CN115255234B - 钛材锻造加工工艺及其在新能源锂电设备核心部件中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛材锻造加工工艺及其在新能源锂电设备核心部件中的应用，属于材料领域，本发明采用锻造钛合金，锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，提高了金属的塑性和力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能，以及优良的耐高温及耐腐蚀性能。

Description

钛材锻造加工工艺及其在新能源锂电设备核心部件中的应用

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种钛材，具体涉及一种钛材锻造加工工艺及其在新能源锂电设备核心部件中的应用。

背景技术

由于工艺限制，我国钛材基本依赖进口。当前，钛材广泛应用于诸多生产领域，如可应用于新能源锂电设备核心部件。对于该工艺和应用，现有技术存在以下问题或缺陷：

1、新能源锂电设备严禁含金属离子、磁性物质成份部件：新能源锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池；由于锂金属的化学特性非常活泼，如果正极材料中存在铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、锌(Zn)、等金属杂质时，电池形成阶段的电压达到这些金属元素的氧化还原电位后，这些金属就会先在正极氧化再到负极还原，当负极处的金属单质累积到一定程度，其沉积金属坚硬的棱角就会刺穿隔膜，造成电池自放电。自放电对锂电子电池会造成致命的影响，因而从源头上防止和减少金属异物的引入就显得格外重要。

事实上在电池的加工工艺中，现阶段还无法做到完全避免与金属直接接触，但是可以选择那些耐蚀性、耐磨性好的金属元素，来代替上文中的铜锌等不耐磨的金属，最大限度地降低和减少金属离子在电池中的富集，达到延长电池使用寿命的目的。

2、陶瓷等无机材质部件在特定条件下加工工艺，制作受限：现使用的电池材料研磨制备技术中，陶瓷是最为理想和先进的研磨构件，首先它是非金属材料，即使少量磨损，也不会存在金属离子的富集污染，其次它具有高耐磨性，使用寿命通常能达到三年甚至更久。但是它的缺点也很明显，一是其固有的硬而脆的性质，烧结及加工会受构件尺寸所限，它不能做得很大，目前国内最先进的技术也只能做到直径600，再大就会碎裂，成品率显著降低；二是其高昂的价格，使得它与其它材料相比，越来越不具备成本优势。另外，随着新能源产业的不断发展，对电池的需求量也随之越来越大，为了追求更高的研磨效率，满足不断增长的产能需求，研磨组件的的尺寸必定是向大尺寸构件突破。此背景下，本发明的推出就显得更有意义，一是可以把构件做大，同时能有效地兼顾构件的耐磨性。

3、金属材质比重不佳：现使用的电池材料研磨制备技术中，有相当一部分构件材质是不锈钢，其特点是不耐磨，密度大为7.93比铁(7.85)大，制成的构件就比较重，工作时这会增加主轴的载荷，为了防止主轴早期失效，势必要增大主轴的尺寸，这会造成能耗的增加。

4、耐高温、防腐蚀性差。

5、钛材材质偏软、不耐磨：通常的纯钛材料是不耐磨的，难以直接作为构件加工使用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的一在于一种钛材锻造加工工艺，目的二在于提供所述钛材锻造加工工艺或采用所述工艺加工所得钛材在新能源锂电设备核心部件中的应用。本发明通过锻造加工，及后续热处理，显著地提高其强度、硬度等其它力学性能，增加耐磨性。

本发明采用的具体方案为：

一种钛材锻造加工工艺，包括以下步骤：

步骤一、材料准备：按照要求尺寸计算并选定坯料进行锯床下料；

步骤二、锻造：将坯料加入锻造炉中，于930℃-980℃条件下墩粗成形；

步骤三、热处理：将经步骤二锻造所得板材依次进行消除应力退火、完全退火、固溶处理和时效处理，具体条件如下：

①.消除应力退火：120-200℃，3-5h，空冷；

②.完全退火：80-100℃，3-5h，空冷；

③.固溶处理：900℃-930℃保温90min，水冷；

④.时效处理：450-530℃保温360分钟，水冷；

步骤四、在零件端面及外周过渡区表面进行激光冲击强化加工。

进一步地，步骤一中，所述材料为钛合金。

进一步地，步骤四中，所述激光冲击强化加工的工艺参数为：激光脉宽18ns～20ns,脉冲上升时间不大于6ns,激光能量9J,光斑直径3mm,搭接率50％,约束层为水，吸收保护层为黑胶带；覆盖率大千200％；冲击3次。

本发明另外请求保护上述钛材锻造加工工艺或采用所述工艺所得钛材在新能源锂电设备核心部件中的应用。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明加工所用钛材料为钛合金，经锻造加工后，耐酸耐碱耐腐蚀，耐热耐磨，强度高、同时具有良好的塑性及可焊性，而良好的塑性是其能够锻造加工的基础。本申请中的零件属于中大型圆板类零件，工作时处于高速旋转状态，承受较大的扭力及剪切力。若采用通常的轧制板材加工制造，零件在工作使用过程中，会因组织结构和力学性能过低，长期受载荷较大时，可能会出现早期疲劳断裂失效。经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢材内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能。

2、解决了新能源锂电设备严禁含金属离子、磁性物质成份部件：本申请中的钛合金，通过锻造工艺，使晶粒通过重结晶与再结晶，改善其组织结构和力学性能，保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能及优良的耐磨性。

3、解决了陶瓷等无机材质部件在特定条件下加工工艺，制作受限。

4、钛材耐高温、防腐蚀。

5、钛材与不锈比重为1:2：本发明采用锻造钛合金，密度为4.5，仅为不锈钢的57％。与不锈钢相比，同样尺寸的构件，重量仅为不锈钢的57％，那么单位能耗就会显著降低。另一方面，同样的重量，钛合金构件就可以加工得更大，以直径为例，直径变大，同样的转速，周围介质及物料的线速度也会变大，这可以大大提高单位时间内的研磨效率。

6、通过加工工艺改进提高材料硬度，达到耐磨要求：本发明通过锻造加工，及后续热处理，能够有效地对纯钛进行合金化处理，显著地提高其强度、硬度等其它力学性能，增加耐磨性。

附图说明

图1是本发明所述工艺制备的钛材的检测结果图；

图2是常规工艺制备的钛材的检测结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本发明创造制备钛材为钛合金，牌号为：TC11,其化学成分组成如下：

主要成分：余量：Ti，AL:5.8-7.0,Mo:2.8-3.8,Zr:0.8-2.0,Si:0.2-0.35

杂质元素：

Fe:≤0.25，C≤0.08,N≤0.05,H≤0.012,O≤0.15。其他元素：单一≤0.10，总和：≤0.40。

内容：锻造、热处理，在零件端面及外圆过渡区表面进行激光冲击强化加工。

一、锻造、热处理：

l、下料；(按照要求尺寸计算并选定合适的坯料进行锯床下料，注意考虑原材料的回墩率，确保下料合适并避免浪费，降低成本)下料尺寸：φ150×335；

2、980℃，墩粗；(镦粗时坯料高度变小，横截面积变大。当变形量较大时，较之拔长更能击碎坯料中心部分的树枝晶，偏析等缺陷，达到改善组织的目的。)

3、950℃，二次墩粗，锻Φ500×30。(金属的塑形变形遵循体积不变规则和最小阻力规则。墩粗时坯料长度变短，横截面积变大，其过程基本是沿圆钢坯料轴线方向连续锻打。镦粗时，送进量不能太大，这时，金属沿坯料的横向流动大于纵向流动，反之，则金属沿坯料的纵向流动大于横向流动，会降低镦粗效率。还易使坯料因变形量过大而失稳，同时，单边下压量应等于或者小于送进量，否则会产生折叠。并且锻锤上下砧的边缘应倒成圆角，否则也会产生折叠。锻锤的击打力应轻些，以免坯料中心及端头出现裂纹。锻件开始锻造时，由于出炉周转造成降温，此时应轻锤快打，等温度上升后，应重锤慢打，在锻制后期由于降温较大，又要轻锤快打，否则锻件表面易开裂，甚至产生内裂纹)

4、消除应力退火：α+β/β相变点以下120-200℃，4h，空冷；

5、完全退火：α+β/β相变点以下80-100℃，4h，空冷；

6、固溶处理，930℃保温90min，水冷；

7、时效处理，530℃保温360min，水冷。

二、激光冲击强化工艺：激光脉宽18ns～20ns,脉冲上升时间不大于6ns,激光能量9J,光斑直径3mm,搭接率50％,约束层为水，吸收保护层为黑胶带；覆盖率大千200％；冲击3次。激光冲击强化设备：YS100-R200A。

实施工艺：

l、用脱脂棉醮无水乙醇清洗零件需要激光冲击强化的区域；

2、对零件端面及外圆过渡区表面进行进行吸收保护层(3M黑胶带)贴敷，黑胶和零件之间必须平整，紧密贴合，没有褶皱、破损、划伤、杂质和气泡，而且黑胶带边缘与强化区域边缘距离至少5mm以上；

3、调试设备YS100-R200A,使用快速光电探头和数字荧光示波器测试激光器输出脉冲波形，测试激光器输出脉宽,要求脉宽18ns～20ns,脉冲上升时间不大于6ns。测试设备出口光斑直径，调试水约束层和机器人，使设备进入正常工作状态；

4、用制定好的工艺激光冲击强化Almen C试片，测试试片的弧高度值在0.4mm～0.5mm之间，说明设备性能稳定,能够满足加工要求；

5、用机器人夹持专用夹具，把零件安装于专用夹具上，调试激光与零件强化区域的位置，然后用制定好的工艺激光冲击强化机加工零件的端面及外圆过渡区；

6、强化加工后检查零件表面不允许有烧蚀点，用酒精和百洁布清理零件表面的黑胶带残留物，目视检查零件表面的光斑痕迹，整齐有序，不允许有漏点。

采用实施例1方法制备的钛材，检测结果如图1所示。

对照例：钛材，牌号为TA2，锭/批号为JCJC220228-TA2，规格为Φ100×21mm，检测结果如图2所示。

由图1和图2可知，采用本申请所述方法锻造制备的钛材，其硬度具有明显的提高。

关于钛材耐高温的说明：钛是同素异构体，熔点为1668℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进钛合金一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。α+β钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。

关于钛材耐腐蚀的说明：钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。

需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种钛材锻造加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、材料准备：按照要求尺寸计算并选定坯料进行锯床下料；所述材料为钛合金TC11；

步骤二、锻造：将坯料加入锻造炉中，于930℃-980℃条件下墩粗成形；

步骤三、热处理：将经步骤二锻造所得板材依次进行消除应力退火、完全退火、固溶处理和时效处理，具体条件如下：

①.消除应力退火：α+β/β相变点以下120-200℃，3-5h，空冷；

②.完全退火：α+β/β相变点以下80-100℃，3-5h，空冷；

③.固溶处理：900℃-930℃保温90min，水冷；

④.时效处理：450-530℃保温360分钟，水冷；

步骤四、在零件端面及外周过渡区表面进行激光冲击强化加工；

步骤四中，所述激光冲击强化加工的工艺参数为：激光脉宽18ns～20ns,脉冲上升时间不大于6ns,激光能量9J,光斑直径3mm,搭接率50％,约束层为水，吸收保护层为黑胶带；覆盖率大于200％；冲击3次。

2.权利要求1所述钛材锻造加工工艺或采用所述工艺加工所得钛材在新能源锂电设备核心部件中的应用。

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