CN115612876A

CN115612876A - 一种β型钛合金板材的制备方法

Info

Publication number: CN115612876A
Application number: CN202211345649.8A
Authority: CN
Inventors: 张强; 刘峰; 李洋; 刘喜波; 郝晓博; 毛人杰; 李渤渤
Original assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Current assignee: Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co Ltd
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2042-10-31
Also published as: CN115612876B

Abstract

本发明提供了一种β型钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：步骤S1：铸锭熔炼；步骤S2：板坯锻造；步骤S3：板材热轧；步骤S4：板材冷轧；步骤S5：热处理，所述铸锭成分按质量百分比计，包含1.5～3％的铝、6.5～7.5％的钒、3.5～4.5％的铁、0.7～1.5％的钼、0.1～0.4％的硅、≤0.3％的氧、≤0.05％的氮、≤0.1％的碳、≤0.015％的氢，其余为钛。本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，通过成分设计、熔炼、锻造、轧制及热处理等过程的全流程管控，制备方法简单，技术方案易于实现，可以实现大批量稳定生产，制备出低成本高强度可以工业化批量生产的β型钛合金板材。

Description

一种β型钛合金板材的制备方法

技术领域

本发明涉及钛合金板材制备技术领域，特别涉及一种β型钛合金板材的制备方法。

背景技术

钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、汽车等领域。目前广泛应用的TA11、TA15等近α型钛合金，TC4、TC11和TC21等α+β型钛合金由于β稳定元素含量较少，进行时效退火后强度提升有限，且延伸率降低较多，板材抗拉强度在1000～1200MPa之间，延伸率≥9％，难以满足武器装备各类框梁受力构件、承力螺栓、高强度弹簧、航母弹射器及均质装甲等对高强钛合金的需求。

β型钛合金V、Mo、Fe、Cr、Nb等β稳定元素含量较高，固溶后获得的亚稳定β相的含量较高，时效后强度与固溶后相比提升200～400MPa。国内外针对抗拉强度≥1250MPa的高强度钛合金进行了大量研究，美国Timet公司开发的β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)合金主要应用于航天飞机钛金属基复合材料中所需的抗氧化箔材，通过时效后抗拉强度可以达到1450MPa以上，延伸率8～10％，且冷加工性能优异，可轧制成薄板、箔材，不经过中间退火，冷轧变形量最多可以达到85％。为了获得更低的成本将高强钛合金应用于汽车领域，Timet公司采用廉价的Fe元素代替价格昂贵的V元素，开发了一种新型高强度β钛合金板材Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al，固溶时效后抗拉强度可以达到1450MPa以上，延伸率7～11％加工性能较好。西北有色金属研究院自主研制的新型高强高韧耐蚀近β钛合金Ti-B19(Ti-3Al-5Mo-5V-4Cr-2Zr)综合了两相钛合金和β型钛合金的优点，制备的棒材经固溶时效后抗拉强度可达1250MPa以上，延伸率6％以上，加工性能好，耐海水腐蚀，特别适用于制作舰船材料。西北院自主研制的Ti-B20(Ti-3.5Al-5Mo-4V-2Cr-1Fe-2Zr-2Sn)高强亚稳定β钛合金，制备的棒材经过时效后抗拉强度可以达到1400MPa以上，延伸率14％。

目前国内外研制的β型钛合金种类较多，但由于熔炼时合金含量高，Fe、Cr等共析型β稳定元素容易产生偏析，使用较多的贵金属元素使得原材料成本较高，板材轧制时板形不易控制，造成β型钛合金板材目前未进行大批量应用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种β型钛合金板材的制备方法，以解决现有技术中β型钛合金板材成本高、制备困难的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种β型钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1：铸锭熔炼，铸锭成分按质量百分比计，包含1.5～3％的铝、6.5～7.5％的钒、3.5～4.5％的铁、0.7～1.5％的钼、0.1～0.4％的硅、≤0.3％的氧、≤0.05％的氮、≤0.1％的碳、≤0.015％的氢，其余为钛；

步骤S2：板坯锻造，将步骤S1中熔炼的铸锭表面处理后，在相变点以上加热，进行多火次锻造，制备出可以轧制的钛合金板坯；

步骤S3：板材热轧，将步骤S2中制备的钛合金板坯加热后在热轧机进行多火次轧制，成品轧制控制轧辊温度50～150℃，轧制后在线进行热矫直，得到所需的热轧板材，若成品厚度＜4mm，则进入步骤S4；否则，则进入步骤S5；

步骤S4：板材冷轧，将步骤S3中热轧得到的板材进行去应力退火，板材表面处理后，在冷轧机进行多轧程冷轧，得到所需的冷轧板材；

步骤S5：热处理，步骤S3或步骤S4得到的板材先进行固溶处理，冷却方式空冷、风冷或水冷，然后进行时效处理，冷却方式空冷、风冷或炉冷。

进一步的，步骤S1中，用于铸锭熔炼的原材料使用海绵钛和中间合金，制作熔炼所需的自耗电极，经过2～3次真空自耗炉熔炼，熔炼过程进行电磁搅拌，得到所需要的钛合金铸锭。

进一步的，在所述步骤S1中，海绵钛等级不低于1级，钛合金铸锭直径为380～640mm。

进一步的，用于铸锭熔炼的原材料还包括钛残料，所述钛残料采用同种材质的钛残料，或者，所述钛残料采用成分体系接近异种牌号的钛残料。

进一步的，所述步骤S1中铸锭成分硅含量0.15～0.30％，氧含量0.15～0.25％。

进一步的，在步骤S2中的表面处理包括铸锭表面扒皮、去除冒口，步骤S2中铸锭锻造的加热温度为950～1150℃，保温系数1.0～1.5min/mm，需要至少3个火次，至少3次镦拔，总变形量≥240％。

进一步的，在步骤S3中，轧制加热温度为850～1050℃，保温系数1.0～1.5min/mm，需要至少3个火次。

进一步的，在步骤S3中，不同火次之间可以换向轧制。

进一步的，在步骤S4中，去应力退火温度500～650℃，保温时间30～60min，应力退火后的表面处理包括表面喷砂酸洗或碱酸洗，酸洗厚度减薄量控制在0.04～0.1mm，修磨倒角后进入冷轧机多轧程冷轧。

进一步的，在步骤S5中，固溶处理加热工艺700～800℃，保温10～60min，时效处理加热温度450～550℃，保温4～12h。

相对于现有技术，本发明所述的β型钛合金板材的制备方法具有以下优势：

(1)本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，通过成分设计、熔炼、锻造、轧制及热处理等过程的全流程管控，制备方法简单，技术方案易于实现，可以实现大批量稳定生产，制备出低成本高强度可以工业化批量生产的β型钛合金板材。

(2)本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，与现有技术相比，熔炼可以使用钛残料，成本低，成分设计简单，通过添加常用的Al、Fe、V、Mo元素，降低了原材料成本，便于后续回收熔炼，成分设计时加入少量的Si，并提高O含量上限，在保证塑性的前提下有利于板材强度提高，熔炼时进行电磁搅拌提高成分均匀性，熔炼后铸锭无β斑和夹杂等缺陷。

(3)本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，通过成品轧制时轧辊温度以及加热温度和退火温度的控制，避免轧制后出现边浪、中间浪、双边浪等板形不良，提高板材不平度。

(4)本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，制备的β型钛合金成品板综合性能良好，冷热加工性能优异，固溶处理后抗拉强度1100～1200MPa，屈服强度1000～1150MPa，延伸率10～18％，时效处理后抗拉强度1300～1500MPa，屈服强度1200～1400MPa，延伸率≥6％。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述β型钛合金板材的制备方法制备的4mm钛合金板材的微观组织；

图2为本发明实施例所述β型钛合金板材的制备方法制备的2mm钛合金板材的微观组织；

图3为本发明实施例所述β型钛合金板材的制备方法制备的1.5mm钛合金板材的微观组织。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段及达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。

需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本发明公开了一种β型钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：

步骤S2：板坯锻造，将步骤S1中熔炼的铸锭表面处理后，在相变点以上加热进行多火次锻造，制备出可以轧制的钛合金板坯；

本发明的目的在于提供一种β型钛合金板材的制备方法，通过成分设计、熔炼、锻造、轧制及热处理等过程的全流程管控，制备的成品板综合性能良好，固溶处理后抗拉强度1100～1200MPa，屈服强度1000～1150MPa，延伸率10～18％，时效处理后抗拉强度1300～1500MPa，屈服强度1200～1400MPa，延伸率≥6％。

作为本发明的示例，在步骤S1中，用于铸锭熔炼的原材料使用海绵钛和中间合金，制作熔炼所需的自耗电极，经过2～3次真空自耗炉熔炼，熔炼过程进行电磁搅拌，得到所需要的钛合金铸锭。作为优选，用于铸锭熔炼的原材料还包括钛残料，所述钛残料与海绵钛、中间合金按比例设置，组成满足成分质量百分比的铸锭。

与现有技术相比，熔炼可以使用钛残料，成本低，成分设计简单，通过添加常用的Al、Fe、V、Mo元素，降低了原材料成本，便于后续回收熔炼，成分设计时加入少量的Si和O，有利于板材强度提高，熔炼时进行电磁搅拌提高成分均匀性，熔炼后铸锭无β斑和夹杂等缺陷，提高铸锭熔炼的品质。

作为本发明的较佳示例，在所述步骤S1中的海绵钛等级不低于1级，钛合金铸锭直径为380～640mm。

作为本发明的较佳示例，所述步骤S1中的钛残料采用同种材质的钛残料，或者，所述步骤S1中的钛残料采用成分体系接近异种牌号的钛残料。

该设置进一步降低了铸锭熔炼的成本，提高铸锭熔炼的品质。

作为本发明的较佳示例，所述步骤S1中铸锭成分硅含量0.15～0.30％，氧含量0.15～0.25％。本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，成分设计时加入少量的Si，并提高O含量上限，从而在保证塑性的前提下有利于板材强度提高，进一步提升铸锭熔炼的品质。

作为本发明的较佳示例，在步骤S2中的表面处理包括铸锭表面扒皮、去除冒口，步骤S2中铸锭锻造的加热温度为950～1150℃，保温系数1.0～1.5min/mm，需要至少3个火次，至少3次镦拔，总变形量≥240％。通过上述设置，从而加工制备满足轧制要求的钛合金板坯。作为本发明的较佳示例，在步骤S2中，一火开坯锻造的温度大于二火锻造的温度，二火锻造的温度大于三火成形锻造的温度。

作为本发明的较佳示例，在步骤S3中，轧制加热温度为850～1050℃，保温系数1.0～1.5min/mm，需要至少3个火次。作为优选，不同火次之间可以换向轧制。

作为本发明的较佳示例，在步骤S4中，去应力退火温度500～650℃，保温时间30～60min，应力退火后的表面处理包括表面喷砂酸洗或碱酸洗，酸洗厚度减薄量控制在0.04～0.1mm，修磨倒角后进入冷轧机多轧程冷轧。

作为本发明的较佳示例，在步骤S5中，固溶处理加热工艺700～800℃，保温10～60min，时效处理加热温度450～550℃，保温4～12h。

本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，通过成品轧制时轧辊温度以及加热温度和退火温度的控制，避免轧制后出现边浪、中间浪、双边浪等板形不良，提高板材不平度。

本发明所述的β型钛合金板材的制备方法，通过成分设计、熔炼、锻造、轧制及热处理等过程的全流程管控，制备方法简单，技术方案易于实现，可以实现大批量稳定生产，制备出低成本高强度可以工业化批量生产的β型钛合金板材。

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出本实施例只用于对本发明做进一步解释说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟知人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进与调整。

实施例1

步骤一：铸锭熔炼，使用1级海绵钛、铝钒合金、钛铁合金、铝硅合金和二氧化钛压制电极，经过3次真空自耗炉熔炼，得到直径540mm的钛合金铸锭，铸锭成分按质量百分比计，包含1.5～2.5％的铝、6.5～7.5％的钒、3.5～4.5％的铁、0.7～1.5％的钼、0.15～0.25％的硅、0.15～0.25％的氧、≤0.05％的氮、≤0.1％的碳、≤0.015％的氢，其余为钛；

步骤二：板坯锻造，将直径540mm的铸锭经过扒皮去除冒口，在1150℃进行一火开坯锻造，进行两个镦拔，在1050℃进行二火锻造，进行1个镦拔，并开始成形，950℃进行三火成形锻造，锻造完成后进行锯切和铣面加工，制备出厚度150mm的板坯。

步骤三：板材热轧，将制备的150mm厚的钛合金板坯在1000℃加热一火开坯轧制，保温时间150min，轧制到20mm，一火半成品分切、表面修磨去除缺陷，二火加热到950℃，保温时间26min，轧制方向转90度轧到8mm，三火加热到900℃，保温9min，轧制到4mm。

步骤四：热处理，得到的4mm板材先进行固溶处理，加热温度750℃，保温20min，出炉空冷，然后进行时效处理，时效加热温度450℃，保温8h，冷却方式空冷，在该制备工艺下制备的钛合金板材的微观组织如图1所示。

实施例2

步骤1：铸锭熔炼，使用1级海绵钛、铝钒合金、铝硅合金和二氧化钛，并添加50％的TB6(3Al-2Fe-10V)钛板条残料捆扎焊接电极，经过2次真空自耗炉熔炼，得到直径620mm的钛合金铸锭，铸锭成分按质量百分比计，包含2～3％的铝、6.5～7.5％的钒、3.5～4.5％的铁、0.7～1.5％的钼、0.25～0.35％的硅、0.2～0.28％的氧、≤0.05％的氮、≤0.1％的碳、≤0.015％的氢，其余为钛；

步骤2：板坯锻造，将直径620mm的铸锭经过扒皮去除冒口，在1100℃进行一火开坯锻造，进行两个镦拔，在1030℃进行二火锻造，进行1个镦拔，并开始成形，930℃进行三火成形锻造，锻造完成后进行锯切和铣面加工，制备出厚度120mm的板坯。

步骤3：板材热轧，将制备的120mm厚的钛合金板坯在980℃加热一火开坯轧制，保温时间120min，轧制到15mm，一火半成品分切、表面修磨去除缺陷，二火加热到930℃，保温时间22min，轧制方向转90度轧到6mm，三火加热到900℃，保温8min，轧制到3.5mm。

步骤4：板材冷轧，热轧得到的3.5mm板材加热到600℃保温40min进行去应力退火，表面碱酸洗，酸洗厚度减薄量控制在0.06～0.1mm，修磨倒角后在冷轧机经过1个轧程轧制到2mm；

步骤五：热处理，得到的2mm冷轧板材先进行固溶处理，加热温度780℃，保温15min，出炉风冷，然后进行时效处理，时效加热温度500℃，保温10h，冷却方式空冷，在该制备工艺下制备的钛合金板材的微观组织如图2所示。

实施例3

步骤1：铸锭熔炼，使用1级海绵钛、铝钒合金、铝硅合金和二氧化钛，并添加30％的TC4(6Al-4V)钛板条残料捆扎焊接电极，经过2次真空自耗炉熔炼，得到直径460mm的钛合金铸锭，铸锭成分按质量百分比计，包含2～3％的铝、6.5～7.5％的钒、3.5～4.5％的铁、0.7～1.5％的钼、0.25～0.35％的硅、0.2～0.3％的氧、≤0.05％的氮、≤0.1％的碳、≤0.015％的氢，其余为钛；

步骤2：板坯锻造，将直径460mm的铸锭经过扒皮去除冒口，在1100℃进行一火开坯锻造，进行两个镦拔，在1050℃进行二火锻造，进行1个镦拔，并开始成形，950℃进行三火成形锻造，锻造完成后进行锯切和铣面加工，制备出厚度140mm的板坯。

步骤:3：板材热轧，将制备的140mm厚的钛合金板坯在950℃加热一火开坯轧制，保温时间140min，轧制到25mm，一火半成品分切、表面修磨去除缺陷，二火加热到900℃，保温时间33min，轧到8mm，三火加热到850℃，保温10min，轧制到4mm。

步骤:4：板材冷轧，热轧得到的4mm板材加热到650℃保温45min进行去应力退火，表面碱酸洗，酸洗厚度减薄量控制在0.06～0.1mm，修磨倒角后在冷轧机一个轧制到2.5mm，第二个轧程轧制到1.5mm；

步骤:5：热处理，得到的1mm冷轧板材先进行固溶处理，加热温度800℃，保温10min，出炉风冷，然后进行时效处理，时效加热温度550℃，保温12h，冷却方式空冷，在该制备工艺下制备的钛合金板材的微观组织如图3所示。

表1本发明获得的β型钛合金板材力学性能

从表1可以看出，本发明制备的β型钛合金板材具有良好的强塑性匹配。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S1中，用于铸锭熔炼的原材料使用海绵钛和中间合金，制作熔炼所需的自耗电极，经过2～3次真空自耗炉熔炼，熔炼过程进行电磁搅拌，得到所需要的钛合金铸锭。

3.根据权利要求2所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，海绵钛等级不低于1级，钛合金铸锭直径为380～640mm。

4.根据权利要求3所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，用于铸锭熔炼的原材料还包括钛残料，所述钛残料采用同种材质的钛残料，或者，所述钛残料采用成分体系接近异种牌号的钛残料。

5.根据权利要求1所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中铸锭成分硅含量0.15～0.30％，氧含量0.15～0.25％。

6.根据权利要求1或5所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，在步骤S2中的表面处理包括铸锭表面扒皮、去除冒口，步骤S2中铸锭锻造的加热温度为950～1150℃，保温系数1.0～1.5min/mm，需要至少3个火次，至少3次镦拔，总变形量≥240％。

7.根据权利要求6所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，轧制加热温度为850～1050℃，保温系数1.0～1.5min/mm，需要至少3个火次。

8.根据权利要求7所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，不同火次之间可以换向轧制。

9.根据权利要求1或8所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，去应力退火温度500～650℃，保温时间30～60min，应力退火后的表面处理包括表面喷砂酸洗或碱酸洗，酸洗厚度减薄量控制在0.04～0.1mm，修磨倒角后进入冷轧机多轧程冷轧。

10.根据权利要求9所述的β型钛合金板材的制备方法，其特征在于，在步骤S5中，固溶处理加热工艺700～800℃，保温10～60min，时效处理加热温度450～550℃，保温4～12h。