厚度为0.08mm的成品箔材。
本实施例制备的厚度为0.08mm的Ti65钛合金箔材，其平均晶粒尺寸5μm～8μm，室温抗拉强度：1200MPa，延伸率9.0％，650℃抗拉强度可达570MPa，箔材厚度偏差±0.011mm。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将钛合金铸锭在温度为1100℃～1200℃的加热炉中保温200min～240min，在锻造机上进行锻造，终锻温度不低于1000℃，得到轧制用坯料；
步骤二，将所得坯料在温度为950℃～1000℃的加热炉中保温100min～150min，在轧机上进行开坯轧制，得到厚度为10mm～15mm的板坯；
步骤三，将所得板坯剪切后，在钛合金β相变点之上50℃～70℃的加热炉中保温60～90min，水淬至室温；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度950℃～1000℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到厚度为4±0.5mm的坯料；
步骤五，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为950℃～1000℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到厚度为1.5±0.2mm的坯料；
步骤七，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度900℃～950℃的加热炉中保温80～100min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.65mm±0.03mm的坯料；
步骤九，将所得坯料经过退火处理、蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.6mm板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行7～25次冷轧，中间过程中每轧程之间进行真空退火热处理，最终得到厚度为0.08mm～0.2mm的轧制态箔材；
步骤十一，最后将轧制态箔材放入真空炉中进行真空退火热处理，获得厚度为0.08mm～0.2mm的成品箔材。
2.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤一中所得坯料尺寸为150±5mm×500mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于50％。
3.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤二中所述的开坯轧制，轧程数为2～3次，每轧程总变形量不小于40％。
4.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤四中所述的轧制，轧程数为2～3次，每轧程总变形量不小于30％。
5.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤五或步骤七中，所述包覆轧制包中钢板与每片钛合金坯料的厚度比为1～20:1。
6.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤六中所述的轧制，轧程数为1次，总变形量不小于50％。
7.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤八中所述的轧制，轧程数为1次，总变形量不小于45％。
8.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤九中所述的退火处理，其温度为550℃～700℃，退火时间120min～240min，随炉冷却；制备得到的0.6mm板材，其厚度偏差不超过±0.05mm。
9.按照权利要求1所述550℃～650℃高温钛合金箔材的制备方法，其特征在于：步骤十中所述的冷轧，每轧程总变形量8％～25％，所述的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，中间过程的热处理温度为800℃～950℃，保温时间60min，随炉冷却；步骤十一中成品箔材的真空退火热处理，真空度10-4～10-3Pa，热处理温度为700℃～900℃，保温时间60min～90min，随炉冷却。
10.按照权利要求1所述方法制备的550℃～650℃高温钛合金箔材，其特征在于：所述550℃～650℃高温钛合金分别为TA32、TA33、Ti65钛合金，制备所得箔材平均晶粒尺寸3～8μm，室温抗拉强度为1000MPa～1200MPa，延伸率≥8％；其中TA32钛合金箔材550℃抗拉强度为600MPa～680MPa，TA33钛合金箔材600℃抗拉强度为680MPa～740MPa，Ti65钛合金箔材650℃抗拉强度为500MPa～600MPa，箔材厚度偏差不大于±0.015mm。
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