CN115178597A - 一种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法,将经开坯和中间坯锻造获得的棒材在β单相区或α+β两相区加热变形制成棒坯;棒坯经修磨去除表面缺陷后在β单相区加热,加热温度设定为相变点以上10~30 oC,保温时间按1min/mm计算,然后进行至少两次轧制,轧制总变形量为70%~90%,变形后空冷,即可获得高表面质量和拉伸强度的棒材。

Description

一种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法
技术领域:
本发明属于冶金领域,涉及一种钛合金棒材热的加工技术,具体来说是一种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法。
背景技术:
钛合金因具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性能,在航空航天等领域获得广泛的应用。其中近α型合金具有良好的高温强度和组织稳定性,作为500℃以上使用的高温钛合金。
高温钛合金小规格棒材传统热加工工艺是,在α+β两相区锻造或轧制变形制备中间坯,而后在两相区(相变点以下30-50℃)轧制成材。但是,大量的实践结果表明,传统热加工工艺获得棒材初生α相尺寸分布不均匀,在局部位置存在大块α,导致材料的室温和高温拉伸强度不高且分散性大。在材料拉伸过程中裂纹易在大块α与基体的界面处萌生,导致高温拉伸强度常出现不达标的现象。
一种提高轧棒拉伸强度的方法是,在单相区变形以后在两相区进行低温轧制,可以获得室温和高温拉伸强度优异的材料,但是在低温轧制过程中,高温钛合金棒材表层存在开裂的风险,对后续检测和成材率影响很大。因此,同时提高高温钛合金轧棒表面质量和拉伸强度是需要解决的技术问题。
发明内容:
针对现有技术中的上述技术问题,本发明提供了一种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法,所述的这种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法要解决现有技术中的钛合金轧棒低温轧制过程中,高温钛合金棒材表层存在开裂的风险,对后续检测和成材率影响很大的技术问题。
本发明提供了一种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法,包括如下步骤:
1)将经开坯和中间坯锻造获得的棒材在β单相区或α+β两相区加热变形制成棒坯;在β单相区加热变形制成棒坯的过程中,β单相区加热温度设定为相变点以上30~50℃,保温时间按1min/mm计算,然后轧制或径锻成型,变形量为50%~70%,变形后空冷;在α+β两相区加热变形制成棒坯的过程中,加热温度设定为相变点以下30~50℃,保温时间按1min/mm计算,然后轧制或径锻成型,变形量为50%~70%,变形后空冷;
2)将步骤1)获得的棒坯经修磨去除表面缺陷后再在β单相区加热,加热温度设定为相变点以上10~30℃,保温时间按1min/mm计算,然后进行至少两次轧制,轧制总变形量为70%~90%,即可获得高表面质量和拉伸强度的棒材。
通过本发明的方法制备的高温钛合金轧棒表面质量高,轧态中α相在晶界附近以均匀、细小的等轴状存在,尺寸1-3um。晶内α相以片状存在,厚度1um左右,晶内不存在大块α。经双重退火热处理后,具有该组织的材料的室温和600℃高温拉伸强度较常规的两相区轧制材料提高100MPa以上。
钛合金棒材的制备流程一般为:铸锭熔炼、开坯、中间坯锻造、径锻/轧制、终轧、热处理,本发明主要针对钛合金棒材终轧工艺。
本发明的原理如下:
具有双态组织的钛合金强度与位错的有效滑移距离有关,具有等轴组织的钛合金强度与α相尺寸有关。初生α相间距小,位错有效滑移间距短,材料的强度高。等轴α相尺寸小,界面效应明显,材料的强度高。对于高温钛合金小规格棒材,通过两相区低温轧制虽然能获得较高的材料强度,但是轧制温度低时,材料表面易产生裂纹。全部β单相区轧制,虽然表面质量高,但获得的组织为魏氏组织,材料塑性低,不能满足使用要求。本发明提出的“跨相区轧制”工艺利用了温度-组织-变形之间的耦合作用,在β区进行一定变形,在晶界集聚应变能;随着出炉后温降和变形过程中的温降,材料进入α+β两相区,α相在含有大量畸变能的β晶界及附近优先析出,在变形过程中被破碎、球化,同时在晶内形成扭曲的片状α相。晶界球化的α相均匀、细小,提高了材料的强度,同时球状组织一定程度上协调外力作用下的变形集聚,避免了片层魏氏组织的不足。研究和实践表明,β单相区加热温度选择相变点以上10~30℃,保温时间按1min/mm计算,变形量为70%~90%时,可获得在晶界一定宽度范围内存在的球化α和晶内片层组织。β单相区加热温度太高,β晶粒长大严重,且两相区变形量分配不足,不能有效破碎晶界优先析出的α相;加热温度太低,容易导致相变点以上变形不足,β晶界存储的应变能有限,形成的晶界α宽度有限,影响破碎球化α相的范围。
本发明和已有技术相比,其技术进步是显著的。采用本发明提出的“跨相区轧制”工艺技术,比常规的两相区轧制加热温度高,材料变形抗力小,容易成形,成品率高;制备的高温钛合金轧棒轧态中α相在晶界附近以均匀、细小的等轴状存在,尺寸1-3um。晶内α相以片状存在,厚度1um左右,晶内不存在大块α。经双重退火热处理后,晶界和晶内α略有长大。具有该组织的材料室温和600℃高温拉伸强度较常规的两相区轧制材料提高100MPa以上。
附图说明:
图1为本发明提出的“跨相区轧制”工艺路线示意图。
图2为对比例中利用传统两相区轧制工艺获得的显微组织形貌。
图3为实施例1中利用本发明提出的制备工艺获得的显微组织形貌。
图4为实施例2中利用本发明提出的制备工艺获得的显微组织形貌。
具体实施方式:
对比例和实施例中高温钛合金为Ti-Αl-Sn-Zr-Mo-Nb系,含少量的Si和Ce。对其它近α高温钛合金,本发明提出的制备工艺也可达到同样的效果。
对比例:
采用三次真空自耗熔炼得到φ760mm铸锭,相变点1020℃。采用快锻机将铸锭开坯成φ220mm,锻造温度1050~1150℃;然后锻造成φ80mm棒材,锻造温度950~970℃。棒材经修磨后装入电炉,温度990℃,保温80分钟,然后径锻成坯料,变形量60%。坯料经修磨去除表面缺陷后装入电炉,温度980℃,保温40分钟,轧制成棒材,变形量75%。轧棒经双重退火,具体为960℃/1h,空冷+570℃/2h,空冷。
图2为对比例中利用传统两相区轧制工艺获得的显微组织形貌。可见,轧棒中初生α相尺寸分布不均,粗大的尺寸8-15um,细小的尺寸2-10um,还有一些遗留下来的、没有充分破碎的大块α。在后续的双重退火热处理时,细小的α回溶消失,大块α依然存在。表1给出了轧棒的室温和600℃高温拉伸性能,由于轧制后α相尺寸分布不均且存在大块α,导致轧棒高温性能存在明显的波动,且大部分数值不满足相关的材料规范(屈服强度要求≥550MPa,抗拉强度要求≥650MPa)。
实施例1:
采用对比例中开坯+锻造后φ80mm棒材。棒材经修磨后装入电炉,温度970℃,保温80分钟,然后径锻成坯料,变形量60%。坯料经修磨去除表面缺陷后装入电炉,温度1030℃,保温40分钟,轧制成棒材,变形量85%,轧后空冷。获得的棒材表面质量好,无明显的裂纹。
图3为实施例1中获得的轧棒显微组织形貌。轧棒中α相在晶界附近以均匀的、细小的等轴状存在,尺寸1-3um。晶内α相以扭曲的片状存在,厚度1um左右,晶内不存在大块α。经双重退火热处理后,晶界和晶内α略有长大,尺寸分别为5-8um和2-4um。材料的室温和600℃高温拉伸强度详见表1,相对于对比例两者出现了明显的提升。
实施例2:
采用对比例中开坯+锻造后φ80mm棒材。棒材经修磨后装入电炉,温度1070℃,保温80分钟,然后轧制成坯料,变形量60%。轧制坯料经修磨去除表面缺陷后装入电炉,温度1050℃,保温40分钟,轧制成棒材,变形量70%,轧后空冷。获得的棒材表面质量好,无明显的裂纹。
图4为实施例2中获得的轧棒显微组织形貌,轧态组织及热处理态组织与实施例1相近。相比于对比例,材料的室温和600℃高温拉伸强度出现了明显的提升。相比于实施例1,由于终轧前坯料是在单相区变形获得的,原始β晶粒大。在终轧加热过程中这些β晶粒继续长大,导致最终参与球化的晶界α数量少,且间距大,因此材料强度略有降低,数据详见表1。
表1实施例、对比例力学性能
Figure BDA0003739025700000041
Figure BDA0003739025700000051
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,而并非作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (1)

1.一种同时提高钛合金轧棒表面质量和拉伸强度的热加工方法,其特征在于包括如下步骤:
1)将经开坯和中间坯锻造获得的棒材在β单相区或α+β两相区加热变形制成棒坯;在β单相区加热变形制成棒坯的过程中,β单相区加热温度设定为相变点以上30~50 oC,保温时间按1min/mm计算,然后轧制或径锻成型,变形量为50%~70%,变形后空冷;在α+β两相区加热变形制成棒坯的过程中,加热温度设定为相变点以下30~50 oC,保温时间按1min/mm计算,然后轧制或径锻成型,变形量为50%~70%,变形后空冷;
2)将步骤1)获得的棒坯经修磨去除表面缺陷后再在β单相区加热,加热温度设定为相变点以上10~30 oC,保温时间按1min/mm计算,然后进行至少两次轧制,轧制总变形量为70%~90%,即可获得高表面质量和拉伸强度的棒材。
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