CN114434102A - 双钛金属环及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双钛金属环及其制备方法。该双钛金属环的制备方法中，采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件，采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件；第一钛合金选自α型钛合金和近α钛合金中的至少一种，第二钛合金选自β型钛合金和近β钛合金中的至少一种；以第一钛合金环坯件和第二钛合金环坯件中一个为钛合金外环坯件，另一个为钛合金内环坯件，将钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件；将双钛金属环组装环件进行碾环处理，得到双钛金属环；其中，控碾环处理的温度在第二钛合金的相变点以上20℃～40℃。该双钛金属环的制备方法中，能使钛合金内环坯件和钛合金外环坯件的变形程度保持均匀一致，提高了制得的双钛金属环的质量和良品率。

Description

双钛金属环及其制备方法
技术领域
本发明涉及钛合金技术领域，特别是涉及一种双钛金属环及其制备方法。
背景技术
双金属环件是由两种不同金属构成的复合环件，环件之间通过各种变形和连接技术紧密结合，在外力作用下内外环件不会分离。和单一金属环件相比,双金属环件可以充分发挥两种金属各自的最佳性能，具有优良的物理、化学、力学等综合性能。钛合金材料具有密度小、比强度高、耐腐蚀及耐热性等特点，已成为高性能结构件的首选材料，此外，钛合金还具有独特的生物相容性、超导性能、储氢性能、形状记忆等功能，已被广泛应用于航天航空、舰船、化工等领域。
传统的高强钛合金材料因添加了较多贵金属元素，其环件制备成本高，通过将低成本钛合金与高强钛合金相组装轧制的双金属环件可有效降低成本。先分别采用不同合金成分和不同强度级别的钛合金制成内环件和外环件，然后将制成内环件和外环件进行组装、碾环；然而，具有不同合金成分和不同强度级别的两种钛材料的塑性抗力不同，在后续碾环处理的过程中，内环件和外环件的变形不协调，导致内环件和外环件的变形方向及变形程度很难保持一致，低成本钛合金向高强钛合金一侧发生变形，从而导致获得的环件不能满足设计需要。
因此，现有技术仍有待发展。
发明内容
基于此，本发明提供了一种双钛金属环及其制备方法。该双钛金属环的制备方法中，能使钛合金内环坯件和钛合金外环坯件的变形程度保持均匀一致，提高了制得的双钛金属环的质量和良品率。
本发明的技术方案如下。
本发明的一方面提供了一种双钛金属环的制备方法，包括如下步骤：
采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件，采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件；所述第一钛合金选自α型钛合金和近α钛合金中的至少一种，所述第二钛合金选自β型钛合金和近β钛合金中的至少一种；
以所述第一钛合金环坯件和所述第二钛合金环坯件中的一个为钛合金外环坯件，另一个为钛合金内环坯件，将所述钛合金外环坯件套设于所述钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件；
将所述双钛金属环组装环件进行碾环处理，得到双钛金属环；
其中，控制所述碾环处理的温度在所述第二钛合金的相变点以上20℃～40℃。
在其中一些实施例中，所述第一钛合金为近α钛合金。
在其中一些实施例中，所述第二钛合金为近β钛合金。
在其中一些实施例中，在所述碾环处理之前，还包括如下步骤：
将所述双钛金属环组装环件中的所述钛合金外环坯件和所述钛合金内环坯件的接触面进行环焊，然后进行真空封焊。
在其中一些实施例中，在所述真空封焊的步骤中，控制真空度不大于1×10-2Mpa。
在其中一些实施例中，所述第二钛合金选自TB3、TB4、TB5、TB6、TB8及TB9中的至少一种；和/或
所述第一钛合金选自TA6、TA7、TA9、TA10、TA13、TA16、TA17、TA18、TA20和TA24中的至少一种。
在其中一些实施例中，所述采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件的步骤包括如下步骤：
将所述第一钛合金铸锭依次进行锻造、冲孔、扩孔，制得第一所述钛合金环坯件。
在其中一些实施例中，所述采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件的步骤包括如下步骤：
将所述第二钛合金板坯加热，然后依次进行弯曲成型和焊接处理，制得所述第二钛合金环坯件。
在其中一些实施例中，在所述加热的步骤中，控制加热温度在所述β型钛合金板坯的相变点以下20℃～50℃。
本发明的另一方面，提供一种双钛金属环，采用如上所述的双钛金属环的制备方法制得。
上述双钛金属环的制备方法中，采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件，采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件，以第一钛合金环坯件和二钛合金环坯件中的一个为钛合金外环坯件，另一个为钛合金内环坯件，利用不同金相的钛合金的相变点不同及其塑性变形抗力随温度变化呈现出的不同规律的特点，进一步通过控制后续碾环处理的温度保持在特定的区间，使钛合金外环坯件与钛合金内环坯件在碾环处理过程中的变形程度保持均匀一致；其中，第一钛合金和第二钛合金中的一个选自α型钛合金和近α钛合金中的至少一种，另一个选自β型钛合金和近β钛合金中的至少一种；相较于α型钛合金和近α钛合金，β型钛合金和近β钛合金在室温时的强度更高，但相变点较低，且随着温度升高，β型钛合金和近β钛合金的塑性变形抗力快速降低，而α型钛合金和近α钛合金的塑性变形抗力随温度升高，其下降速度较慢，如此，在特定温度的碾环处理过程中，钛合金外环坯件和钛合金内环坯件在碾环处理过程中的变形程度保持均匀一致，钛合金外环坯件与钛合金内环坯件的界面接触质量好，制得的双钛金属环的质量好，且良品率高。
附图说明
图1为本发明实施例1中双钛金属环组装环件的剖面图；
图2为本发明实施例1中双钛金属环的剖面图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明的技术人员突破传统技术的禁锢，创造性地采用不同类型的钛合金制备双金属环件，在经过大量的实验探索后，获得本发明中能降低成本的同时提高良品率的双钛金属环的制备方法。
本发明一实施方式提供了一种双钛金属环的制备方法，包括如下步骤S10～S30。
步骤S10、采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件，采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件；第一钛合金选自α型钛合金和近α钛合金中的至少一种，第二钛合金选自β型钛合金和近β钛合金中的至少一种。
步骤S20、以第一钛合金环坯件和第二钛合金环坯件中的一个为钛合金外环坯件，另一个为钛合金内环坯件，将钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件。
步骤S30、将双钛金属环组装环件进行碾环处理，得到双钛金属环。
其中，控制上述碾环处理的温度在第二钛合金的相变点以上20℃～40℃。
上述双钛金属环的制备方法中，分别采用第一钛合金和第二钛合金制得两个钛合金环坯件，以第一钛合金环坯件和第二钛合金环坯件中的一个为钛合金外环坯件，另一个为钛合金内环坯件，将钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件，利用不同金相的钛合金的相变点不同及其塑性变形抗力随温度变化呈现出的不同规律的特点，进一步通过控制后续碾环处理的温度保持在特定的区间，使钛合金外环坯件和钛合金内环坯件在碾环处理过程中的变形程度保持均匀一致；其中，第一钛合金选自α型钛合金和近α钛合金中的至少一种，第二钛合金选自β型钛合金和近β钛合金中的至少一种；相较于α型钛合金和近α钛合金，β型钛合金和近β钛合金在室温时的强度高，但相变点较低，且随着温度升高，β型钛合金和近β钛合金的塑性变形抗力快速降低，而α型钛合金和近α钛合金的塑性变形抗力随温度升高，其下降速度较慢，如此，在特定温度的碾环处理过程中，钛合金外环坯件和钛合金内环坯件在碾环处理过程中的变形程度保持均匀一致，钛合金外环坯件与钛合金内环坯件的界面接触质量好，制得的双钛金属环的质量好，成本低，且良品率高。
需要说明的是，上述步骤S10中，采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件和采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件的步骤没有特定的先后顺序，可以任意先后进行，也可以同时进行。
上述步骤S20中，钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，即采用同心组装，指的是将钛合金外环坯件和钛合金内环坯件的中心轴保持一致进行贴合组装，获得双钛金属环组装环件。
具体地，上述步骤S20中将钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧的步骤如下：将上述钛合金外环坯件的内壁与上述钛合金内环坯件的外壁贴合。
可理解，上述钛合金外环坯件的内壁即上述钛合金外环坯件的内径对应的壁面，上述钛合金内环坯件的外壁即为上述钛合金内环坯件的外径对应的壁面；换言之，上述金属外环坯件的内径等于钛合金内环坯件的外径，如此，将上述钛合金外环坯件与上述钛合金内环坯件同心组装套设后，上述钛合金外环坯件的内壁与上述钛合金内环坯件的外壁贴合。
可理解，上述钛合金外环坯件的内径等于上述钛合金内环坯件的外径。
α型钛合金指的是使用温度下有α型单相态的钛合金。进一步地，近α钛合金，是指以α固溶体为基，在稳定状态下含2％～8％的β相，从β区急冷后含8％～15％β相的钛合金。
近α钛合金的成分中主要含有α稳定元素铝、锡、锆等和少量β稳定元素钼、钒、锰等，具有优良的高温抗蠕变能力，良好的热稳定性和焊接性能。
此处对α型钛合金和近α钛合金进行举例，包括但不限于此范围：TA6(Ti-5Al)、TA7(Ti-5Al-2.5Sn)、TA9(Ti-0.2Pa)、TA10(Ti-0.3Mo-0.8Ni)、TA13(Ti-2.5Cu)、TA16(Ti-2Al-2.5Zr)、TA17(Ti-4Al-2V)、TA18(Ti-3Al-2.5V)、TA20(Ti-4Al-3V-1.5Zr)和TA24(Ti-3Al-2Mo-Zr)中的至少一种。
在其中一些实施例中，上述第一钛合金为近α钛合金。
β型钛合金指的是使用温度下有β型单相态的钛合金。进一步地，近β钛合金，是指β稳定元素含量略高于临界浓度(快速冷却时能够将高温β相保留到室温的最低浓度)的钛合金。
此处对β钛合金和近β钛合金进行举例，包括但不限于此范围：TB3(Ti-3.5Al-10Mo-8V-1Fe)、TB4(Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr)、TB5(Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al)、TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)、TB8(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)和TB9(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr)。
在其中一些实施例中，上述第二钛合金为近β钛合金。
在其中一些实施例中，上述第一钛合金为TA18，上述第二钛合金为TB9。
在其中一些实施例中，在上述碾环处理之前，还包括如下步骤：
将上述双钛金属环组装环件中的钛合金外环坯件和钛合金内环坯件的接触面进行环焊，然后进行真空封焊。
真空封焊可以避免钛合金外环坯件和钛合金内环坯件的接触面在碾环过程中发生氧化或产生气泡，从而进一步提高制得的双钛金属环的结合面的质量。
在其中一些实施例中，在上述真空封焊的步骤中，控制真空度在10-2Mpa及以下。
在其中一些实施例中，步骤S10中，采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件的步骤包括如下步骤：
将第一钛合金铸依次进行锻造、冲孔、扩孔，制得上述第一钛合金环坯件。
上述锻造、冲孔、扩孔的步骤可以采用本领域中常用的锻造、冲孔、扩孔的工艺条件进行，金属坯件的具体的型号大小可根据实际应用的需求调节。
在其中一些实施例中，步骤S10中，采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件的步骤包括如下步骤：
将第二钛合金板坯加热，然后依次进行弯曲成型和焊接处理，制得第二钛合金环坯件。
上述弯曲成型和焊接处理可以采用本领域中常用的弯曲成型和焊接处理的工艺条件进行，金属坯件的具体的型号大小可根据实际应用的需求调节。
在其中一些实施例中，在上述加热的步骤中，控制加热温度在上述第二钛合金板坯的相变点以下20℃～50℃。
本发明一实施方式还提供一种双钛金属环，采用上述的双钛金属环的制备方法制得。
上述双钛金属环的制备方法中，利用不同金相的钛合金的相变点不同及其塑性变形抗力随温度变化呈现出的不同规律的特点，进一步通过控制后续碾环处理的温度保持在特定的区间，使钛合金外环坯件述钛合金内环坯件在碾环处理过程中的变形程度保持均匀一致；其中，第一钛合金选自α型钛合金和近α钛合金中的至少一种，第二钛合金选自β型钛合金和近β钛合金中的至少一种；相较于α型钛合金和近α钛合金，β型钛合金和近β钛合金在室温时的强度高，但相变点较低，且随着温度升高，β型钛合金和近β钛合金的塑性变形抗力快速降低，而α型钛合金和近α钛合金的塑性变形抗力随温度升高，其下降速度较慢，如此，在特定温度的碾环处理过程中，钛合金外环坯件和钛合金内环坯件在碾环处理过程中的变形程度保持均匀一致，钛合金外环坯件与钛合金内环坯件的界面接触质量好，制得的双钛金属环的质量好，且良品率高。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
具体实施例
以下为具体实施例。
实施例1
制备899mm/780mm×300mm双钛金属环
(1)、制备钛合金外环坯件，具体步骤如下：
取Φ380mm的TA18钛铸锭经锻造、冲孔、扩孔制备出Φ600mm/440mm×300mm的钛合金外环坯件。
制备钛合金内环坯件，具体步骤如下：
取长1320mm、宽300mm、厚20mm的TB9钛合金板坯，加热至相变点以下20℃，经弯曲成型后焊接，制得Φ440mm/400mm×300mm的钛合金内环坯件。
(2)同心组装：将钛合金外环坯件和钛合金内环坯件同心放置，钛合金外环坯件和钛合金内环坯件的中心轴保持一致，将钛合金内环坯件的外壁与钛合金外环坯件的内壁贴合，从而使钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件，双钛金属环组装环件的剖面图如图1所示。
(3)对双钛金属环组装环件中内外环的坯横截接触面进行环焊，然后抽真空，控制真空度为10-2Mpa以下进行真空封焊；然后对真空封焊后的双钛金属环组装环件加热至TB9钛合金的相变点以上30℃，置于环轧机进行环轧碾环处理，获得899mm/780mm×300mm双钛金属环，双钛金属环的剖面图如图2所示。
(4)检测：进一步重复上述制备步骤获得100件双钛金属环产品，其外表面变形均匀，同时参照标准GB/T 5193-2020对制得的双钛金属环产品进行检测，若符合标准，即为合格品，若不符合标准，即为不合格，以合格产品的数量与被检测的双钛金属环产品的总数量的百分比为良品率，具体结果如表1所示。
实施例2
制备Φ758mm/654mm×220mm双钛金属环
(1)、制备钛合金内环坯件，具体步骤如下：
取Φ380mm的TA16钛铸锭经锻造、冲孔、扩孔制备出Φ510mm/380mm×220mm的钛合金内环坯件。
制备钛合金外环坯件，具体步骤如下：
取长1650mm、宽220mm、厚15mm的TB6钛合金板坯，加热至相变点以下40℃，经弯曲成型后焊接，制得Φ540mm/510mm×220mm的钛合金外环坯件。
(2)同心组装：将钛合金外环坯件和钛合金内环坯件同心放置，钛合金外环坯件和钛合金内环坯件的中心轴保持一致，将钛合金内环坯件的外壁与钛合金外环坯件的内壁贴合，从而使钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件。
(3)对双钛金属环组装环件中内外环的横截接触面进行环焊，然后抽真空，控制真空度为10-2Mpa以下进行真空封焊；然后对真空封焊后的双钛金属环组装环件加热至TB6钛合金的相变点以上20℃，置于环轧机进行环轧碾环处理，获得Φ758mm/654mm×220mm双钛金属环。
(4)检测：同实施例1步骤(4)，具体结果如表1所示。
实施例3
制备899mm/780mm×220mm双钛金属环
(1)、制备钛合金外环坯件，具体步骤如下：
取Φ380mm的TA24钛铸锭经锻造、冲孔、扩孔制备出Φ568mm/400mm×220mm的钛合金外环坯件。
制备钛合金内环坯件，具体步骤如下：
取长1835mm、宽220mm、厚16mm的TB8钛合金板坯，加热至相变点以下20℃，经弯曲成型后焊接，制得Φ600mm/568mm×220mm的钛合金内环坯件。
(2)同心组装：将钛合金外环坯件和钛合金内环坯件同心放置，钛合金外环坯件和钛合金内环坯件的中心轴保持一致，将钛合金内环坯件的外壁与钛合金外环坯件的内壁贴合，从而使钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件。
(3)对双钛金属环组装环件中内外环的坯横截接触面进行环焊，然后抽真空，控制真空度为10-2Mpa以下进行真空封焊；然后对真空封焊后的双钛金属环组装环件加热至TB8钛合金的相变点以上20℃，置于环轧机进行环轧碾环处理，获得899mm/780mm×220mm双钛金属环。
(4)检测：同实施例1步骤(4)，具体结果如表1所示。
实施例4
制备899mm/780mm×300mm双钛金属环
(1)制备钛合金外环坯件，具体步骤如下：
取长1835mm、宽300mm、厚16mm的TB9钛合金板坯，加热至相变点以下20℃，经弯曲成型后焊接，制得Φ600mm/568mm×300mm的钛合金外环坯件。
制备钛合金内环坯件，具体步骤如下：
取Φ380mm的TA18钛铸锭经锻造、冲孔、扩孔制备出Φ568mm/400mm×300mm的钛合金内环坯件。
(2)同心组装：将钛合金外环坯件和钛合金内环坯件同心放置，钛合金外环坯件和钛合金内环坯件的中心轴保持一致，将钛合金内环坯件的外壁与钛合金外环坯件的内壁贴合，从而使钛合金外环坯件套设于钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件。
(3)对双钛金属环组装环件中内外环坯的横截接触面进行环焊，然后抽真空，控制真空度为10-2Mpa以下进行真空封焊；然后对真空封焊后的双钛金属环组装环件加热至TB9钛合金的相变点以上30℃，置于环轧机进行环轧碾环处理，获得899mm/780mm×300mm双钛金属环。
(4)检测：同实施例1步骤(4)，具体结果如表1所示。
表1
良品率(％)
实施例1 91.2％
实施例2 89.7％
实施例3 90.6％
实施例4 90.4％
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种双钛金属环的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件，采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件；所述第一钛合金选自α型钛合金和近α钛合金中的至少一种，所述第二钛合金选自β型钛合金和近β钛合金中的至少一种；
以所述第一钛合金环坯件和所述第二钛合金环坯件中的一个为钛合金外环坯件，另一个为钛合金内环坯件，将所述钛合金外环坯件套设于所述钛合金内环坯件外侧，获得双钛金属环组装环件；
将所述双钛金属环组装环件进行碾环处理，得到双钛金属环；
其中，控制所述碾环处理的温度在所述第二钛合金的相变点以上20℃～40℃。
2.根据权利要求1所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，所述第一钛合金为近α钛合金。
3.根据权利要求1所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，所述第二钛合金为近β钛合金。
4.根据权利要求1所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，在所述碾环处理之前，还包括如下步骤：
将所述双钛金属环组装环件中的所述钛合金外环坯件和所述钛合金内环坯件的接触面进行环焊，然后进行真空封焊。
5.根据权利要求4所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，在所述真空封焊的步骤中，控制真空度不大于1×10-2Mpa。
6.根据权利要求1～5任一项所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，所述第二钛合金选自TB3、TB4、TB5、TB6、TB8及TB9中的至少一种；和/或
所述第一钛合金选自TA6、TA7、TA9、TA10、TA13、TA16、TA17、TA18、TA20和TA24中的至少一种。
7.根据权利要求1～5任一项所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，所述采用第一钛合金制得第一钛合金环坯件的步骤包括如下步骤：
将所述第一钛合金铸锭依次进行锻造、冲孔、扩孔，制得所述第一钛合金环坯件。
8.根据权利要求1～5任一项所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，
所述采用第二钛合金制得第二钛合金环坯件的步骤包括如下步骤：
将所述第二钛合金板坯加热，然后依次进行弯曲成型和焊接处理，制得所述第二钛合金环坯件。
9.根据权利要求8所述的双钛金属环的制备方法，其特征在于，在所述加热的步骤中，控制加热温度在所述第二钛合金板坯的相变点以下20℃～50℃。
10.一种双钛金属环，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的双钛金属环的制备方法制得。
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