CN115890137A - 一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，涉及金属管材加工技术领域。该高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，包括包括以下步骤：S1.Ti合金棒材坯料制备将Ti合金材料采用真空感应熔炼、真空电子束炉熔炼或等离子体炉熔炼等技术进行一次熔炼,然后采用真空电子束炉或者等离子体炉熔炼技术对一次铸锭进行二次熔炼。本发明提供一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，该钛合金管材的径向织构明显增强，原始材料中的切向织构也转变为径向织构，微观组织和力学性能对应，具有径向织构的管材在双轴拉伸下具有更高的强度，更好的抗壁厚减薄能力及优异的疲劳性能，使该钛合金管更加轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及金属管材加工技术领域，具体为一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺。
背景技术
钛材具有记忆性、超导性、高比强、高耐蚀、亲生物、高低温性能等优良特性，被称为第三金属、海洋金属、航空金属和未来金属，钛金属被广泛应用于航空、航天、化工、石油、化学、电力、冶金、医药以及海洋工程、地热工程、制冷工程、体育、旅游等领域，随着这些行业的产业升级换代，国家经济实力逐步增强，钛材日益明显地成为工程技术和高科技领域中的关键材料和支撑材料，其中钛合金无缝管的使用率在以上领域占有相当大的比例，例如：飞机发动机压气机部件、火箭、导弹和高速飞机的结构件、电解工业的电极、发电站的冷凝器、石油精炼和海水淡化的加热器等。
当前在室温下轧制的钛及钛合金管材，尤其是薄壁管材，其管材的品种绝大多数是纯钛，少部分是在600MPa以下的低强度、高塑性的低合金化钛合金管材，强度超过800MPa的高强度钛合金管材如TC4、TC10等合金只能先用热挤压法挤成大直径厚壁的管坯，然后通过内径镗孔和外径磨削或车削等加工方式制成管材，如果需要进一步轧制则会因强度高、塑性差、变形抗力大，而无法在室温下进行轧制，现有的钛合金热轧无缝管的生产工艺还存在诸多缺陷，例如加工效率低、管坯检测效率质量低等问题，这使得钛合金热轧无缝管的质量和产量都难以达到更高的标准。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，解决了目前应用的航空液压管材强度较低和高强度薄壁管材难生产的问题，获得高径向织构，高强度，具有良好塑性的钛合金管材，达到了管坯检测效率质量高，生产加工效率高的效果。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，包括以下步骤：
S1.Ti合金棒材坯料制备
将Ti合金材料采用真空感应熔炼、真空电子束炉熔炼或等离子体炉熔炼等技术进行一次熔炼,然后采用真空电子束炉或者等离子体炉熔炼技术对一次铸锭进行二次熔炼，最后采用空心铸锭结晶器和电磁铸造装置对二次熔炼的合金液进行铸锭成型，得到Ti合金棒材坯料；
S2.棒材坯料表面处理
将Ti合金棒材坯料送入打磨机上进行表面打磨，打磨完成后再进行表面处理，得到表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的Ti合金棒材坯料；
S3.管坯制作
将步骤S2中获得的表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的Ti合金棒材坯料，放入装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在加热炉内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，进行管坯制作，穿孔结束后采用快速空冷的方法降至常温；
S4.管坯扩孔
将步骤S3中穿孔好的管坯装在中频感应推制机的芯杆上，并安装好扩口模具，中频感应加热温度控制在800～850℃，推制进给速度为150mm/min～ 200mm/min，进行扩口，扩口后利用管坯的余温在油压机上进行整型，确保管坯扩孔成型效果后，空冷至室温；
S5.管坯检测与打磨
采用机器视觉检测设备进行管坯的在线检测，去除检测不合格的管坯，然后使用打磨设备对管坯进行修磨；
S6.管材半成品制备
修磨后的管坯送入箱式电阻炉中进行加热，在箱式电阻炉内充入还原性气体或惰性气体，进行防氧化保护，并且加热方式采用分段加热，通过控制升温速度，实现低温慢速加热，高温快速加热方式，使钛铸坯充分均匀加热，然后经过两辊穿孔机进行定位穿孔，制成管材半成品；
S7.管材初轧制
将管材半成品送入复合加热机进行再次加热，并且再次加热温度应使得管材半成品的温度高于900℃，然后进入钛合金管用张减机进行轧制；
S8.管材二次轧制
经过轧制的管材通过加热炉进行热回温，回温温度使得管材半成品的温度高于900℃，回温后的管材半成品进入三辊轧机进行二次轧制；
S9.管材定径和校直
二次轧制后的管材半成品先后送入定径机和矫直机中进行定径和矫直；
S10.制备成品管材
经过定径和矫直之后的管材半成品进入冷却机床进行冷却降温，降温后的管材半成品被送入管材切割机进行定长切割加工，从而获得成品管材；
S11.成品管材质量检测
先对成品管材进行物理外观检查，然后在对管材进行超声波探伤检验、涡流探伤检验、水压气密性试验等检测，并且根据用户的要求，需要进行金相组织检查和力学性能检测的，需要按照相关标准进行金相检查和力学性能检测；
S12.包装入库
将检验合格的成品无缝管材进行打包，然后运入仓库等待后续的出货。
优选的，所述步骤S1中的空心铸锭结晶器中设置有缝隙传递电磁场，对空心铸锭结晶器型腔中的钛及钛合金液进行电磁搅拌，破碎铸锭枝晶、细化铸锭晶粒、改善铸锭塑性。
优选的，所述步骤S2中的表面处理包括采用车床平整管坯两端头，用砂轮去除管坯的表面缺陷，用喷砂和酸洗去除管坯内外表面的氧化皮。
优选的，所述步骤S3中对棒坯的变形量控制在50～70％，管坯壁厚和外径之比为1：7～12，管坯穿孔速度控制在600mm/min～800mm/min。
优选的，所述步骤S6中的分段加热方式包括预热阶段、加热阶段和保温阶段，所述预热阶段的温度为400～500℃，时间为40～90min，所述加热阶段的温度为500～1000℃，时间为50～80min，所述保温阶段的温度为1000～ 1200℃，时间为30～50min，并且管坯出炉温度保持在950～1100℃范围内，在预热阶段和加热阶段之间还设置有20min的保温时间。
优选的，所述步骤S6中的还原性气体或惰性气体为氮气或氩气。
优选的，所述管材半成品的轧制过程为多次轧制，且每次轧制后管材半成品的外壁厚度逐渐递减。
优选的，所述步骤S11中的物理外观检查具体包括管材内外表面的划伤、擦伤、裂纹、气孔、夹渣、金属夹杂，管材表面粗糙度、光洁度，管材椭圆度、壁厚偏差、外径偏差、长度偏差以及管材的直线度等。
(三)有益效果
本发明提供了一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺。具备以下有益效果：
1、本发明提供了一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，在管坯制作时，在空心铸锭结晶器中设置有缝隙传递电磁场，对空心铸锭结晶器型腔中的钛及钛合金液进行电磁搅拌，破碎铸锭枝晶、细化铸锭晶粒、改善铸锭塑性，使铸造的管坯具有组织均匀、细小，化学成分均匀，基本消除了棒材坯料枝晶组织和化学成分偏析，棒材坯料可以直接进行热挤压或者斜轧，省略了轧制开坯工序，缩短了后道加工的工艺流程，降低了生产成本。
2、本发明提供了一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，采用机器视觉检测技术进行管坯的在线检测，再配合后续的管坯打磨过程，可以更加有效地发现管坯存在的缺陷，再配合管坯打磨设备，有助于提高管坯加工前的质量，进而提高钛合金无缝管成品的质量，使成品的质量更加可靠。
3、本发明提供了一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，对箱式电阻炉的加热过程进行了优化，通过不同阶段的加热升温保温方式，降低了钛合金管坯的加热时间，并且加热效果没有降低，从而缩短了整个钛合金无缝管的生产加工时间，有利于提高企业效益。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
本发明实施例提供一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，包括以下步骤：
S1.Ti合金棒材坯料制备
将Ti合金材料采用真空感应熔炼、真空电子束炉熔炼或等离子体炉熔炼等技术进行一次熔炼,然后采用真空电子束炉或者等离子体炉熔炼技术对一次铸锭进行二次熔炼，最后采用空心铸锭结晶器和电磁铸造装置对二次熔炼的合金液进行铸锭成型，得到Ti合金棒材坯料；
S2.棒材坯料表面处理
将Ti合金棒材坯料送入打磨机上进行表面打磨，打磨完成后再进行表面处理，得到表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的Ti合金棒材坯料；
S3.管坯制作
将步骤S2中获得的表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的Ti合金棒材坯料，放入装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在加热炉内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，进行管坯制作，穿孔结束后采用快速空冷的方法降至常温；
S4.管坯扩孔
将步骤S3中穿孔好的管坯装在中频感应推制机的芯杆上，并安装好扩口模具，中频感应加热温度控制在800～850℃，推制进给速度为150mm/min～ 200mm/min，进行扩口，扩口后利用管坯的余温在油压机上进行整型，确保管坯扩孔成型效果后，空冷至室温；
S5.管坯检测与打磨
采用机器视觉检测设备进行管坯的在线检测，去除检测不合格的管坯，然后使用打磨设备对管坯进行修磨；
S6.管材半成品制备
修磨后的管坯送入箱式电阻炉中进行加热，在箱式电阻炉内充入还原性气体或惰性气体，进行防氧化保护，并且加热方式采用分段加热，通过控制升温速度，实现低温慢速加热，高温快速加热方式，使钛铸坯充分均匀加热，然后经过两辊穿孔机进行定位穿孔，制成管材半成品；
S7.管材初轧制
将管材半成品送入复合加热机进行再次加热，并且再次加热温度应使得管材半成品的温度高于900℃，然后进入钛合金管用张减机进行轧制；
S8.管材二次轧制
经过轧制的管材通过加热炉进行热回温，回温温度使得管材半成品的温度高于900℃，回温后的管材半成品进入三辊轧机进行二次轧制；
S9.管材定径和校直
二次轧制后的管材半成品先后送入定径机和矫直机中进行定径和矫直；
S10.制备成品管材
经过定径和矫直之后的管材半成品进入冷却机床进行冷却降温，降温后的管材半成品被送入管材切割机进行定长切割加工，从而获得成品管材；
S11.成品管材质量检测
先对成品管材进行物理外观检查，然后在对管材进行超声波探伤检验、涡流探伤检验、水压气密性试验等检测，并且根据用户的要求，需要进行金相组织检查和力学性能检测的，需要按照相关标准进行金相检查和力学性能检测；
S12.包装入库
将检验合格的成品无缝管材进行打包，然后运入仓库等待后续的出货。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1.Ti合金棒材坯料制备
将Ti合金材料采用真空感应熔炼、真空电子束炉熔炼或等离子体炉熔炼等技术进行一次熔炼,然后采用真空电子束炉或者等离子体炉熔炼技术对一次铸锭进行二次熔炼，最后采用空心铸锭结晶器和电磁铸造装置对二次熔炼的合金液进行铸锭成型，得到Ti合金棒材坯料；
S2.棒材坯料表面处理
将Ti合金棒材坯料送入打磨机上进行表面打磨，打磨完成后再进行表面处理，得到表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的Ti合金棒材坯料；
S3.管坯制作
将步骤S2中获得的表面呈无缺陷、无氧化皮的白亮状态的Ti合金棒材坯料，放入装有中频感应加热炉的斜轧穿孔机轨道后，启动中频感应加热炉使棒坯在8min～10min之内加热到950～1050℃，并在加热炉内保温30min，确保棒坯温度均匀一致，然后通过轨道进入斜轧穿孔机，进行管坯制作，穿孔结束后采用快速空冷的方法降至常温；
S4.管坯扩孔
将步骤S3中穿孔好的管坯装在中频感应推制机的芯杆上，并安装好扩口模具，中频感应加热温度控制在800～850℃，推制进给速度为150mm/min～200mm/min，进行扩口，扩口后利用管坯的余温在油压机上进行整型，确保管坯扩孔成型效果后，空冷至室温；
S5.管坯检测与打磨
采用机器视觉检测设备进行管坯的在线检测，去除检测不合格的管坯，然后使用打磨设备对管坯进行修磨；
S6.管材半成品制备
修磨后的管坯送入箱式电阻炉中进行加热，在箱式电阻炉内充入还原性气体或惰性气体，进行防氧化保护，并且加热方式采用分段加热，通过控制升温速度，实现低温慢速加热，高温快速加热方式，使钛铸坯充分均匀加热，然后经过两辊穿孔机进行定位穿孔，制成管材半成品；
S7.管材初轧制
将管材半成品送入复合加热机进行再次加热，并且再次加热温度应使得管材半成品的温度高于900℃，然后进入钛合金管用张减机进行轧制；
S8.管材二次轧制
经过轧制的管材通过加热炉进行热回温，回温温度使得管材半成品的温度高于900℃，回温后的管材半成品进入三辊轧机进行二次轧制；
S9.管材定径和校直
二次轧制后的管材半成品先后送入定径机和矫直机中进行定径和矫直；
S10.制备成品管材
经过定径和矫直之后的管材半成品进入冷却机床进行冷却降温，降温后的管材半成品被送入管材切割机进行定长切割加工，从而获得成品管材；
S11.成品管材质量检测
先对成品管材进行物理外观检查，然后在对管材进行超声波探伤检验、涡流探伤检验、水压气密性试验等检测，并且根据用户的要求，需要进行金相组织检查和力学性能检测的，需要按照相关标准进行金相检查和力学性能检测；
S12.包装入库
将检验合格的成品无缝管材进行打包，然后运入仓库等待后续的出货。
2.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：所述步骤S1中的空心铸锭结晶器中设置有缝隙传递电磁场，对空心铸锭结晶器型腔中的钛及钛合金液进行电磁搅拌，破碎铸锭枝晶、细化铸锭晶粒、改善铸锭塑性。
3.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：所述步骤S2中的表面处理包括采用车床平整管坯两端头，用砂轮去除管坯的表面缺陷，用喷砂和酸洗去除管坯内外表面的氧化皮。
4.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：所述步骤S3中对棒坯的变形量控制在50～70％，管坯壁厚和外径之比为1：7～12，管坯穿孔速度控制在600mm/min～800mm/min。
5.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：所述步骤S6中的分段加热方式包括预热阶段、加热阶段和保温阶段，所述预热阶段的温度为400～500℃，时间为40～90min，所述加热阶段的温度为500～1000℃，时间为50～80min，所述保温阶段的温度为1000～1200℃，时间为30～50min，并且管坯出炉温度保持在950～1100℃范围内，在预热阶段和加热阶段之间还设置有20min的保温时间。
6.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：所述步骤S6中的还原性气体或惰性气体为氮气或氩气。
7.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：所述管材半成品的轧制过程为多次轧制，且每次轧制后管材半成品的外壁厚度逐渐递减。
8.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺，其特征在于：所述步骤S11中的物理外观检查具体包括管材内外表面的划伤、擦伤、裂纹、气孔、夹渣、金属夹杂，管材表面粗糙度、光洁度，管材椭圆度、壁厚偏差、外径偏差、长度偏差以及管材的直线度等。
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| CN202111160156.2A CN115890137A (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 一种高强度轻量化的钛合金管及其加工工艺 |
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| CN117102273A (zh) * | 2023-10-24 | 2023-11-24 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 钛合金无缝管及提高其旋转弯曲疲劳性能的方法 |
| CN117102273B (zh) * | 2023-10-24 | 2024-02-02 | 成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司 | 钛合金无缝管及提高其旋转弯曲疲劳性能的方法 |
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