CN116921492A - 一种厚壁钛合金管材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厚壁钛合金管材的制备方法，属于钛合金管材制造技术领域。该厚壁钛合金管材的制备方法包括以下步骤：步骤1）：获得钛合金挤压坯料，将钛合金挤压坯料放置于挤压机上进行挤压；步骤2）：对步骤1）中挤压出模具的钛合金荒管的内壁通过冷却装置喷冷却介质进行冷却；步骤3）：步骤2）中钛合金荒管停止用冷却装置冷却后，继续在辊道上空冷至室温；步骤4）：步骤3）中钛合金荒管依次进行退火、矫直、机加、酸洗后形成外径80～150mm、壁厚20～60mm的钛合金成品管。本发明的厚壁钛合金管材的制备方法是在热挤压工序的基础上，对挤压出模具的钛合金荒管的内壁通过冷却介质加速冷却过程，从而提升钛合金管材整体力学性能。
Description
技术领域
本发明属于钛合金管材制造技术领域，具体涉及一种厚壁钛合金管材的制备方法。
背景技术
TA15钛合金是一种近α型钛合金，具有高强度、高热稳定性和良好的可焊性及加工性能，可被制备成板材、型材及管材等产品，主要应用于飞机发动机叶片、机身结构件等。
由于TA15合金强度高，其管材加工存在一定困难性和局限性。目前钛合金管材的制备通常采用挤压或轧制方式。对于大规格、厚壁的钛合金管材，其挤压工序的流程短、变形量大、成材率高，因此大规格TA15管材广泛采用挤压成型。但钛合金在挤压过程中，挤压坯与挤压模具由于变形产生大量热能，合金内部，尤其是管坯内壁升温严重，导致成品管中出现魏氏组织等异常组织；而且在高温作用下钛合金表面润滑包套易破损，造成内外表面裂纹等质量问题。尤其对于大规格、厚壁钛合金管材，由于内外壁升温速率和冷却速率差异较大，造成挤压管内外壁组织差异明显，从而导致钛合金管材性能波动，对钛合金管材的应用产生潜在威胁。
基于以上，有必要开发一种大规格、厚壁的钛合金管材制备方法，该方法可以有效减少魏氏组织等异常组织并显著提升钛管表面质量和性能稳定性，提高管材成材率。
发明内容
基于此，为了弥补现有大规格、厚壁的钛合金管材制备方法的不足，提供一种厚壁钛合金管材的制备方法，该方法通过对挤压钛合金管内壁实施快速控制冷却，优化了钛合金管原有挤压工序后的空冷工艺，可以有效减少魏氏组织等异常组织，提升管材整体性能和表面质量。
为了实现上述目的，采用以下技术方案：
本发明提供一种厚壁钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）：获得钛合金挤压坯料，将钛合金挤压坯料和挤压模具表面均匀涂抹耐高温玻璃润滑剂后，放置于挤压机上进行挤压；
步骤2）：对步骤1）中挤压出模具的钛合金荒管的内壁通过冷却装置喷冷却介质进行冷却；
步骤3）：步骤2）中钛合金荒管停止用冷却装置冷却后，继续在辊道上空冷至室温；
步骤4）：步骤3）中钛合金荒管依次进行退火、矫直、机加、酸洗后形成外径80～150mm、壁厚20～60mm的钛合金成品管。
在一些实施例中，步骤2）中，钛合金荒管的冷却速度为60～150℃/min，待钛合金荒管的内壁冷却至温度为600～700℃后停止冷却。
在一些实施例中，步骤1）中的“获得钛合金挤压坯料”包括以下步骤：
步骤a）：钛合金铸锭开坯后，在两相区经过不少于4火次镦拔锻造得到棒坯；
步骤b）：对步骤a）中的钛合金棒坯进行钻孔、机加，得到钛合金挤压管坯；
步骤c）：将步骤b）中钛合金挤压管坯内外表面采用紫铜包覆，得到钛合金挤压坯料。
在一些实施例中，步骤a）得到的棒坯直径为150～250mm。
在一些实施例中，步骤1）中钛合金挤压坯料的挤压温度为850～950℃，挤压速度为80～100mm/s。
在一些实施例中，步骤2）中冷却装置包括输送冷却介质的内置管道，所述内置管道伸入钛合金荒管内；所述内置管道周向地设置若干喷孔以用于喷出冷却介质至钛合金荒管的内壁，所述内置管道的外径小于钛合金荒管的内径。
在一些实施例中，内置管道的外径比钛合金荒管的内径小30mm～50mm。
在一些实施例中，步骤2）中冷却介质为压缩空气或水雾。
在一些实施例中，步骤4）中钛合金荒管的退火过程为：退火温度为800～850℃，保温时间为1.5～2h。
在一些实施例中，钛合金管材为TA15钛合金。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明厚壁钛合金管材的制备方法主要是在热挤压工序的基础上，对挤压出模具的钛合金荒管的内壁通过冷却介质加速冷却过程，不仅使成品管内外壁组织更加均匀，而且通过快速冷却，有效减少魏氏组织等异常组织，减少β转变的次生组织片层厚度，从而提升钛合金管材整体力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一实施例的厚壁钛合金管材的制备方法的流程图；
图2为本发明的一实施例的挤压及冷却过程的装置局部示意图。
附图标记列表
1-钛合金挤压坯料；2-挤压模具；3-钛合金荒管；4-内置管道；5-喷孔；6-钛合金荒管内壁。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。显然，所描述的实施例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。
通常钛合金管材的冷却速率能显著影响其β转变片层组织特征，包括片层厚度和集束尺寸。随着冷却速率提高，组织片层厚度和集束尺寸减少，（α+β）片状相组织的强度、硬度提高。
本发明的实施例的大规格厚壁TA15钛合金管材经过热挤压后直接通过冷却机构对挤压管内壁加速冷却，提升了管材整体冷却速率，由此提高厚壁钛管内外壁组织均匀性，同时提升TA15钛合金管材的强韧性。
如图1示出了本发明实施例的厚壁钛合金管材的制备方法的方法流程图，如图2示出了本发明实施例的挤压及冷却过程的装置局部示意图。
图1示出的厚壁钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100：获得TA15钛合金挤压坯料1，将TA15钛合金挤压坯料1和挤压模具2表面均匀涂抹耐高温玻璃润滑剂后放置于挤压机上进行挤压；
步骤S200：对步骤S100中挤压出模具的TA15钛合金荒管3的内壁通过冷却装置喷冷却介质进行冷却；其中，挤压出模具的TA15钛合金荒管置于室温下；
步骤S300：步骤S200中TA15钛合金荒管停止用冷却装置冷却后，继续在辊道上空冷至室温；
步骤S400：步骤S300中TA15钛合金荒管依次进行退火、矫直、机加、酸洗后形成外径80～150mm、壁厚20～60mm的TA15钛合金成品管。
步骤S100中的“获得TA15钛合金挤压坯料”包括以下步骤：
步骤a）：TA15钛合金铸锭开坯后，在两相区经过不少于4火次镦拔锻造得到棒坯；
步骤b）：对步骤a）中的TA15钛合金棒坯进行钻孔、机加，得到钛合金挤压管坯；
步骤c）：将步骤b）中TA15钛合金挤压管坯内外表面采用紫铜包覆，得到钛合金挤压坯料。
在一种可选实施方式中，步骤S200中，钛合金荒管的冷却速度为60～150℃/min，待钛合金荒管的内壁冷却至温度为600～700℃后停止冷却。
在一种可选实施方式中，步骤a）得到的棒坯直径为150～250mm。
在一种可选实施方式中，步骤S100中TA15钛合金挤压坯料的挤压温度为850～950℃，挤压速度为80～100mm/s。
在一种可选实施方式中，步骤S200中冷却装置包括输送冷却介质的内置管道4以及连接至内置管道4的制冷装置，该制冷装置及其结构可以是本领域常规使用的制冷装置。如图2所示，为了对钛合金荒管内壁6进行冷却，内置管道4伸入钛合金荒管3内，因此，内置管道4的外径小于钛合金荒管3的内径；内置管道4周向设置若干喷孔5以用于喷出冷却介质至钛合金荒管内壁6，冷却介质的路径为进入内置管道4，从喷孔5中喷向钛合金荒管内壁6，在钛合金荒管内壁6于与内置管道4的外壁之间运动，最终从钛合金荒管3的开口端排出。
优选地，内置管道的外径比钛合金荒管的内径小30mm～50mm。这样钛合金荒管内壁于与内置管道存在一定的间隔空间，保证了冷却介质的运动以及留存时间，提高了冷却效果。
在一种可选实施方式中，步骤S200中冷却介质为压缩空气或水雾。
在一种可选实施方式中，步骤S400中TA15钛合金荒管的退火过程为：退火温度为800～850℃，保温时间为1.5～2h。
耐高温玻璃润滑剂是本领域常规使用的耐高温玻璃润滑剂。
实施例1
（1）TA15钛合金铸锭开坯后，在两相区经过4火次镦拔锻造得到ф220mm棒坯。
（2）对步骤（1）中的TA15钛合金棒坯进行钻孔、机加，得到钛合金挤压管坯。
（3）将步骤（2）中TA15管坯内外表面采用紫铜包覆，得到钛合金挤压坯料。
（4）步骤（3）中TA15挤压坯和挤压模具表面均匀涂抹耐高温玻璃润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，挤压温度950℃，挤压速度100mm/s。
（5）对步骤（4）中TA15挤压出模具的荒管内壁通过冷却机构喷风进行冷却，控制钛管内壁冷却速度100℃/min，待荒管内壁冷却至温度为650℃后停止冷却。
（6）步骤（5）中TA15钛合金荒管继续在辊道上空冷至室温。
（7）对步骤（6）中TA15钛合金荒管进行退火，退火温度850℃，保温时间1.5h，退火后对钛管依次进行矫直、机加、酸洗后形成外径ф100mm、壁厚20mm的TA15钛合金成品管。
实施例2
（1）TA15钛合金铸锭开坯后，在两相区经过4火次镦拔锻造得到ф250mm棒坯。
（2）对步骤（1）中的TA15钛合金棒坯进行钻孔、机加，得到钛合金挤压管坯。
（3）将步骤（2）中TA15管坯内外表面采用紫铜包覆，得到钛合金挤压坯料。
（4）步骤（3）中TA15挤压坯和挤压模具表面均匀涂抹耐高温玻璃润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，挤压温度850℃，挤压速度80mm/s。
（5）对步骤（4）中TA15挤压出模具的荒管内壁通过冷却机构喷水雾进行冷却，控制钛管内壁冷却速度150℃/min，待荒管内壁冷却至温度为700℃后停止冷却。
（6）步骤（5）中TA15钛合金荒管继续在辊道上空冷至室温。
（7）对步骤（6）中TA15钛合金荒管进行退火，退火温度800℃，保温时间2h，退火后对钛管依次进行矫直、机加、酸洗后形成外径ф125mm、壁厚30mm的TA15钛合金成品管。
对比例1
（1）TA15钛合金铸锭开坯后，在两相区经过3火次镦拔锻造得到ф200mm棒坯。
（2）对步骤（1）中的TA15钛合金棒坯进行钻孔、机加，得到钛合金挤压管坯。
（3）步骤（2）中TA15挤压坯和挤压模具表面均匀涂抹耐高温玻璃润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，挤压温度900℃，挤压速度90mm/s。
（4）步骤（3）中的TA15挤压荒管置于辊道上空冷至室温。
（5）对步骤（4）中TA15钛合金荒管进行退火，退火温度850℃，保温时间1h，退火后对钛管依次进行矫直、机加、酸洗后形成外径ф90mm、壁厚25mm的TA15钛合金成品管。
实施例1-2和对比例的TA15钛合金成品管的拉伸性能如下表1所示。
其中，Rp0.2是代表屈服强度。Rp0.2规定非比例延伸率为0.2%时的延伸强度。屈服强度是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。Rm是抗拉强度，指试件拉断前单位面积上承受的最大应力。A是代表延伸率。
表1 TA15 钛合金管的拉伸性能
由表1的结果可知，实施例1-2的Rp0.2、Rm和A均高于对比例1的各项性能，说明本发明的制备方法很好的控制了钛合金荒管内外壁的冷却速率。相比于空冷的对比例1，本发明的制备方法通过快速冷却，有效减少魏氏组织等异常组织，减少β转变的次生组织片层厚度，从而提升钛合金管材整体力学性能。
本发明的制备方法生产的挤压管降低了高温挤压包套破损的可能性，内外壁表面质量良好，机加工损耗小，成材率高。实现了高组织均匀性、高力学性能、高成材率的大规格厚壁TA15钛合金管材的生产。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）：获得钛合金挤压坯料，将钛合金挤压坯料放置于挤压机上进行挤压；
步骤2）：对所述步骤1）中挤压出模具的钛合金荒管的内壁通过冷却装置喷冷却介质进行冷却；
步骤3）：所述步骤2）中钛合金荒管停止用冷却装置冷却后，继续在辊道上空冷至室温；
步骤4）：所述步骤3）中钛合金荒管依次进行退火、矫直、机加、酸洗后形成外径80～150mm、壁厚20～60mm的钛合金成品管。
2.根据权利要求1所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，钛合金荒管的冷却速度为60～150℃/min，待钛合金荒管的内壁冷却至温度为600～700℃后停止冷却。
3.根据权利要求1所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的获得钛合金挤压坯料包括以下步骤：
步骤a）：钛合金铸锭开坯后，在两相区经过不少于4火次镦拔锻造得到棒坯；
步骤b）：对所述步骤a）中的钛合金棒坯进行钻孔、机加，得到钛合金挤压管坯；
步骤c）：将所述步骤b）中钛合金挤压管坯内外表面采用紫铜包覆，得到钛合金挤压坯料。
4.根据权利要求3所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤a）得到的棒坯直径为150～250mm。
5.根据权利要求1所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中钛合金挤压坯料的挤压温度为850～950℃，挤压速度为80～100mm/s。
6.根据权利要求1所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中冷却装置包括输送冷却介质的内置管道，所述内置管道伸入钛合金荒管内；所述内置管道周向地设置若干喷孔以用于喷出冷却介质至钛合金荒管的内壁，所述内置管道的外径小于钛合金荒管的内径。
7.根据权利要求6所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，内置管道的外径比钛合金荒管的内径小30mm～50mm。
8.根据权利要求1所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中冷却介质为压缩空气或水雾。
9.根据权利要求1所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中钛合金荒管的退火过程为：退火温度为800～850℃，保温时间为1.5～2h。
10.根据权利要求1-9任一项所述的厚壁钛合金管材的制备方法，其特征在于，钛合金管材为TA15钛合金。
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