CN113695417B - 一种大口径高性能钛合金管材的制备方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径高性能钛合金管材的制备方法及其产品，该制备方法包括以下步骤：对钛合金材料进行熔炼，得到钛合金铸锭；对钛合金铸锭进行多火次镦拔，得到粗锻棒坯；对粗锻棒坯进行多道次精锻造，得到钛合金锻棒；对钛合金锻棒进行表面机加、锯切，预制定心孔，在表面涂覆抗氧化涂层，在电阻炉内加热，随后穿孔斜轧，制备得到粗品管坯；粗品管坯套上芯棒，对粗品管坯进行再锻造，再脱除芯棒，得到成品管坯；进行包括外表面机加、内表面镗孔、锯切在内的工序，得到所需管材。本发明制备的钛合金无缝管材，外径200～360mm、内径180～320mm、长度为1000～3000mm、壁厚10～30mm，组织均匀，机械性能良好。
Description
技术领域
本发明属于有色金属加工技术领域，具体涉及一种大口径高性能钛合金管材的制备方法及其产品。
背景技术
钛合金具有比强度高，塑性变形能力强，抗蚀性好等特点，在航空航天机械结构、化学及海洋装备等行业中广泛应用。随着装备业的发展，对不同规格的大口径管材需求逐年增加，而国内大多数钛合金无缝管材多为挤压或热轧加工制备而成的管径200mm以内的管材。钛合金的强度高，塑性差，加工难度很大，因此对于直径200mm以上的钛合金无缝管材，当前只能通过镗孔的方式加工而成，而这种加工方式造成物料的极大浪费。因此，开发直径大于200mm且材料利用率高的钛合金无缝管材的制备方法成为当前行业的难点。
大口径钛合金管材的生产目前主要有三种制备方法：一种是用板材通过卷板机或者油压机压制成型，然后焊接成圆管，经过矫圆、矫直，制备成焊缝管，但是焊缝管对卷板厚度有要求，厚板在卷板过程中容易开裂，而且由于焊管存在焊缝，组织和性能差异较大，容易开裂，具有一定的安全隐患；第二种是采用锻棒进行钻镗孔的传统加工方式，将内孔材料全部机加成屑，但是这种方法的材料利用率极低，成本太大；第三种是针对直径200mm以下的钛合金无缝管，采用穿孔热轧，由于热轧管轧制过程中温升，会导致组织不均匀，存在流线组织或粗大魏氏体组织，而且力学性能差异较大。
中国发明专利，公开号CN 110883502 A，公开了一种钛合金管材及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供钛合金棒坯和带锥度的芯棒，芯棒内部设有冷却通道，芯棒表面涂有润滑剂，芯棒的锥度为0.1°～10°；采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，得到粗品管坯；将粗品管坯套设在芯棒上，向冷却通道通冷却液，采用精锻机组对粗品管坯进行锻造，脱除芯棒，得到成品管坯，粗品管坯与芯棒接触部分的长度与芯棒总长的比值为(6～8)：15；将成品管坯进行退火处理处理，得到钛合金管材。但是上述方法制成的钛合金管材的外径为80mm～160mm，内径为60mm～120mm，壁厚为10mm～45mm，长度为1000mm～6000mm，室温抗拉强度≥950MPa，仅适用于制备直径200mm以下的管材，对于直径200mm以上的钛合金管材并不适合，这主要是因为上述方法需要采用镗床对钛合金棒坯进行掏孔处理，材料利用率极低，造成大量资源浪费，成本太大。
值得一提的是，由于钛合金加工性能较差，目前钛合金无缝管材斜轧穿孔工艺仅用于制备直径为200mm及以下的钛合金无缝管材，当斜轧穿孔直径大于200mm时，采用上述工艺则会由于变形量过大导致穿孔后的钛合金管材内部极易出现锥纵裂纹，且存在流线组织和粗大魏氏体组织，无法直接以荒管形态用于后续工序，必须经过内径镗孔、外径扒皮修磨后才能用于后道工序，这对于批量生产来说速度太慢，效率太低，严重阻碍其广泛应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种大口径高性能钛合金管材的制备方法及其产品，适用于制备直径大于200mm的大口径钛合金无缝管材，解决现有技术中大口径钛合金管材采用机加方式制备造成的物料浪费和采用热轧方式造成的规格偏小、组织和性能不足的问题。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种大口径高性能钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用真空自耗电弧炉对钛合金材料进行若干次熔炼，得到钛合金铸锭；
(2)采用快锻机对步骤(1)所得钛合金铸锭进行多火次镦拔，得到粗锻棒坯；
(3)采用精锻机对步骤(2)所得粗锻棒坯进行多道次精锻，得到钛合金锻棒；
(4)对步骤(3)所得钛合金锻棒进行表面机加、锯切，预制定心孔，在表面涂覆抗氧化涂层，放置于电阻炉内进行加热处理，随后穿孔斜轧，制备得到粗品管坯；
(5)将步骤(4)所得粗品管坯套上芯棒，随后采用精锻机对粗品管坯进行再锻造，再脱除芯棒，得到成品管坯；
(6)进行包括外表面机加、内表面镗孔、锯切在内的工序，得到外径200～360mm、内径180～320mm、长度为1000～3000mm、壁厚10～30mm的所需大口径高性能钛合金管材。
进一步的，步骤(2)中，采用快锻机在相变点温度以上50～80℃对步骤(1)所得钛合金铸锭进行多火次镦拔，得到粗锻棒坯，单火次镦拔变形量控制在25～45％之间。
进一步的，步骤(3)中，采用精锻机在相变点温度以下50～80℃对步骤(2)所得粗锻棒坯进行多道次精锻造，得到直径180mm以上的钛合金锻棒，单道次精锻变形量控制在15～30％。
进一步的，步骤(4)中，对步骤(3)所得钛合金锻棒进行表面机加、锯切，预制定心孔，在表面涂覆抗氧化涂层，在电阻炉内加热至相变点以上50～100℃，加热保温5-10h，随后穿孔斜轧，制备得到直径200～400mm、壁厚20～40mm的粗品管坯。
进一步的，采用大口径无缝钢管制备用的穿孔设备对钛合金锻棒穿孔斜轧。
进一步的，步骤(5)中，所述芯棒与粗品管坯之间的间隙为5～10mm。
进一步的，步骤(5)中，采用精锻机对粗品管坯进行再锻造时的锻造温度为相变点温度以下50～80℃，锻造变形量控制在15～30％。
本发明还公开了一种大口径高性能钛合金管材的制备方法制备得到的大口径高性能钛合金管材。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明通过对钛合金铸锭开坯锻造后精锻，一方面有利于提高成分的均匀性，改善合金的工艺性能和腐蚀性能，另一方面通过开坯锻造充分破碎粗大的铸态晶粒，能够加速扩散速度和效果，实现对钛合金管材微观成分和组织均匀性的控制；
2.采用穿孔斜轧后精锻，起到组织均匀化、细化晶粒的作用，所生产的成品管材性能优异；
3.与焊管工艺相比，本发明可加工多种壁厚管材，而且避免了焊接热影响区性能及组织的不均匀，安全性更高，与热轧管材工艺相比，无流线组织或粗大魏氏体组织；
4.与传统的棒材钻镗孔工艺相比，本发明极大的减少了材料浪费现象，提高了材料的利用率；
5.本发明加工制备的钛合金无缝管材，外径200～360mm、内径180～320mm、长度为1000～3000mm、壁厚10～30mm，壁厚均匀，直线度高；
6.本发明获得的大口径高性能钛合金管材组织均匀，机械性能良好，可广泛应用于腐蚀性能要求较高的核能、石化和海洋装备等设备制造中，具有广阔的应用前景。
7.本发明主要用于制备小批量大口径钛合金无缝管材，铸锭经锻造和精锻后，使用大口径无缝钢管制备用的穿孔设备进行钛合金穿孔，再使用穿芯棒精锻的方式，达到组织细化均匀化的目的，再通过内孔镗孔5mm以上，去除内部锥纵裂纹，从而达到制备出组织和性能都满足要求的大口径高性能的钛合金无缝管材的目的。此工艺虽然增加了斜轧穿孔工序，可能导致表面质量差，且锥纵裂纹较多，但后续镗孔可以完全去除，物料损失率不超过30％，相较于现有技术中采用锻后镗孔大口径管材的制备方法时物料损失率在80％以上，本发明在一定程度上节约了物料，减少了浪费。
附图说明
图1为实施例1的金相图。
具体实施方式
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
一种大口径高性能钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用真空自耗电弧炉对钛合金材料进行熔炼，得到钛合金铸锭，熔炼次数2-5次；
(2)采用快锻机在相变点温度以上50～80℃对步骤(1)所得钛合金铸锭进行多火次镦拔，得到粗锻棒坯，单火次镦拔变形量控制在25～45％之间；
(3)采用精锻机在相变点温度以下50～80℃对步骤(2)所得粗锻棒坯进行多道次精锻，得到直径180mm以上的钛合金锻棒，单道次精锻变形量控制在15～30％；
(4)对步骤(3)所得钛合金锻棒进行表面机加、锯切、预制定心孔，在表面涂覆抗氧化涂层，在电阻炉内加热至相变点以上50～100℃，加热保温5-10h，采用大口径无缝钢管制备用的穿孔设备进行穿孔斜轧，制备得到直径200～400mm、壁厚20～40mm的粗品管坯；
(5)将步骤(4)所得粗品管坯套上芯棒，芯棒和粗品管坯之间的间隙为5～10mm，随后采用精锻机对粗品管坯进行再锻造，再脱除芯棒，得到成品管坯，锻造温度为相变点温度以下50～80℃，锻造变形量控制在15～30％；
(6)进行外表面机加、内表面镗孔、锯切等工序，得到外径200～360mm、内径180～320mm、长度为1000～3000mm、壁厚10～30mm的所需大口径高性能钛合金管材。
本发明还公开了采用大口径高性能钛合金管材的制备方法制备得到的大口径高性能钛合金管材。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的大口径高性能钛合金管材的制备方法，对钛合金铸锭进行开坯锻造、精锻、表面机加、穿孔斜轧、精锻、成品机加，制备得到大口径高性能钛合金管材成品，提高了材料的利用率，避免了浪费，而且精锻后通过机加工方式获得的管材，组织均匀，壁厚均匀，直线度高，适用于制备直径大于200mm的大口径钛合金无缝管材。本发明得到的大口径高性能钛合金管材具有管材壁厚可调、尺寸精度高、组织均匀性高等特点。
实施例1
一种大口径高性能钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用真空自耗电弧炉对Ti6Al4V钛合金材料进行熔炼，得到钛合金铸锭，熔炼次数为3次；
(2)采用快锻机在相变点温度以上50～80℃对步骤(1)所得钛合金铸锭进行5-6火次镦拔，得到粗锻棒坯，其中，相变点温度为1020℃，单火次镦拔变形量控制在25～45％之间，终锻温度控制在950±10℃；
(3)采用精锻机在相变点温度以下50～80℃对步骤(2)所得粗锻棒坯进行3道次精锻，得到直径180mm以上的钛合金锻棒，单道次精锻变形量控制在15～30％；
(4)对步骤(3)所得钛合金锻棒进行表面机加、锯切、预制定心孔，在表面涂覆抗氧化涂层，在电阻炉内加热至相变点温度以上50～100℃，加热保温5-10h，采用大口径无缝钢管制备用的穿孔设备进行穿孔斜轧，制备得到直径200～400mm、壁厚20～40mm的粗品管坯；
(5)将步骤(4)所得粗品管坯套上芯棒，芯棒和粗品管坯之间的间隙为5～10mm，随后采用精锻机对粗品管坯进行再锻造，再脱除芯棒，得到成品管坯，锻造温度为相变点温度以下50～80℃，锻造变形量控制在15～30％；
(6)进行外表面机加、内表面镗孔、锯切等工序，得到外径200～360mm、内径180～320mm、长度为1000～3000mm、壁厚10～30mm的所需大口径高性能钛合金管材，其金相图如图1所示，组织均匀，无流线组织和粗大魏氏体组织。
本实施例1所得大口径高性能钛合金管材的拉伸性能如下：
抗拉强度Rm 963MPa，Rp0.2 867MPa，断后伸长率A 13％，断面收缩率Z 33％，满足GB/T 2965-2007标准要求。
本发明未具体描述的部分采用现有技术即可，在此不做赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种大口径高性能钛合金管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用真空自耗电弧炉对钛合金材料进行若干次熔炼，得到钛合金铸锭；
(2)采用快锻机对步骤(1)所得钛合金铸锭进行多火次镦拔，得到粗锻棒坯；
(3)采用精锻机对步骤(2)所得粗锻棒坯进行多道次精锻，得到钛合金锻棒；
(4)对步骤(3)所得钛合金锻棒进行表面机加、锯切，预制定心孔，在表面涂覆抗氧化涂层，放置于电阻炉内进行加热处理，随后穿孔斜轧，制备得到粗品管坯；
(5)将步骤(4)所得粗品管坯套上芯棒，随后采用精锻机对粗品管坯进行再锻造，再脱除芯棒，得到成品管坯；
(6)进行包括外表面机加、内表面镗孔、锯切在内的工序，得到外径200～360mm、内径180～320mm、长度为1000～3000mm、壁厚10～30mm的所需大口径高性能钛合金管材；
步骤(2)中，采用快锻机在相变点温度以上50～80℃对步骤(1)所得钛合金铸锭进行多火次镦拔，得到粗锻棒坯，单火次镦拔变形量控制在25～45％之间；
步骤(3)中，采用精锻机在相变点温度以下50～80℃对步骤(2)所得粗锻棒坯进行多道次精锻造，得到直径180mm以上的钛合金锻棒，单道次精锻变形量控制在15～30％；
步骤(4)中，对步骤(3)所得钛合金锻棒进行表面机加、锯切，预制定心孔，在表面涂覆抗氧化涂层，在电阻炉内加热至相变点以上50～100℃，加热保温5-10h，随后穿孔斜轧，制备得到直径200～400mm、壁厚20～40mm的粗品管坯；
步骤(5)中，所述芯棒与粗品管坯之间的间隙为5～10mm；
步骤(5)中，采用精锻机对粗品管坯进行再锻造时的锻造温度为相变点温度以下50～80℃，锻造变形量控制在15～30％。
2.根据权利要求1所述的一种大口径高性能钛合金管材的制备方法，其特征在于，采用大口径无缝钢管制备用的穿孔设备对钛合金锻棒穿孔斜轧。
3.一种采用权利要求1或2所述的一种大口径高性能钛合金管材的制备方法制备得到的大口径高性能钛合金管材。
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