CN114433654A - 一种短流程、低成本tc4无缝管材的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法，包括（1）铸锭制备、（2）棒坯制备、（3）管坯制备、（4）管坯热轧、（5）成品管材热处理与矫直步骤，本发明采用粉末压制成型、然后熔炼制备铸锭，工艺流程简单、且熔炼后形成的棒坯内部各成分均匀一致，对熔炼后的棒坯简单机加工后采用斜轧一次性穿孔，然后热轧形成成品，本工艺制备出的TC4合金管材流程短、成本低，而且具有表面质量好、尺寸精度高与强塑性优良，能够满足其高端领域的应用。

Description

一种短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金管材技术领域，尤其涉及一种短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法。

背景技术

TC4合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好，广泛用于航空航天、石油化工 、海洋、体育、医药以及军工等各个领域，其产品系列几乎覆盖了所有的钛合金应用领域，但唯独在无缝管材方面发展比较滞后。因TC4合金变形抗力大、加工硬化严重、易开裂，因此其无缝管材的加工难度很大。目前国内外市场上多以棒钻孔、冷轧、热挤压或斜轧穿孔等方法制备无缝管为主，热挤压法或棒钻孔方式制备管材的组织和性能可满足标准要求，但往往因机加损耗较大而导致成材率很低，冷轧过程因强度大、塑性低而极易导致管材开裂，而斜轧穿孔管坯或后续制备出的管材成材率高，但其组织多为网篮组织或魏氏组织，无法满足标准或客户所需要的等轴组织。

TC4（Ti-6Al-4V)合金是一种α+β钛合金，该合金具有良好的耐热、耐腐蚀性和比强度高，广泛应用于航空、舰船、医疗等领域。TC4无缝管材的加工采用普通设备和工艺不易加工，且常有成材率低、流程长、尺寸精度差以及量产化难等问题。

中国专利 CN 111531177 A公开一种短流程、低成本TC4钛合金管材制备工艺，该发明通过粉末冶金方法制备管坯及径向锻造制造制得TC4钛合金管材，它去除了原常规制备工艺的熔炼、棒材锻造生产流程以及这些工序带来的不可避免的环境污染，可快捷高效生产大规格管材。上述发明仅制备φ110～220×(20～30)mm范围的大规格管材，且与本次撰写发明采取的斜轧穿孔+热轧加工工艺不同；另外本发明采用粉末冶金混合烧结方法制得棒坯，因粉末冶金法受模具限制，通常制备坯料的规格比较单一，粉末冶金混合后直接烧结存在棒坯内成分均匀性较差。

中国专利 CN 112718910 A 公开了一种大口径TC4钛合金厚壁管材的制造方法，该发明采用铸锭+多火次锻造+模锻制成棒坯，然后机加成光棒，光棒通过电炉加热进行一、二两次穿孔，余温经定径机定减径得到TC4轧制管坯，再经内外表面处理去除表面吸气层和表面缺陷，最后经热轧得到成品管材，管材经除油和再结晶退火余温调直，制备出大口径TC4管材成材率高、力学性能优异、表面质量好。与本次撰写的发明相比，该发明流程长、工序繁多，并只针对大口径管材。

中国专利 CN 105396895 A公开了一种钛及钛合金无缝油管的热轧加工方法，坯料采用纯钛TA2和TC4棒材且初始规格为φ150×1200mm，轧制流程为：涂料→加热→斜轧穿孔→压头→热轧→松棒及脱棒→涂防氧化润滑涂料→二次加热→张减径→探伤→切头→热处理→矫直→检验→包装共15工序。该发明工序冗长，通过涂防氧化润滑涂料，减少了管材的氧化作用，较好地解决了热加工中表面微裂纹难题。与本次撰写的发明相比，该发明需要的棒坯和穿孔管坯的规格单一，使用的是真空加热炉且需要涂防氧化涂料，生产成本较高，制备出的成品管材强度较低、组织形态未提及。

发明内容

有必要提出一种短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法，包括以下步骤：

（1）铸锭制备

采用海绵钛和铝钒合金按照以下质量配比配料：6.0%≤Al≤6.75%，4.0%≤V≤4.5%，C≤0.08%，N≤0.05%，H≤0.015%，0.13%≤O≤0.20%，0.15%≤Fe≤0.30%，余量为Ti，配料后压制形成电极块，电极块进行组合焊接制备一次电极，然后进行不少于两次的真空自耗电弧熔炼制备出φ400～φ700mm铸锭；

（2）棒坯制备

通过锻造形成φ70～φ120mm的棒坯，然后机加工形成长度控制在600～1200mm的棒坯；

（3）管坯制备:采用斜轧穿孔机生产

TC4光棒预先涂防氧化润滑涂料，依次经过中频炉加热和电阻炉加热，加热后将棒坯使用两辊斜轧穿孔机坯，穿孔管坯规格为φ70～φ120×（10-30）mm；

（4）管坯热轧：斜轧穿孔出来的管坯在热轧机上进行余温热轧，轧制成品规格为φ30（±0.3）～φ80（±0.3）×（5-15）（±0.3）mm；

（5）成品管材热处理与矫直：采用电阻炉进行退火并进行余温矫直。

利用本发明方法制备的TC4无缝管材的性能为：

室温力学性能:抗拉强度Rm≥950MPa，屈服强度Rp0.2≥870MPa,断后伸长率≥10%。

本发明中，该发明解决TC4斜轧穿孔管的非等轴化组织，通过斜轧穿孔管坯与热轧结合达到TC4合金管材强度与塑性良好匹配，魏氏组织向等轴组织或以等轴组织为主的方向转变，实现TC4合金无缝管材的高端领域应用。

本发明采用粉末压制成型、然后熔炼制备铸锭，工艺流程简单、且熔炼后形成的棒坯内部各成分均匀一致，对熔炼后的棒坯简单机加工后采用斜轧一次性穿孔，然后热轧形成成品，本工艺制备出的TC4合金管材流程短、成本低，而且具有表面质量好、尺寸精度高与强塑性优良，能够满足其高端领域的应用。

附图说明

图1为采用本发明方法制备的管材的金相组织图，图中为组织结构为等轴组织。

具体实施方式

实施实例1：TC4钛合金φ30×3 mm管材

（1）铸锭制备

海绵钛和铝钒合金按照以下配比：Al：6.0%；V：4%；C：0.06%；N：0.02%；H：0.001；O：0.13%；Fe：0.16%；压制电极块，电极块组合焊接一次电极，然后进行2次真空自耗电弧炉熔炼出φ400mm。

（2）棒坯制备

通过5个火次的锻造，选择不同锻造温度和变形量，锻造成φ75mm的棒坯，然后机加扒皮控制单边机加量为2mm，探伤级别达到A级，组织均匀；经锯切、平头后长度控制在600～1200mm。

（3）管坯制备:采用斜轧穿孔机生产。

加热前，TC4光棒预先涂防氧化润滑涂料，首先使用中频炉加热，加热温度控制在850℃，节拍控制在2min/支；然后转入电阻炉加热，加热温度控制在1100℃，保温时间为20min；棒坯从电阻炉出炉后使用两辊斜轧穿孔机坯，穿孔管坯规格为φ75×10mm；穿孔参数为：辊缝15mm,顶头φ55mm，顶头前伸量45mm。

（4）管坯热轧：斜轧穿孔出来的管坯在热轧机上进行余温热轧。

采用两辊热轧管机轧制2次，中间道次加工率控制在59%，送进量3mm，中间品轧制温度控制在900℃；成品轧制道次加工率控制在49%，送进量2mm，中间品轧制温度控制在850℃；轧制前芯棒涂抹防氧化润滑涂料，轧制成品规格为φ32±0.3×5±0.3mm。

（5）成品管材热处理与矫直：采用电阻炉进行退火并进行余温矫直，退火温度为750℃，保温时间为60min，空冷；直度≤3mm/m。

（6）成品机加处理：对成品进行单边镗孔量1.0mm，外径机加量单边1.0mm，表面粗糙度≤0.25μm，成品规格为φ30±0.3×3±0.3mm。

（7）成品管材性能检测

室温力学性能:抗拉强度Rm：1001MPa，屈服强度Rp0.2：925MPa,断后伸长率14%。

金相组织：等轴组织。

实施实例2：TC4钛合金φ76×8 mm管材

（1）铸锭制备

海绵钛和铝钒合金按照以下配比：Al：6.3%；V：4.2%；C：0.06%；N：0.02%；H：0.001；O：0.16%；Fe：0.20%；压制电极块，电极块组合焊接一次电极，然后进行2次真空自耗电弧炉熔炼出φ600mm。

（2）棒坯制备

通过7个火次的锻造，选择不同锻造温度和变形量，锻造成φ100mm的棒坯，然后机加扒皮控制单边机加量为3.5mm，探伤级别达到A级，组织均匀；经锯切、平头后长度控制在600～1200mm。

（3）管坯制备:采用斜轧穿孔机生产。

加热前，TC4光棒预先涂防氧化润滑涂料，首先使用中频炉加热，加热温度控制在920℃，节拍控制在2.5min/支；然后转入电阻炉加热，加热温度控制在1040℃，保温时间为30min；棒坯从电阻炉出炉后使用两辊斜轧穿孔机坯，穿孔管坯规格为φ100×20mm；穿孔参数为：辊缝20.4mm,顶头φ60mm，顶头前伸量50mm。

（4）管坯热轧：斜轧穿孔出来的管坯在热轧机上进行余温热轧。

采用两辊热轧管机轧制1次，道次加工率控制在57%，送进量3mm，轧制温度控制在830℃；轧制前芯棒涂抹防氧化润滑涂料，轧制成品规格为78.4±0.3×11±0.3mm。

（5）成品管材热处理与矫直：采用电阻炉进行退火并进行余温矫直，退火温度为750℃，保温时间为90min，空冷；直度≤3mm/m。

（6）成品机加处理：对成品进行单边镗孔量0.8mm，外径机加量单边1.2mm，表面粗糙度≤0.25μm，成品规格为φ76±0.3×10±0.3mm。

（7）成品管材性能检测

室温力学性能:抗拉强度Rm：984MPa，屈服强度Rp0.2：914MPa,断后伸长率14.5%。

金相组织：等轴组织。

实施实例3：TC4钛合金φ50×7.5 mm管材

（1）铸锭制备

海绵钛和铝钒合金按照以下配比：Al：6.6%；V：4.4%；C：0.06%；N：0.02%；H：0.001；O：0.20%；Fe：0.28%；压制电极块，电极块组合焊接一次电极，然后进行3次真空自耗电弧炉熔炼出φ700mm。

（2）棒坯制备

通过10个火次的锻造，选择不同锻造温度和变形量，锻造成φ120mm的棒坯，然后机加扒皮控制单边机加量为4mm，探伤级别达到A1级，组织均匀；经锯切、平头后长度控制在600～1200mm。

（3）管坯制备:采用斜轧穿孔机生产。

加热前，TC4光棒预先涂防氧化润滑涂料，首先使用中频炉加热，加热温度控制在900℃，节拍控制在3min/支；然后转入电阻炉加热，加热温度控制在1060℃，保温时间为40min；棒坯从电阻炉出炉后使用两辊斜轧穿孔机坯，穿孔管坯规格为φ120×30mm；穿孔参数为：辊缝23mm,顶头φ60mm，顶头前伸量52mm。

（4）管坯热轧：斜轧穿孔出来的管坯在热轧机上进行余温热轧。

采用两辊热轧管机轧制3次，中间道次加工率控制在47～48%，送进量6mm，中间品轧制温度控制在950℃；成品轧制道次加工率控制在42%，送进量4mm，中间品轧制温度控制在850℃；轧制前芯棒涂抹防氧化润滑涂料，轧制成品规格为φ53±0.3×10±0.3mm。

（5）成品管材热处理与矫直：采用电阻炉进行退火并进行余温矫直，退火温度为750℃，保温时间为120min，空冷；直度≤3mm/m。

（6）成品机加处理：对成品进行单边镗孔量1.0mm，外径机加量单边1.5mm，表面粗糙度≤0.25μm，成品规格为φ50±0.3×7.5±0.3mm。

（7）成品管材性能检测

室温力学性能:抗拉强度Rm：1105MPa，屈服强度Rp0.2：992MPa,断后伸长率13.5%。

金相组织：等轴组织。

以上三个实施例的检测力学性能比对如下表

		抗拉强度Rm（MP）	屈服强度Rp0.2（MP）	断后伸长率
					实施例1	φ30×3 mm	1101	925	>=10%
实施例2	φ76×8 mm	984	914	>=10%
					实施例3	φ50×7.5 mm	1105	992	>=10%

本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上所揭露的仅为本专利文件较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）铸锭制备

采用海绵钛和铝钒合金按照以下质量配比配料：6.0%≤Al≤6.75%，4.0%≤V≤4.5%，C≤0.08%，N≤0.05%，H≤0.015%，0.13%≤O≤0.20%，0.15%≤Fe≤0.30%，余量为Ti，配料后压制形成电极块，电极块进行组合焊接制备一次电极，然后进行不少于两次的真空自耗电弧熔炼制备出φ400～φ700mm铸锭；

（2）棒坯制备

通过锻造形成φ70～φ120mm的棒坯，然后机加形成长度控制在600～1200mm的棒坯；

（3）管坯制备:采用斜轧穿孔机生产

TC4光棒预先涂防氧化润滑涂料，依次经过中频炉加热和电阻炉加热，加热后将棒坯使用两辊斜轧穿孔机坯，穿孔管坯规格为φ70～φ120×（10-30）mm；

（4）管坯热轧：斜轧穿孔出来的管坯在热轧机上进行余温热轧，轧制成品规格为φ30（±0.3）～φ80（±0.3）×（5-15）（±0.3）mm；

（5）成品管材热处理与矫直：采用电阻炉进行退火并进行余温矫直。

2.如权利要求1所述的短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法，其特征在于管坯制备步骤中：首先使用中频炉加热，加热温度控制在850～1000℃，节拍控制在2～5min/支；然后转入电阻炉加热，加热温度控制在1000～1100℃，保温时间为20～40min。

3.如权利要求2所述的短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法，其特征在于管坯制备步骤中：穿孔参数为：辊缝15～25mm,顶头φ50～φ100mm，顶头前伸量45-55mm。

4.如权利要求3所述的短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法，其特征在于管坯热轧步骤中：采用两辊热轧管机轧制1～3次，中间品道次加工率控制在45%～60%，送进量3～6mm，中间品轧制温度控制在850～950℃；成品轧制道次加工率控制在30%～50%，送进量2～4mm，成品轧制温度控制在800～850℃；轧制前芯棒涂抹防氧化润滑涂料。

5.如权利要求4所述的短流程、低成本TC4无缝管材的制备方法，其特征在于成品管材热处理与矫直步骤中：退火温度为700～750℃，保温时间为60～120min，空冷或采用双重退火；直度≤3mm/m。

6.利用本发明方法制备的TC4无缝管材的性能为：

室温力学性能:抗拉强度Rm≥950MPa，屈服强度Rp0.2≥870MPa,断后伸长率≥10%。

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