CN114101372B - 一种高强tc18钛合金无缝管材高效低成本制备方法 - Google Patents

一种高强tc18钛合金无缝管材高效低成本制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法，该方法包括：一、按照TC18钛合金的名义成分配料后经EB炉一次熔炼得到钛合金圆锭；二、将TC18钛合金圆锭加热后采用斜轧穿孔机进行斜轧穿孔，然后冷却并转入热连轧机中进行定壁厚轧制，经在线电补热后进入张力减径机中进行定径轧制，得到TC18钛合金无缝管材；三、将TC18钛合金无缝管材进行热处理，得到高强TC18钛合金无缝管材。本发明采用EB炉一次熔炼得到的TC18钛合金圆锭为原料，实现了从TC18钛合金圆锭到无缝管材的一次连续成形，有效缩短制备流程，提高制备效率，并保证了高强TC18钛合金无缝管材的高强性能，以及内外表面质量和尺寸精度。

Description

一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法
技术领域
本发明属于钛合金无缝管加工技术领域，具体涉及一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法。
背景技术
钛管相对传统钢管、不锈钢管、铜合金管等具有耐腐蚀性好、比强度高、加工性能好的优点，且合金种类多，可满足各个领域的使用要求，因此，钛管是钛产品中应用广泛，不可或缺的钛产品之一。虽然与钢管相比产量很小，但其发展潜力巨大，随着航空航天、兵器、石油、海洋工程的发展，替代钢管成为主力材料是必然趋势。
目前，钛管主要分为焊接管和无缝管两大类，钛合金焊接管是由钛带、板直接卷焊成型，具有成本低的优点，但由于焊缝的存在，导致钛管性能不均匀，限制了其使用条件。
低强、低合金化钛合金无缝管制造技术已经成熟，多采用斜轧穿孔、钻孔挤压制备管坯，经多道次冷轧管材成型，无缝钛合金管材性能稳定，质量优异，成本较高，多应用于要求较高的军工、化工领域。
中、高强钛合金无缝管材制造技术主要有钻孔挤压、去芯+锻造和斜轧穿孔+热轧等方法。钻孔挤压和去芯+锻造两种工艺虽然能够制备出高强度钛合金管材，但由于需要预先对棒坯去芯制孔，再通过热挤压或锻造成型，导致材料损耗大，生产周期长，生产效率低，成本较高。如专利文献CN111593230A提供了一种930MPa级超高强度钛合金钻杆用管材及其制造方法，其利用锭坯挤压和轧制形成管材。专利文献CN103894441A提高了一种TC4钛合金厚壁管材的加工方法，即为采用TC4钛合金管坯作为原料进行精锻来实现，原始管坯未介绍其加工方法，但其成形必定导致材料损耗大，生产过程不连续，导致生产效率较低而成本高。
斜轧穿孔+热轧工艺是将钛棒坯加热后经过斜轧穿孔、热轧、定径轧及热矫直得到管材的工艺，其生产效率较高，材料损耗小，如专利文献CN105921544A提供了牌号为TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8、TA8-1、TA9、TA9-1、TA10、TA13、TA15、TA18、TC1、TC2、TC3、TC4、TC10的钛合金无缝管生产工艺及生产系统，仅针对低强、中强钛合金管材制备采用此方法，对于高强钛合金需要针对合金加工特性设置更精确的加工温度区间以保证获得适宜的组织及性能。同样，专利文献CN 105396895A提供了纯钛TA2及TC4钛合金无缝管的加工方法，未见其对高强钛合金进行报道，且其在热轧及张减径轧中间添加了真空加热炉二次加热过程，生产不连续。对于专利公开文献CN110303067A提供的一种高强韧钛合金油井管及其制备方法中所述的合金与常规钛合金TC4类似，[Mo]当量为3.4，都属中强中合金化钛合金，其变形抗力较小、加工温度区间较宽，变形较容易，可采用专利中所述的工艺方法进行管材的制备。众所周知，[Mo]当量的高低直接影响钛合金的加工变形难易程度，因此，对于高[Mo]当量的高强高合金化的钛合金采用能否采用此工艺来制备高强钛合金管材需持续探索。其次，专利中所述的管材采用常规的斜轧穿孔、热轧、定径轧及热矫直的不连续生产工艺，需多次进行冷却和再加热，后续还采用热矫直工艺得到成品管材，增加设备能耗，生产周期较长，生产效率较低。
因此，对于高强度钛合金管材，需要开发一种直接从铸锭到管材的高效短流程低成本的钛合金无缝管材加工工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法。该方法采用EB炉一次熔炼得到的TC18钛合金圆锭为原料，然后经斜轧穿孔、定壁厚轧制、定径轧制和热处理，实现了从TC18钛合金圆锭到无缝管材的一次连续成形，有效缩短制备流程，提高制备效率，降低了材料及能源损耗，并保证了高强TC18钛合金无缝管材的高强性能，以及内外表面质量和尺寸精度。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、按照TC18钛合金的名义成分进行配料，然后通过EB炉一次熔炼得到钛合金圆锭；所述钛合金圆锭的直径为160mm～320mm，长度为3200mm；
步骤二、将步骤一中得到的TC18钛合金圆锭加热后采用斜轧穿孔机进行斜轧穿孔，然后冷却并转入热连轧机中进行定壁厚轧制，经在线电补热后进入张力减径机中进行定径轧制，得到TC18钛合金无缝管材；所述TC18钛合金无缝管材的外径为60mm～180mm，壁厚为9mm～20mm，长度为24000mm～38000mm；
步骤三、将步骤二中得到的TC18钛合金无缝管材进行热处理，得到高强TC18钛合金无缝管材；所述高强TC18钛合金无缝管材的室温力学性能满足：抗拉强度Rm≥1100MPa，屈服强度Rp0.2≥1000MPa，断后伸长率A≥12％。
本发明采用EB炉(电子束冷床炉)一次熔炼得到的TC18钛合金圆锭为原料，依次经斜轧穿孔、定壁厚轧制、定径轧制和热处理，得到高强TC18钛合金无缝管材。首先，相较于传统VAR熔炼制备的铸锭中存在大尺度柱状晶导致加工性能受限的情况，本发明采用EB炉熔炼，该熔炼过程中熔融的金属溶液缓慢流入结晶器，凝固速度快，原始晶粒细小，同时深入研究了TC18钛合金中典型合金元素在熔炼过程中的挥发和烧损规律，并以此为基础，合理控制TC18钛合金元素配比和熔炼工艺参数，得到了成分均匀的高强TC18钛合金铸锭，且EB炉熔炼精炼除杂效果优异，铸锭中杂质元素少而纯净度高，铸锭显示出较好的塑性，有效保证了铸锭在后续斜轧穿孔、加热连续定壁厚轧制、定径轧制过程中处于特定温度区间内承受复杂大变形而不开裂，从而实现TC18钛合金无缝管材的顺利制备。其次，相对于传统VAR熔炼为了保证铸锭的成分均匀性需要进行二次或三次熔炼，且为了满足后续装炉要求限制坩埚的长度，难以制备超长高强钛合金无缝管材的问题，由于EB炉熔炼采取拉锭凝固方式成形，实现了EB炉熔炼的一次铸锭规格长度达到3200mm，结合配制圆柱形坩埚，最终制备的高强TC18钛合金无缝管材的长度达24000mm～38000mm，满足了超长高强钛合金无缝管材的使用条件。综上，本发明采用EB炉一次熔炼得到的TC18钛合金圆锭为原料，有效缩短了制备流程，提高了制备效率，通常为传统VAR熔炼的2～3倍。
相对于传统的制备工艺，本发明以TC18钛合金圆锭为原料，依次进行斜轧穿孔、定壁厚轧制、定径轧制和热处理的工艺的过程均可采用自动化流水线实现连续生产，实现了短时间内(通常数分钟)从TC18钛合金圆锭到无缝管材的一次连续成形，最大程度地简化了从铸锭到管材的生产流程，提高了制备效率，降低了材料及能源损耗，同时保证了高强TC18钛合金无缝管材的高强性能，以及内外表面质量和尺寸精度。
上述的一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法，其特征在于，步骤二中所述加热的温度为(Tβ+120℃)～(Tβ+180℃)，所述斜轧穿孔后形成的管坯在翻料机中通过风冷控温冷却至(Tβ-20℃)～(Tβ+20℃)时即转入热连轧机，所述在线电补热加热通道的温度为(Tβ-10℃)～(Tβ+10℃)，其中，Tβ为TC18铸锭的相变点温度，单位为℃。本发明的TC18钛合金属于近β型高强高韧钛合金，其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，[Mo]当量为12.6，属高合金化钛合金，其变形过程中的抗力较一般合金大，且变形温度区间窄，变形极易出现不均匀组织，因此，首先，本发明在铸锭斜轧穿孔前进行加热，通过控制加热的温度为(Tβ+120℃)～(Tβ+180℃)，避免了斜轧穿孔过程中铸锭温度过高导致塑性过大、产生堆料的现象，同时避免了铸锭温度过低导致强度过高而出现“憋辊”现象，有效保证了斜轧穿孔过程的顺利进行；其次，本发明将斜轧穿孔后形成的管坯控温冷却至(Tβ-20℃)～(Tβ+20℃)时即转入热连轧机进行定壁厚轧制，保证了管坯在定壁厚轧制过程中获得适宜的变形而不开裂，然后经在线电补热至(Tβ-10℃)～(Tβ+10℃)进入张力减径机中进行定径轧制，通过控制轧制过程中的温度均处于TC18钛合金铸锭的β相变点以下附近温度区间，在实现了大变形的同时保证了TC18钛合金无缝管材的组织形态，实现了产品的高强性能。
上述的一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的具体过程为：加热至(Tβ-150℃)～(Tβ-170℃)保温，然后空冷。本发明通过控制斜轧穿孔、定壁厚轧制、定径轧制的工艺过程，有效保证了TC18钛合金无缝管材的组织形态，从而仅需上述简单的热处理退火工艺即可得到综合性能优异的高强TC18钛合金无缝管材，且热处理退火后期组织呈现网篮组织状态，满足了GJB2218A-2018《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》中对于性能指标的要求。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用EB炉一次熔炼得到的TC18钛合金圆锭为原料，保证了TC18钛合金圆锭的成分均匀性及塑性，然后经斜轧穿孔、定壁厚轧制、定径轧制和热处理，实现了从TC18钛合金圆锭到无缝管材的一次连续成形，有效缩短制备流程，提高制备效率，降低了材料及能源损耗，并保证了高强TC18钛合金无缝管材的高强性能，以及内外表面质量和尺寸精度。
2、本发明通过控制斜轧穿孔的加热温度，保证了斜轧穿孔过程的顺利进行，结合控制冷却进行定壁厚轧制的温度和补热进行定径轧制的温度，在实现了大变形的同时保证了TC18钛合金无缝管材的组织形态，实现了产品的高强性能。
3、本发明通过冷却和在线电补热，有利于实现斜轧穿孔、定壁厚轧制、定径轧制的连续进行，实现了短时间内从TC18钛合金圆锭到无缝管材的一次连续成形，最简化了从铸锭到管材的生产流程，进一步提高了制备效率，降低了材料及能源损耗。
4、本发明采用EB炉一次熔炼得到的TC18钛合金圆锭为原料，突破了传统VAR熔炼对铸锭尺寸的限制，实现了EB炉熔炼的一次铸锭规格长度达到3200mm，最终制备的高强TC18钛合金无缝管材的长度达24000mm～38000mm，满足了超长高强钛合金无缝管材的使用条件。
5、相较于传统的TC18管材需进行复杂的固溶时效处理，本发明仅需简单的热处理退火工艺即可得到综合性能优异的高强TC18钛合金无缝管材，其室温力学性能抗拉强度Rm≥1100MPa，屈服强度Rp0.2≥1000MPa，断后伸长率A≥12％，满足了GJB2218A-2018《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》中对于性能指标的要求。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、按照TC18钛合金的名义成分进行配料，然后通过EB炉一次熔炼，并机加成光锭，得到TC18钛合金圆锭，具体过程为：
步骤101、将Ti-Fe中间合金、Al-Mo中间合金、Al-V中间合金、金属铬、铝豆和零级海绵钛混合压制成电极块，然后将电极块放入EB冷床炉内进行一次熔炼并配置直径为160mm的圆形结晶器，得到圆柱形TC18钛合金铸锭；所述TC18钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al5.05％～5.37％，Mo 4.25％～4.70％，V 4.37％～4.92％，Cr 0.96％～1.01％，Fe0.95％～0.99％，余量为Ti及不可避免的杂质，且不可避免的杂质中N≤0.004％，H≤0.0030％，O≤0.045％；
步骤102、将步骤101中得到的圆柱形TC18钛合金铸锭经表面扒皮和切冒口后加工定心孔，机加成光锭，得到TC18钛合金圆锭；所述TC18钛合金圆锭的尺寸为155mm×3200mm(直径×长度)；
步骤二、将步骤102中得到的TC18钛合金圆锭表面涂覆抗氧化涂层，晾干后置于温度为992℃的电阻炉内保温116min，然后采用斜轧穿孔机进行斜轧穿孔制得尺寸为160mm×26mm(直径×壁厚)的管坯，将管坯采用翻料机进行转送，并在转送过程中使用风冷控温冷却并实时测温，当管坯温度为852℃时转入三辊热连轧机中进行定壁厚轧制，定壁厚轧制的总变形量为65％，得到尺寸为122mm×11mm(直径×壁厚)的轧制管坯，轧制管坯连续不停止地通过温度为862℃的在线电补热加热通道进行补热，再进入三辊张力减径机中进行24道次的定径轧制，定径轧制的总变形量为57％，得到尺寸为65mm×9.5mm×38840mm(直径×壁厚×长度)的钛合金无缝管材；所述Tβ即TC18铸锭的相变点温度为872℃；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金无缝管材加热至700℃保温1h，然后空冷，经机加去除表面氧化层和吸气层，得到尺寸为60mm×9mm(直径×壁厚)的高强TC18钛合金无缝管材。
经检测，本实施例制备的高强TC18钛合金无缝管材的室温力学性能满足：抗拉强度Rm＝1112MPa～1157MPa，屈服强度Rp0.2＝1043MPa～1096MPa，断后伸长率A＝12.5％～16.0％，说明本实施例的制备方法不仅实现了钛锭直接制备无缝管材的短流程低成本生产，且制备的TC18钛合金无缝管材具有优异的综合力学性能。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、按照TC18钛合金的名义成分进行配料，然后通过EB炉一次熔炼，并机加成光锭，得到TC18钛合金圆锭，具体过程为：
步骤101、将Ti-Fe中间合金、Al-Mo中间合金、Al-V中间合金、金属铬、铝豆和零级海绵钛混合压制成电极块，然后将电极块放入EB冷床炉内进行一次熔炼并配置直径为220mm的圆形结晶器，得到圆柱形TC18钛合金铸锭；所述TC18钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al4.93％～5.35％，Mo 4.61％～4.89％，V 4.72％～4.96％，Cr 0.89％～1.05％，Fe0.93％～1.02％，余量为Ti及不可避免的杂质，且不可避免的杂质中N≤0.008％，H≤0.0014％，O≤0.088％；
步骤102、将步骤101中得到的圆柱形TC18钛合金铸锭经表面扒皮和切冒口后加工定心孔，机加成光锭，得到TC18钛合金圆锭；所述TC18钛合金圆锭的尺寸为210mm×3200mm(直径×长度)；
步骤二、将步骤102中得到的TC18钛合金圆锭表面涂覆抗氧化涂层，晾干后置于温度为1000℃的电阻炉内保温150min，然后采用斜轧穿孔机进行斜轧穿孔制得尺寸为220mm×28mm(直径×壁厚)的管坯，将管坯采用翻料机进行转送，并在转送过程中使用风冷控温冷却并实时测温，当管坯温度为850℃时转入三辊热连轧机中进行定壁厚轧制，定壁厚轧制的总变形量为52％，得到尺寸为180mm×16mm(直径×壁厚)的轧制管坯，轧制管坯连续不停止地通过温度为850℃的在线电补热加热通道进行补热，再进入三辊张力减径机中进行24道次的定径轧制，定径轧制的总变形量为49％，得到尺寸为108mm×14.5mm×28850mm(直径×壁厚×长度)的钛合金无缝管材；所述Tβ即TC18铸锭的相变点温度为851℃；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金无缝管材加热至700℃保温1h，然后空冷，经机加去除表面氧化层和吸气层，得到尺寸为100mm×14mm(直径×壁厚)的高强TC18钛合金无缝管材。
经检测，本实施例制备的高强TC18钛合金无缝管材的室温力学性能满足：抗拉强度Rm＝1104MPa～1131MPa，屈服强度Rp0.2＝1043MPa～1069MPa，断后伸长率A＝12.0％～16.0％，说明本实施例的制备方法不仅实现了钛锭直接制备无缝管材的短流程低成本生产，且制备的TC18钛合金无缝管材具有优异的综合力学性能。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、按照TC18钛合金的名义成分进行配料，然后通过EB炉一次熔炼，并机加成光锭，得到TC18钛合金圆锭，具体过程为：
步骤101、将Ti-Fe中间合金、Al-Mo中间合金、Al-V中间合金、金属铬、铝豆和零级海绵钛混合压制成电极块，然后将电极块放入EB冷床炉内进行一次熔炼并配置直径为320mm的圆形结晶器，得到圆柱形TC18钛合金铸锭；所述TC18钛合金铸锭由以下质量百分数的成分组成：Al 5.15％～5.60％，Mo 4.55％～4.65％，V 4.83％～4.96％，Cr 0.92％～1.00％，Fe 0.95％～1.06％，余量为Ti及不可避免的杂质，且不可避免的杂质中N≤0.006％，H≤0.0011％，O≤0.059％；
步骤102、将步骤101中得到的圆柱形TC18钛合金铸锭经表面扒皮和切冒口后加工定心孔，机加成光锭，得到TC18钛合金圆锭；所述TC18钛合金圆锭的尺寸为310mm×3200mm(直径×长度)；
步骤二、将步骤102中得到的TC18钛合金圆锭表面涂覆抗氧化涂层，晾干后置于温度为1045℃的电阻炉内保温250min，然后采用斜轧穿孔机进行斜轧穿孔制得尺寸为320mm×40mm(直径×壁厚)的管坯，将管坯采用翻料机进行转送，并在转送过程中使用风冷控温冷却并实时测温，当管坯温度为885℃时转入三辊热连轧机中进行定壁厚轧制，定壁厚轧制的总变形量为46％，得到尺寸为280mm×24mm(直径×壁厚)的轧制管坯，轧制管坯连续不停止地通过温度为875℃的在线电补热加热通道进行补热，再进入三辊张力减径机中进行24道次的定径轧制，定径轧制的总变形量为45％，得到尺寸为183mm×21mm×24079mm(直径×壁厚×长度)的钛合金无缝管材；所述Tβ即TC18铸锭的相变点温度为865℃；
步骤三、将步骤二中得到的钛合金无缝管材加热至700℃保温1h，然后空冷，经机加去除表面氧化层和吸气层，得到尺寸为180mm×20mm(直径×壁厚)的高强TC18钛合金无缝管材。
经检测，本实施例制备的高强TC18钛合金无缝管材的室温力学性能满足：抗拉强度Rm＝1115MPa～1133MPa，屈服强度Rp0.2＝1049MPa～1066MPa，断后伸长率A＝12.0％～15.0％，说明本实施例的制备方法不仅实现了钛锭直接制备无缝管材的短流程低成本生产，且制备的TC18钛合金无缝管材具有优异的综合力学性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、按照TC18钛合金的名义成分进行配料，然后通过EB炉一次熔炼得到钛合金圆锭；所述钛合金圆锭的直径为160mm~320mm，长度为3200mm；
步骤二、将步骤一中得到的TC18钛合金圆锭加热后采用斜轧穿孔机进行斜轧穿孔，然后冷却并转入热连轧机中进行定壁厚轧制，经在线电补热后进入张力减径机中进行定径轧制，得到TC18钛合金无缝管材；所述TC18钛合金无缝管材的外径为60mm~180mm，壁厚为9mm~20mm，长度为24000mm~38000mm；所述加热的温度为（Tβ+120℃）~（Tβ+180℃），所述斜轧穿孔后形成的管坯在翻料机中通过风冷控温冷却至（Tβ-20℃）~（Tβ+20℃）时即转入热连轧机，所述在线电补热加热通道的温度为（Tβ-10℃）~（Tβ+10℃），其中，Tβ为TC18铸锭的相变点温度，单位为℃；
步骤三、将步骤二中得到的TC18钛合金无缝管材进行热处理，得到高强TC18钛合金无缝管材；所述高强TC18钛合金无缝管材的室温力学性能满足：抗拉强度Rm≥1100MPa，屈服强度Rp0.2≥1000MPa，断后伸长率A≥12%。
2.根据权利要求1所述的一种高强TC18钛合金无缝管材高效低成本制备方法，其特征在于，步骤三中所述热处理的具体过程为：加热至（Tβ-150℃）~（Tβ-170℃）保温，然后空冷。
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