CN113604703A - 一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，包括以下步骤：（1）中间合金的熔炼；所述中间合金的成分包括：钒‑铝中间合金、铝‑钼中间合金和其他杂质；（2）钛合金的铸锭；将中间合金与海绵钛配料混制进行铸锭；（3）钛合金板的生产；钛合金板的生产包括热加工和冷加工，熔炼检测合格的钛合金铸锭经过热锻造开坯形成板坯，去除氧化皮过程，再通过轧机热轧；热轧后的钛合金板材，经过酸碱洗，去除氧化皮，通过冷轧制成，最后进行热处理形成成品；通过二步法熔炼中间合金，以保证钛合金元素添加的质量，本发明通过热加工和冷加工工艺对钛合金板材进行制造，以提高钛合金板材的力学性能，热处理后到达使用要求。

Description

一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法
技术领域
本发明主要涉及运动器材的技术领域，具体为一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法。
背景技术
高尔夫球具广泛使用钛合金用于一号木杆杆头的生产。高尔夫球具用钛合金具有特殊性，这是因为作为木杆杆头的钛合金材料，不但需要有比较高的强度和塑性，还要有比较高的冲击韧性和抗冲击的疲劳性能，也要求有比较低的裂纹敏感性和良好的焊性性能。Ti-6Al-4V等钛合金虽然综合性能较好，但韧性和裂纹敏感性一般，因此会有高尔夫球杆杆头在打球时裂纹和变形情况发生。特别是由于使用者追求发球的距离远，杆头的体积越来越大，而重量是必须衡定的（国际通用标准），因此使用的钛合金板材厚度越来越薄，这就要求钛合金的强度，塑性，韧性更高才能保证杆头的使用性能。
高尔夫杆头制造一般分为二种：铸造法和锻造法。铸造方法是铸造杆头本体+焊接板材杆头打击面；锻造方法是用板材分片式，在模具中锻造成形，然后把各成形好的上盖、下底、打击面组焊接成杆头，二种方法制造高尔夫杆头，打击面都必须是用钛合金板材制造。
杆头打击面是杆头最重要的部分，受冲击力最大，材料性能要求最高，不仅要有比较高的力学性能，还要有很好的冷热加工性能和高的损伤容限性能；同时要兼顾钛合金材料的成本和实用性，生产制造工艺控制难度和稳定性。一般来说，杆头打击面用钛合金材料都是α＋β二相钛合金和β型钛合金，α型和近α型钛合金理论上不可以热处理强化。所以需要通过合理的合金元素配比，生产出可以热处理强化，良好强塑比的近α型钛合金材料，以应用到杆头的打击面上，提高杆头的机械性能。
发明内容
本发明主要提供了一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，其中，包括以下步骤：
（1）中间合金的熔炼；所述中间合金的成分包括：钒-铝中间合金、铝-钼中间合金和其他杂质，其中包括：质量百分比为50-55％的钒、30-40％的钼，其余量均为铝，所述杂质包括氧、氮、碳，且所述氧的质量小于0.03％，氮的质量小于0.005％，碳的质量小于0.005％；
（2）钛合金的铸锭；将中间合金与海绵钛配料混制进行铸锭，且所述钛合金的成分包括：重量百分比为5.50-7.50％的铝、1.50-3.50％的钒、1.50-3.50％的钼、1.20-3.20％锆、0.03-0.05％稀土，其中氧小于0.16％、氢小于0.005％、氮小于0.02％、碳小于0.03％、铁小于0.15％；
（3）钛合金板的生产；钛合金板的生产包括热加工和冷加工，熔炼检测合格的钛合金铸锭经过热锻造开坯形成板坯，去除氧化皮过程，再通过轧机热轧；热轧后的钛合金板材，经过酸碱洗，去除氧化皮，通过冷轧制成，最后进行热处理形成成品。
进一步的，中间合金的熔炼包括二步法：第一步，完全按照铝热法工艺生产中间合金，坩埚材料由石墨坩埚改为高纯镁砂坩埚，减低碳含量；第二步，用真空电子束炉精炼中间合金，利用真空电子束炉的高真空，进一步去除中间合金中的O、N、C。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明主要提供了一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，是以高尔夫球具杆头打击面材料为重点同时兼顾杆头其它部位的性能要求而设计，该钛合金中合金化元素选用铝、钒、鉬、锆等成本较低的元素，无铌钽等熔点较高元素，同时加入微量细化晶粒提高机械性能的稀土金属。
通过二步法熔炼中间合金，以保证钛合金元素添加的质量，通过热加工和冷加工工艺对钛合金板材进行制造，以提高钛合金板材的力学性能，热处理后到达使用要求。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明中，钛合金品质高低最终影响的是钛合金铸锭的质量，钛合金铸锭质量取决于钛合金铸锭中合金元素的均匀性和杂质及晶粒度控制。
一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，其中，包括以下步骤：
（1）中间合金的熔炼；所述中间合金的成分包括：钒-铝中间合金、铝-钼中间合金和其他杂质，其中包括：质量百分比为50-55％的钒、30-40％的钼，其余量均为铝，所述杂质包括氧、氮、碳，且所述氧的质量小于0.03％，氮的质量小于0.005％，碳的质量小于0.005％；
（2）钛合金的铸锭；将中间合金与海绵钛配料混制进行铸锭，且所述钛合金的成分包括：重量百分比为5.50-7.50％的铝、1.50-3.50％的钒、1.50-3.50％的钼、1.20-3.20％锆、0.03-0.05％稀土，其中氧小于0.16％、氢小于0.005％、氮小于0.02％、碳小于0.03％、铁小于0.15％；
（3）钛合金板的生产；钛合金板的生产包括热加工和冷加工，熔炼检测合格的钛合金铸锭经过热锻造开坯形成板坯，去除氧化皮过程，再通过轧机热轧；热轧后的钛合金板材，经过酸碱洗，去除氧化皮，通过冷轧制成，最后进行热处理形成成品。
在本实施例中，中间合金的熔炼是通过二步法完成的，其中，一步法生产的具体方法是：在大气环境中，用铝粉分别和氧化钒、钼粉按比例分层布料，以铝作燃烧剂和还原剂，通过氧化还原反应，在石墨坩埚中熔铸成中间合金铸锭，去除铸锭上部氧化物，破碎筛分，混合成钛合金熔铸用中间合金。
在一步法的基础上，对中间合金进行二次精炼，对中间合金主成分进行匀质化处理，降低O、N、C杂质含量。
二步法中间合金的熔炼包括：
第一步，完全按照铝热法工艺生产中间合金，坩埚材料由石墨坩埚改为高纯镁砂坩埚，减低碳含量。
第二步，用真空电子束炉精炼中间合金，利用真空电子束炉的高真空，进一步去除中间合金中的O、N、C，具体过程包括以下步骤：
1.1破碎铝热法生产中间合金铸锭；
1.2加料入真空电子束炉料箱，封闭真空电子束炉门，炉体粗抽真空，熔炼室抽高真空；
1.3加料送电熔炼，熔炼铸锭除气，熔炼完成；
1.4真空下炉冷铸锭，铸锭炉冷至室温；
1.5真空电子束炉破真空取出铸锭，取样分析中间合金铸锭，破碎筛分中间合金，包装备用。
二步法中间合金成分控制范围，钒-铝中间合金（质量百分比%）中，V：50-55％，Al:余量；铝-钼中间合金（质量百分比%）包括，Mo: 30-40％，Al: 余量；杂质成分（质量百分比%）包括，O＜0.03％，N＜0.005％，C＜0.005％。
成分控制质量范围远高于国内常用的铝热熔铸一步法生产的中间合金，充分保证了钛合金元素添加的质量。
本发明中中的钛合金铸锭制造，钛合金加工材性能的一致性、稳定性、均匀性取决于钛合金铸锭元素成分的分布均匀性和组织状态。
钛合金铸锭生产的过程包括如下步骤：
2.1中间合金和海绵钛配料混制；
2.2液压机挤压自耗电极块，组焊自耗电极，一次真空自耗炉熔炼，一次真空自耗铸锭修磨；
2.3组焊二次真空自耗熔炼电极，二次真空自耗熔炼，二次真空自耗铸锭修磨；
2.4组焊三次真空自耗熔炼电极，三次真空自耗熔炼，三次自耗熔炼铸锭；
2.5去铸锭冒口，机械加工去除铸锭表层（扒皮）；
2.6探伤、取样分析成分，铸锭入库备用。
钛合金铸锭的成分（重量百分比%）包括，Al：5.50-7.50％，V： 1.50-3.50％，Mo：1.50-3.50％，Zr：1.20-3.20％，RE（稀土）：0.03-0.05％，O＜0.16％，H＜0.005％，N＜0.02％，C＜0.03％，Fe＜0.15％。
本发明中的钛合金热加工工艺，锻造开坯在1500吨液压快锻机上进行，电阻炉加热，经过二次锻造成钛合金板坯。铸锭锻造开坯温度为：1150-1180℃；锻造板坯成型温度为：980-1000℃；板坯热轧制温度为：950-1050℃。
本发明中的钛合金冷加工工艺，钛合金板材冷轧制工艺：总变形率＞80％，道次变形率＞25％。退火温度：650-850℃。
在本实施例中，钛合金板的生产工艺如下：
3.1铸锭热锻造开坯，取氧化皮；
3.2板材轧机热轧，碱酸洗去氧化皮；
3.3板材轧机冷轧；
3.4板材成品真空退火；
3.5剪切定尺，性能检测，成品入库。
本发明钛合金板材的力学性能如下：
退火状态：σb：890-1080Mpa，σ0.2：840-960Mpa，δ：20-25％，Ψ：25-30％。
固溶+时效状态:σb：1200-1380Mpa，σ0.2：1050-1250Mpa，δ:10-155％,Ψ：20-25％。
最后应说明的是：以上示例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的示例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）中间合金的熔炼；所述中间合金的成分包括：钒-铝中间合金、铝-钼中间合金和其他杂质，其中包括：质量百分比为50-55％的钒、30-40％的钼，其余量均为铝，所述杂质包括氧、氮、碳，且所述氧的质量小于0.03％，氮的质量小于0.005％，碳的质量小于0.005％；
（2）钛合金的铸锭；将中间合金与海绵钛配料混制进行铸锭，且所述钛合金的成分包括：重量百分比为5.50-7.50％的铝、1.50-3.50％的钒、1.50-3.50％的钼、1.20-3.20％锆、0.03-0.05％稀土，其中氧小于0.16％、氢小于0.005％、氮小于0.02％、碳小于0.03％、铁小于0.15％；
（3）钛合金板的生产；钛合金板的生产包括热加工和冷加工，熔炼检测合格的钛合金铸锭经过热锻造开坯形成板坯，去除氧化皮过程，再通过轧机热轧；热轧后的钛合金板材，经过酸碱洗，去除氧化皮，通过冷轧制成，最后进行热处理形成成品。
2.根据权利要求1所述的一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，其特征在于，所述中间合金的熔炼包括二步法：第一步，完全按照铝热法工艺生产中间合金，坩埚材料由石墨坩埚改为高纯镁砂坩埚，减低碳含量；第二步，用真空电子束炉精炼中间合金，利用真空电子束炉的高真空，进一步去除中间合金中的O、N、C。
3.根据权利要求1所述的一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，其特征在于，铸锭锻造开坯温度为：1150-1180℃，锻造板坯成型温度为：980-1000℃，板坯热轧制温度为：950-1050℃。
4.根据权利要求1所述的一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，其特征在于，所述钛合金板材的冷轧总变形率岛屿80％，道次变形率大于25％。
5.根据权利要求1所述的一种高尔夫用近α型钛合金的制造方法，其特征在于，热处理的退火温度为：650-850℃。
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