CN114752877B - 一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金加工技术领域，涉及一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法。该方法，先选取横、纵向组织均匀的Ti6Al4V合金棒坯在相变点以下加热，精锻至目标规格；接着对目标规格的棒坯进行高温固溶热处理；再对高温固溶热处理后的棒坯进行普通退火热处理；然后对普通退火处理后的棒坯进行低温时效热处理；最后对低温时效热处理后的棒坯清除表面缺陷和氧化皮，得到具有高声速均匀性的Ti6Al4V合金棒材。且通过本发明提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金棒材，同批次不同部位的声速均匀性可以控制在±10m/s，且显微组织和力学性能一致性好，能够满足相关标准要求。

Description

一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金加工技术领域，涉及Ti6Al4V合金的制备，具体涉及一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法。

背景技术

Ti6Al4V合金是一种典型的两相钛合金，具有高强度、高比强度和低弹性模量等优异特性，除作为航空航天工业中重要的结构材料外，在生物医疗领域也具有广泛的应用，如用于生产焊接医用防护口罩、医用包装袋等的超声波焊接器。为保证医用防护口罩多层结构稳固连接，实现快速稳定的焊接医疗包装，焊接器的超声波声速均匀性是关键。同时为防止焊接器在使用过程中失稳失效，要保证一定的强度，这就要求生产超声波焊接器的原始Ti6Al4V合金棒材同时具备高声速均匀性和较高的性能。

声速用Ti6Al4V合金棒材传统的生产流程是通过热精锻成形，然后通过普通退火热处理获得需要的显微组织和力学性能。传统工艺的缺点是热精锻成形棒材不同部位的组织一致性差，通过常规普通退火热处理后组织均匀性无明显改善，棒材两端和中间部位的声速波动大，性能一致性差，严重影响了最终产品使用过程中的稳定性。因此，采用传统工艺方法实现高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的稳定生产和良好应用存在极大难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，解决Ti6Al4V合金棒材不同部位声速波动大、显微组织和力学性能一致性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

这种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，先选取横、纵向组织均匀的Ti6Al4V合金棒坯在相变点以下加热，精锻至目标规格；接着对目标规格的棒坯进行高温固溶热处理；再对高温固溶热处理后的棒坯进行普通退火热处理；然后对普通退火处理后的棒坯进行低温时效热处理；最后对低温时效热处理后的棒坯清除表面缺陷和氧化皮，得到具有高声速均匀性的Ti6Al4V合金棒材。

进一步，具体包括以下步骤：

1）精锻：将横、纵向组织均匀的Ti6Al4V合金棒坯置于步进式电阻炉中，在相变点以下加热，精锻至目标规格；

2）固溶热处理：将步骤1）得到的目标规格的棒坯置于箱式热处理炉中进行固溶热处理，固溶温度在相变点以下20℃~60℃，保温时间为1h~2h，出炉结束后空冷；

3）退火热处理：将步骤2）处理后的棒坯置于箱式热处理炉中进行普通退火热处理；

4）低温时效热处理：将步骤3）处理后的棒坯置于箱式热处理炉中进行低温时效热处理；

5）表面处理：将步骤4）处理后的棒坯清除表面缺陷和氧化皮，得到具有高声速均匀性的Ti6Al4V合金棒材。

进一步，所述步骤1）中精锻温度采用相变点以下40℃~100℃，精锻1~2火次，每火精锻道次为3~5道次，每道次精锻变形量为5%~30%。

进一步，所述步骤1）中精锻总变形量为41.0%~91.3%，总变形量小于79.5%时只需进行1火次精锻，总变形量大于79.5%时需要进行2火次精锻。

进一步，所述步骤3）中退火温度采用700℃~750℃，保温时间为1h~2h，空冷。

进一步，所述步骤4）中时效温度采用500℃~600℃，保温时间为2h~4h，空冷。

进一步，所述步骤1）中的目标规格为Φ28mm~Φ73mm。

进一步，所述Ti6Al4V合金棒材同批次不同部位的声速波动控制在±10m/s。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：该方法，步骤1）通过对精锻工艺参数的调整及控制，可获得具有一定初生α相含量的两相组织，但由于精锻方式本身的特性，棒材头部、中部和尾部不同部位的α相含量和形貌差异较大，导致中间部位的声速值要明显高于两端，且精锻开始端的声速值高于精锻结束端的声速值；步骤2）通过高温固溶热处理，使得棒材不同部位的α相含量和形貌一致性明显好转，声速均匀性提高，但室温拉伸强度会有所下降；步骤3）通过普通退火热处理，步骤2空冷过程中析出的次生条状α相会长大、加粗，导致棒材不同部位的声速均匀性和强度均提高；步骤4）通过低温时效热处理，在条状次生α相中间会析出“三生”α相，使得棒材不同部位的组织更加均匀，声速均匀性和强度也进一步提高。因此，通过本发明提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金棒材，同批次不同部位的声速均匀性可以控制在±10m/s，且显微组织和力学性能一致性好，能够满足相关标准要求。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法的流程图；

图2为是β相变点为1000℃的Ti6Al4V合金Φ95mm原始棒坯横向、纵向高倍组织图；

图3为采用常规工艺制备的Ti6Al4V合金典型规格棒材横、纵向高倍组织图；

图4为采用本发明提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金典型规格棒材横、纵向高倍组织图；

图5为采用本发明提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金典型规格同批棒材两端和中部位置纵向声速值；

图6为采用本发明提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金典型规格棒材的室温拉伸性能。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。

本发明提供了一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，参见图1，具体包括以下步骤：

步骤1，精锻：

将横、纵向组织均匀的原始Ti6Al4V合金圆坯，置于步进式电阻炉中，在相变点以下40℃~100℃加热，通过1~2火次，每火精锻道次为3~5道次，每道次精锻变形量5%~30%，精锻至目标规格；其中，精锻总变形量为41.0%~91.3%，总变形量小于79.5%时只需一火精锻，总变形量大于79.5%时需两火精锻；

步骤2，高温固溶热处理：

将步骤1得到的棒坯置于箱式热处理炉，进行高温固溶热处理；固溶温度采用相变点以下20℃~60℃，保温时间1h~2h，出炉结束后空冷；

步骤3，普通退火热处理：

将步骤2得到的棒坯置于箱式热处理炉，进行普通退火热处理；退火温度采用700℃~750℃，保温时间1h~2h，出炉结束后空冷；

步骤4，低温时效热处理：

将步骤3得到的棒坯置于箱式热处理炉，进行低温时效热处理；时效温度采用500℃~600℃，保温时间2h~4h，出炉结束后空冷。

步骤5，表面处理：

对步骤4得到的棒坯使用扒皮机清除表面缺陷和氧化皮，即可得到不同部位声速均匀性好的Ti6Al4V合金棒材。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将横、纵向组织均匀的Φ95mm规格Ti6Al4V合金棒坯（其横向、纵向高倍组织图参见图2）置于步进式电阻炉中，在相变点以下40℃加热，通过2火次，每火精锻道次为5道次，每道次15%~30%变形量，精锻至Φ28mm，总变形量为91.3%；

步骤2，将步骤1得到的Φ28mm棒坯置于箱式热处理炉，进行相变点以下20℃高温固溶热处理，保温时间1h，出炉结束后空冷；

步骤3，将步骤2高温固溶热处理后的Φ28mm棒坯置于箱式热处理炉，进行700℃普通退火热处理，保温时间1h，出炉结束后空冷；

步骤4，将步骤3普通退火热处理后的Φ28mm棒坯置于箱式热处理炉，进行500℃时效热处理，保温时间2h，出炉结束后空冷；

步骤5，将步骤4时效热处理后的Φ28mm棒坯使用扒皮机扒皮至Φ26mm，棒材头部、中部和尾部的纵向声速偏差在15m/s内。

将上述得到的Ti6Al4V合金棒材进行相应测试：Φ26mm Ti6Al4V合金棒材不同部位的纵向声速平均值分别为：头部6140m/s、中部6155m/s、尾部6146m/s，其对应的平均室温拉伸性能如下：抗拉强度Rm：995MPa，屈服强度Rp_0.2：894MPa，延伸率A：17.5%，断面收缩率Z：43.5%。而采用传统工艺制备的Ti6Al4V棒材不同部位的纵向声速平均值分别为：头部6075m/s、中部6125m/s、尾部6100m/s，其对应的平均室温拉伸性能如下：抗拉强度Rm：1020MPa，屈服强度Rp0.2：912MPa，延伸率A：16.0%，断面收缩率Z：43%。故，和传统工艺制备的棒材相比，本发明制备的Ti6Al4V合金棒材平均室温拉伸强度略有下降，塑性值相差不大，但不同部位声速均匀性明显提高，声速波动可以控制在±10m/s。

实施例2

本实施例提供了另一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将横、纵向组织均匀的Φ95mm规格Ti6Al4V合金棒坯（其横向、纵向高倍组织图参见图2）置于步进式电阻炉中，在相变点以下70℃加热，通过2火次，每火精锻道次为3道次，每道次10%~25%变形量，精锻至Φ42mm，总变形量为80.5%；

步骤2，将步骤1得到的Φ42mm棒坯置于箱式热处理炉，进行相变点以下40℃高温固溶热处理，保温时间1.5h，出炉结束后空冷；

步骤3，将步骤2高温固溶热处理后的Φ42mm棒坯置于箱式热处理炉，进行750℃普通退火热处理，保温时间1.5h，出炉结束后空冷；

步骤4，将步骤3普通退火热处理后的Φ42mm棒坯置于箱式热处理炉，进行550℃时效热处理，保温时间3h，出炉结束后空冷；

步骤5，将步骤4时效热处理后的Φ42mm棒坯使用扒皮机扒皮至Φ40mm，棒材头部、中部和尾部的纵向声速偏差在15m/s内。

实施例3

本实施例提供了又一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将横、纵向组织均匀的Φ95mm规格Ti6Al4V合金棒坯（其横向、纵向高倍组织图参见图2）置于步进式电阻炉中，在相变点以下100℃加热，通过1火次，每火精锻道次为3道次，每道次5%~20%变形量，精锻至Φ73mm，总变形量为41.0%；

步骤2，将步骤1得到的Φ73mm棒坯置于箱式热处理炉，进行相变点以下60℃高温固溶热处理，保温时间2h，出炉结束后空冷；

步骤3，将步骤2高温固溶热处理后的Φ73mm棒坯置于箱式热处理炉，进行750℃普通退火热处理，保温时间2h，出炉结束后空冷；

步骤4，将步骤3普通退火热处理后的Φ73mm棒坯置于箱式热处理炉，进行600℃时效热处理，保温时间4h，出炉结束后空冷；

步骤5，将步骤4时效热处理后的Φ73mm棒坯使用扒皮机扒皮至Φ70mm，棒材头部、中部和尾部的纵向声速偏差在12m/s内。

实施例4

本实施例还提供了一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将横、纵向组织均匀的Φ60mm规格Ti6Al4V合金棒坯置于步进式电阻炉中，在相变点以下40℃加热，通过1火次，每火精锻道次为3道次，每道次20%~25%变形量，精锻至Φ32mm，总变形量为71.6%；

步骤2，将步骤1得到的Φ32mm棒坯置于箱式热处理炉，进行相变点以下20℃高温固溶热处理，保温时间1.5h，出炉结束后空冷；

步骤3，将步骤2高温固溶热处理后的Φ32mm棒坯置于箱式热处理炉，进行730℃普通退火热处理，保温时间2h，出炉结束后空冷；

步骤4，将步骤3普通退火热处理后的Φ32mm棒坯置于箱式热处理炉，进行550℃时效热处理，保温时间2h，出炉结束后空冷；

步骤5，将步骤4时效热处理后的Φ32mm棒坯使用扒皮机扒皮至Φ30mm，棒材头部、中部和尾部的纵向声速偏差在15m/s内。

图3是采用常规工艺制备的Ti6Al4V合金典型规格棒材横、纵向高倍组织，图4是采用本实施例提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金典型规格棒材横、纵向高倍组织。通过对比图3和4可以看出，和常规工艺相比，采用本发明方法制备得到的棒材横、纵向初生α相细小、等轴，组织均匀性明显提高。此外，图5是采用本实施例提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金典型规格同批棒材两端和中部位置纵向声速值，可以看出整批棒材声速均匀性好；图6是采用本实施例提供的制备方法制得的Ti6Al4V合金典型规格棒材室温拉伸性能，可以看出力学性能一致性好，能够满足相关标准要求。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (2)

1.一种高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，其特征在于，先选取横、纵向组织均匀的Ti6Al4V合金棒坯在相变点以下加热，精锻至目标规格；接着对目标规格的棒坯进行高温固溶热处理；再对高温固溶热处理后的棒坯进行普通退火热处理；然后对普通退火处理后的棒坯进行低温时效热处理；最后对低温时效热处理后的棒坯清除表面缺陷和氧化皮，得到具有高声速均匀性的Ti6Al4V合金棒材；

所述制备方法具体包括以下步骤：

1)精锻：将横、纵向组织均匀的Ti6Al4V合金棒坯置于步进式电阻炉中，在相变点以下加热，精锻至目标规格其中，精锻温度采用相变点以下40℃～100℃，精锻1～2火次，每火精锻道次为3～5道次，每道次精锻变形量为5％～30％；精锻总变形量为41.0％～91.3％，总变形量小于79.5％时只需进行1火次精锻，总变形量大于79.5％时需要进行2火次精锻；

2)固溶热处理：将步骤1)得到的目标规格的棒坯置于箱式热处理炉中进行固溶热处理，固溶温度在相变点以下20℃～60℃，保温时间为1h～2h，出炉结束后空冷；

3)退火热处理：将步骤2)处理后的棒坯置于箱式热处理炉中进行普通退火热处理；退火温度采用700℃～750℃，保温时间为1h～2h，空冷；

4)低温时效热处理：将步骤3)处理后的棒坯置于箱式热处理炉中进行低温时效热处理；时效温度采用500℃～600℃，保温时间为2h～4h，空冷；

5)表面处理：将步骤4)处理后的棒坯清除表面缺陷和氧化皮，得到具有高声速均匀性的Ti6Al4V合金棒材，所述Ti6Al4V合金棒材同批次不同部位的声速波动控制在±10m/s。

2.根据权利要求1所述的高声速均匀性Ti6Al4V合金棒材的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的目标规格为Φ28mm～Φ73mm。

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