CN115815355A - 一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，该方法包括：一、将TA18钛合金棒坯机械加工得到TA18钛合金挤压坯料；二、将TA18钛合金挤压坯料采用紫铜包覆得到TA18钛合金包覆挤压坯料；三、将TA18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热后进行挤压，得到TA18钛合金小口径超细晶挤压管。本发明通过控制挤压坯料的加热方式、加热温度、保温时间以及挤压比、加压速度等工艺参数实现超细晶TA18钛合金的批量制备，制备得到的TA18钛合金小口径超细晶挤压管表面质量高、强塑性匹配良好，适用于航空发动机管路系统用高强高塑小口径无缝管材的制备要求。

Description

一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法

技术领域

本发明属于钛及钛合金管加工技术领域，具体涉及一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法。

背景技术

先进飞机发动机中的管路系统，诸如液压、燃油、空调等管路系统被誉为飞机的血管，其性能直接关乎飞机的整体安全及使用寿命。TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金作为航空发动机管路的首选轻质、耐压材料，已广泛应用于国内外先进发动机中。目前我国四代机相关机型所使用的TA18钛合金小口径(Φ6mm～Φ20mm)无缝管均为国外进口的AMS 4946标准Ⅰ类管材，该类管材强度高(抗拉强度＝862MPa～979MPa)且室温塑性(延伸率≥10％)和工艺性能优异，可冷弯成形。基于金属材料的性能与其晶粒尺寸密切相关，细晶材料的强度、硬度、塑性和韧性比粗晶材料更优，因此细化晶粒成为提高钛合金性能的重要手段之一。通过对满足AMS 4946标准Ⅰ类要求的进口TA18管材样品进行分析，发现其正是由于具有晶粒尺寸<5μm的超细晶组织，从而实现了合金强度和塑性的双重提升。目前国内的小口径钛无缝管工艺技术还不成熟、设备能力不足，制备的TA18钛合金管材性能停留在中强(Rm≥620MPa)级别，先进发动机管路系统所需的小口径高强高塑TA18管材至今未能实现国产批量化生产。超细晶高性能TA18钛管的高效、低成本批量化制备，已成为制约国产航空发动机性能提升的瓶颈。

国内Φ20mm以下的小口径无缝钛管材通常采用“管坯+开坯轧制+多道次精轧”的冷加工方式生产，使用小口径管坯能够大幅减少后续轧制道次，降低材料缺陷的多道次累积，在提高生产效率的同时有效提高成品管材的探伤合格率。因此，获得晶粒细小的TA18钛合金小口径管坯是攻克上述高性能TA18管材制备难题的关键。现有的钛管坯制备方法主要有挤压、穿孔、棒材机加三种方式，能够获得的最小管坯规格分别是Φ32mm×4mm挤压管、Φ32mm穿孔管、Φ20mm棒材机加管。尚无资料表明，常规挤压和穿孔方式能够制备Φ30mm以下的钛合金坯管；棒材机加方法虽然能够制备出Φ25mm以下的坯管，但是机加工序造成原材料巨大浪费，降低了管材的成材率、提升了生产成本，不适用于管材的批量生产。同时，现有的管坯生产方法制备出的管坯晶粒尺寸也偏大。挤压钛管在α+β相区进行加工，通常获得“α_等轴+α_条+β_转”网篮组织，晶粒尺寸跨度较大，通常约5μm～50μm之间；斜轧穿孔时温度高于相变点，通常获得有明显β晶界的“α_针+β_转”魏氏组织，通常β晶尺寸>100μm；锻轧的机加用TA18合金棒材通常能够在α+β相区加工，获得的组织多为平均尺度>10μm等轴组织。中国发明专利(授权公告号：CN102974645B)采用800℃～1000℃、保温1.5h～3h的常规工艺挤压获得Φ45mm×4.5mm规格的TA18钛合金管坯，虽然该专利并未提及管坯组织状况，但挤压坯料在再结晶温度以上200℃长时间保温必然使再结晶晶粒长大至20μm以上。

目前超细晶材料制备工艺主要有挤压、轧制、旋压、粉末冶金等种类，其中最常见的“等径角挤压/等通道转角挤压”技术、“往复挤压”技术均属于采用挤压工艺实现的剧烈塑性变形技术。但“剧烈变形挤压技术”需要借助大吨位设备和复杂模具实现小规格(断面直径/对角线小于10mm)棒材或型材的制备，加工道次多、制备流程复杂、模具机构复杂、材料适用性差且生产成本高昂，只适用于实验室级别少量短管制备，无法将该技术推广应用于TA18钛管的批量化制备。“高压扭转”、“累积叠轧”、“强力旋压”、“粉末冶金+非晶晶化法”则是采用非剧烈塑性变形方式进行的材料细晶强化工艺。其中“高压扭转”目前主要用于实验室圆柱、盘状小规格试样制备，坯料变形的应变均匀性差，无法用于管材生产。“累积叠轧”属于采用累积大变形制备细晶板材的高效方法，能够制备出晶粒尺度＜1μm的材料，但受管材轧制设备结构和材料冷轧塑性所限，无法用于TA18管材制备。“强力旋压”是一种管材近净成形方法，其特点是管材局部逐点发生连续变形，累积大变形率使晶粒受到碾压而充分破碎实现晶化，但该方法主要适用于直径大于30mm的薄壁管材，且模具成本高，TA18钛合金极限减薄率低冷旋易开裂，因此并不适合。“粉末冶金+非晶晶化法”是一种适用于多组元、加工塑性差金属的特殊细晶方法，整体加工过程均采用热加工方式，模具形式单一、生产成本高，无法用于管材的批量制备。

综上所述，目前国内现有工艺技术手段均无法实现TA18钛合金小口径超细晶管坯的批量稳定制备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法。该方法对TA18钛合金棒坯通过控制挤压坯料的加热方式、加热温度、保温时间以及挤压比、加压速度等工艺参数实现超细晶TA18钛合金的批量制备，制备得到的TA18钛合金小口径超细晶挤压管表面质量高、强塑性匹配良好，适用于航空发动机管路系统用高强高塑小口径无缝管材的制备要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TA18钛合金棒坯进行机械加工得到TA18钛合金挤压坯料；

步骤二、将步骤一得到的TA18钛合金挤压坯料采用紫铜包覆得到TA18钛合金包覆挤压坯料；

步骤三、将步骤二中得到的TA18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至800℃～845℃并保温5min～10min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到TA18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中控制挤压比为10.7～26.4，挤压速度为120mm/s～150mm/s。

上述的一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TA18钛合金棒坯为满足GB/T 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中A1级要求的锻棒、轧棒或挤压棒。

上述的一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述TA18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为1μm～4μm。

上述的一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述TA18钛合金小口径超细晶挤压管的规格外径×壁厚为(16mm～25mm)×(3mm～4.5mm)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将TA18钛合金棒坯包覆后加热并进行挤压，通过控制挤压坯料的加热方式、加热温度、保温时间以及挤压比、加压速度等工艺参数实现超细晶TA18钛合金的批量制备，具体地，采用短时的中频感应加热方式实现了对挤压坯料晶粒尺寸的控制，采用大变形、高速挤压工艺实现了晶粒的进一步破碎，制备得到的TA18钛合金小口径超细晶挤压管表面质量高、强塑性匹配良好，适用于航空发动机管路系统用高强高塑小口径无缝管材的制备要求。

2、本发明采用紫铜单包套，并在共晶温度以下进行挤压，包套工艺简单，保证产物TA18挤压管的表面无低熔共晶污染物存在，且后续表面处理容易。

3、本发明采用常规卧式或立式挤压机即可实现晶粒尺寸1μm～4μm超细晶TA18挤压管的生产，加工方法简单，不依赖设备及模具，有效提高了成品率及降低了成本，适用于TA18钛合金小口径超细晶挤压管的批量生产。

4、本发明采用的原料TA18棒来源于锻棒、轧棒或挤压棒，选择范围广，扩大了本发明的适用范围。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的TA18钛合金小口径超细晶挤压管的SEM显微组织图。

图2为本发明实施例2制备的TA18钛合金小口径超细晶挤压管的SEM显微组织图。

图3为本发明实施例3制备的TA18钛合金小口径超细晶挤压管的SEM显微组织图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TA18钛合金棒坯进行机械加工得到规格外径×内径×长度为60mm×19mm×200mm的TA18钛合金挤压坯料；所述TA18钛合金棒坯为满足GB/T 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中A1级要求的锻棒，所述TA18钛合金挤压坯料的入模端需进行倒直角边长度20mm、45°斜角；

步骤二、将步骤一得到的TA18钛合金挤压坯料的外表面采用厚度δ0.8mm的紫铜板包覆，内壁采用规格直径×壁厚为19mm×1mm的紫铜管包覆，得到外径小于65mm的TA18钛合金包覆挤压坯料；

步骤三、将步骤二中得到的TA18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至845℃并保温5min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到外径×壁厚为25mm×4.5mm的TA18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中采用直径65mm的挤压筒，控制挤压比为10.7，挤压速度为150mm/s。

将本实施例得到的TA18钛合金小口径超细晶挤压管装入电阻炉中在680℃下保温10min进行热处理，然后进行显微组织检测，结果如图1所示。

图1为本实施例制备的TA18钛合金小口径超细晶挤压管的SEM显微组织图，从图1可以看出，该TA18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为4.01μm。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TA18钛合金棒坯进行机械加工得到规格外径×内径×长度为60mm×15mm×200mm的TA18钛合金挤压坯料；所述TA18钛合金棒坯为满足GB/T 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中A1级要求的轧棒，所述TA18钛合金挤压坯料的入模端需进行倒直角边长度20mm、45°斜角；

步骤二、将步骤一得到的TA18钛合金挤压坯料的外表面采用厚度δ0.8mm的紫铜板包覆，内壁采用规格直径×壁厚为15mm×1mm的紫铜管包覆，得到外径小于65mm的TA18钛合金包覆挤压坯料；

步骤三、将步骤二中得到的TA18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至820℃并保温10min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到外径×壁厚为20mm×4mm的TA18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中采用直径65mm的挤压筒，控制挤压比为15.9，挤压速度为130mm/s。

将本实施例得到的TA18钛合金小口径超细晶挤压管装入电阻炉中在680℃下保温10min进行热处理，然后进行显微组织检测，结果如图2所示。

图2为本实施例制备的TA18钛合金小口径超细晶挤压管的SEM显微组织图，从图2可以看出，该TA18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为2.04μm。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将TA18钛合金棒坯进行机械加工得到规格外径×内径×长度为60mm×13mm×120mm的TA18钛合金挤压坯料；所述TA18钛合金棒坯为满足GB/T 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中A1级要求的挤压棒，所述TA18钛合金挤压坯料的入模端需进行倒直角边长度20mm、45°斜角；

步骤二、将步骤一得到的TA18钛合金挤压坯料的外表面采用厚度δ0.8mm的紫铜板包覆，内壁采用规格直径×壁厚为13mm×1mm的紫铜管包覆，得到外径小于65mm的TA18钛合金包覆挤压坯料；

步骤三、将步骤二中得到的TA18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至800℃并保温10min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到外径×壁厚为16mm×3mm的TA18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中采用直径65mm的挤压筒，控制挤压比为26.4，挤压速度为120mm/s。

将本实施例得到的TA18钛合金小口径超细晶挤压管装入电阻炉中在680℃下保温10min进行热处理，然后进行显微组织检测，结果如图3所示。

图3为本实施例制备的TA18钛合金小口径超细晶挤压管的SEM显微组织图，从图3可以看出，该TA18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为1.09μm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将TA18钛合金棒坯进行机械加工得到TA18钛合金挤压坯料；

步骤二、将步骤一得到的TA18钛合金挤压坯料采用紫铜包覆得到TA18钛合金包覆挤压坯料；

步骤三、将步骤二中得到的TA18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至800℃～845℃并保温5min～10min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到TA18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中控制挤压比为10.7～26.4，挤压速度为120mm/s～150mm/s。

2.根据权利要求1所述的一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤一中所述TA18钛合金棒坯为满足GB/T 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中A1级要求的锻棒、轧棒或挤压棒。

3.根据权利要求1所述的一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述TA18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为1μm～4μm。

4.根据权利要求1所述的一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述TA18钛合金小口径超细晶挤压管的规格外径×壁厚为(16mm～25mm)×(3mm～4.5mm)。

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