CN116987992A - 一种大厚度钛合金板坯的加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及钛合金热加工成型技术领域，公开了一种大厚度钛合金板坯的加热方法，包括：将板坯冷装入炉，在炉温≤200℃的条件下，以第一升温速率升温至第一温度并保温，第一温度处于再结晶温度区间；以第二升温速率进一步升温至第二温度并保温，第二温度处于两相区板坯上部温度区间；以第二升温速率升温至第三温度并保温；检测板坯材料的相变点温度Tβ，第一温度、第二温度以及第三温度的温度值为（Tβ‑180）℃~（Tβ‑25）℃并依次升高，第一升温速率大于第二升温速率，预热阶段、均热阶段的保温时间基于板坯厚度计算。本发明的方法控制板坯各部位温度处于最合理的温度区间，保障了轧制工序全断面组织的均匀化和一致性控制。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金热加工成型技术领域，尤其涉及一种大厚度钛合金板坯的加热方法。
背景技术
随着我国在海洋工程领域的大力发展，对于水上和水下装备的更新换代升级已提上日程，而在海洋苛刻的服役环境条件下，对于材料的综合性能有着极高的要求。钛合金作为一种优质的结构金属材料，同时具有着优异的耐蚀性，是未来发展海洋工程的首选材料。钛合金板材是应用最为广泛的一种材型，从厚度上可以分为薄板、中板和厚板，而在海洋工程领域应用的多为大规格厚板，甚至厚度规格大于80mm的超厚板，而对于钛合金的热加工生产，制备大截面、大厚度、大单重的钛合金材料，受温度区间、变形量等因素限制，难以实现断面组织性能的一致性控制，这也是目前各钛材企业面临突破的技术难题。
对于大厚度钛合金板材的轧制生产，对轧制用板坯的制备采用特别的锻造方式，通过单相区和两相区的多次镦拔锻造，有效破碎粗大晶粒，实现板坯组织的细小化和均匀化预制，有利于后续轧制工序板材组织的目标控制。对于已完成组织预制的大厚度板坯，轧制过程的加热工艺执行需要特别关注，不合理的加热工艺将导致组织恶化，破坏锻造过程预制组织。
因此，现有技术中存在对大厚度钛合金板坯的加热方法改进的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种大厚度钛合金板坯的加热方法，本发明针对轧制40mm以上厚度钛合金板材的大单重板坯的加热过程，制定了升温和保温过程的工艺控制方案，控制板坯各部位温度处于最合理的温度区间，保障了轧制工序全断面组织的均匀化和一致性控制，为钛合金厚板的轧制制备提供了前提条件保障。
基于上述目的，本发明实施例的提供了一种大厚度钛合金板坯的加热方法，包括以下步骤：
预热阶段：将板坯冷装入炉，在炉温≤200℃的条件下，以第一升温速率进行升温至第一温度并进行保温，第一温度处于再结晶温度区间；
均热阶段：以第二升温速率进一步升温至第二温度，并在第二温度下对板坯进行保温，第二温度处于两相区板坯上部温度区间；
升温出炉阶段：以第二升温速率升温至第三温度，并在第三温度下对板坯进行保温；
检测板坯材料的相变点温度Tβ℃，第一温度、第二温度以及第三温度的温度值为（Tβ-180）℃~（Tβ-25）℃并依次升高，第一升温速率大于第二升温速率，预热阶段、均热阶段的保温时间基于板坯厚度计算。
在一些实施方式中，第一升温速率为230~250℃/h，第二升温速率为70~90℃/h。
在一些实施方式中，第一温度为（Tβ-180）~（Tβ-170）℃，第二温度为（Tβ-40）~（Tβ-30）℃，第三温度为（Tβ-30）~（Tβ-25）℃。
在一些实施方式中，第一温度为（Tβ-180）℃，第二温度为（Tβ-40）℃，第三温度为（Tβ-30）℃。
在一些实施方式中，板坯的厚度为H mm，预热阶段的保温时间为（0.8*H）min。
在一些实施方式中，板坯的厚度为H mm，均热阶段的保温时间为（0.0085H2-3.19H+622.8）min。
在一些实施方式中，升温出炉阶段的保温时间为20~40min。
在一些实施方式中，板坯的厚度为220~360mm，重量为4~5.5吨。
在一些实施方式中，相变温度通过金相法测试获取。
在一些实施方式中，采用室式电加热炉进行加热。
本发明至少具有以下有益技术效果：
本发明针对钛合金厚板轧制工序中板坯的加热工艺和方法，采用室式电加热炉，掌握电炉炉膛各区温度精度情况以及炉温与料温的差异性情况，依此设计待轧制板坯的阶梯式保温/升温方式，控制板坯上部温度、心部温度和下部温度，形成一个合理的温度梯度，保障了轧制工序全断面组织的均匀化和一致性控制，为钛合金厚板的轧制制备提供了前提条件保障。
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实施例。
图1为本发明提供的钛合金板坯埋偶测温试验数据图；
图2为本发明提供的大单重钛合金板坯加热工艺参数设计图；
图3为本发明提供的实施例1的TA17厚板全断面组织金相图；
其中，图（a）为1/8位置；图（b）为1/4位置；图（c）为1/2位置；图（d）为3/4位置；图（e）为7/8位置；
图4为本发明提供的实施例2的TC4厚板全断面组织金相图；
其中，图（a）为1/8位置；图（b）为1/4位置；图（c）为1/2位置；图（d）为3/4位置；图（e）为7/8位置；
图5为本发明提供的实施例3的TC6厚板全断面组织金相图；
其中，图（a）为1/8位置；图（b）为1/4位置；图（c）为1/2位置；图（d）为3/4位置；图（e）为7/8位置。
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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
此外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明针对钛合金厚板轧制工序中板坯的加热工艺和方法，采用室式电加热炉，首先采用埋偶测温方式，掌握电炉炉膛各区温度精度情况以及炉温与料温的差异性情况，结果如附图1，其中，同板1和同板2为板坯不同位置点的温度曲线，该位置的选择依据实际需求选择测温位置即可，垫铁位置温度曲线为加热炉内炉气温度变化，厚度表面、中心以及底部的温度为沿板坯厚度方向在板坯的表面位置、中心位置以及底部的温度变化，炉腔温度为加热炉的设置温度。依此设计待轧制板坯的阶梯式保温/升温方式，控制板坯上部温度、心部温度和下部温度，形成一个合理的温度梯度，加热工艺参数设计如附图2，保障轧制过程板型控制和组织控制要求，最终轧制获得40~80mm厚度规格的钛合金板材。
本发明的加热方法针对40~80mm厚度规格的厚板轧制制备，板坯厚度通常为220~360mm，单重4~5.5吨，采用金相法测试材料的相变点温度，为加热温度设置提供依据，具体包括如下步骤：
预热阶段：将板坯冷装入炉，在炉温≤200℃的条件下，以第一升温速率进行升温至第一温度并进行保温，第一温度处于再结晶温度区间；
均热阶段：以第二升温速率进一步升温至第二温度，并在第二温度下对板坯进行保温，第二温度处于两相区板坯上部温度区间；
升温出炉阶段：以第二升温速率升温至第三温度，并在第三温度下对板坯进行保温；
检测板坯材料的相变点温度Tβ℃，第一温度、第二温度以及第三温度的温度值为（Tβ-180）℃~（Tβ-25）℃并依次升高，第一升温速率大于第二升温速率，预热阶段、均热阶段的保温时间基于板坯厚度H计算。
进一步地，第一升温速率为230~250℃/h，第二升温速率为70~90℃/h。第一温度为（Tβ-180）~（Tβ-170）℃，第二温度为（Tβ-40）~（Tβ-30）℃，第三温度为（Tβ-30）~（Tβ-25）℃。
进一步地，在板坯装炉预热阶段：采用冷装入炉方式，在炉温≤200℃的条件下，将板坯装入电加热炉，以随炉升温方式，对板坯进行预热。工艺为：升温速率240℃/h，保温温度为（Tβ-180）℃，保温时间为（0.8*H）min；对冷态的大厚度板坯进行随炉升温，采用快速升温，然后在再结晶温度区间进行长时间预热，可以将板坯整体温度提升到两相区下部温度区间，该温度区间长时间保温不影响组织形态，同时可以预防板坯内外温差大导致内应力开裂的情况。
进一步地，在板坯均热阶段：完成预热后，升温至均热温度，对板坯进行保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为（Tβ-40）℃，保温时间为（0.0085H2-3.19H+622.8）min，在两相区上部温度区间对板坯进行均热，可以满足轧制变形需要，两相区变形可以获得综合性能优异的等轴组织或双态组织。保温时间经过设计和计算，受板坯自身导热特点和炉膛温度分布特点影响，板坯上部热量吸收高于板坯下部，因此板坯上部会首先达到炉膛温度，在适当的保温时间点停止加热，可以使得板坯心部和下部温度较上部低20~30℃，在厚度方向上形成温度梯度，一方面有利于预防轧制过程翘头问题，另一方面预防心部温升超过相变点的情况出现，避免心部组织类型发生变化；本发明采用数学模型计算，通过埋偶测温试验的数据进行修正，确立了最佳保温时间和板坯厚度的关系为0.0085H2-3.19H+622.8。
进一步地，在板坯升温出炉阶段：在完成均热阶段后，采用升温出炉方式，对板坯再次进行短时间保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为（Tβ-30）℃，保温时间20min，提高炉膛温度10℃，进行20min的短时间保温，可以提高板坯表面层温度，抵消出炉后表面温度的散失，进一步保障轧制开轧温度。
进一步地，在出炉轧制阶段：对板坯出炉进行轧制，采用一火轧制工艺，将大单重板坯轧制为40~80mm厚度规格厚板。
下面结合具体实施例对本发明进一步描述。
实施例1
①采用厚度规格285mm的TA17钛合金板坯，轧制厚度规格45mm的宽厚板产品，板坯单重4.75吨，相变温度通过金相法测试为976℃；
②采用室式电加热炉对板坯进行预热，冷装入炉方式，装炉温度为室温，板坯升温方式为随炉升温，升温速率240℃/h，保温温度为796℃，保温时间为228min；
③完成步骤②的预热后，将炉温设置为均热温度，对板坯进行保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为936℃，保温时间为404min；
④在完成步骤③的均热阶段后，采用升温出炉方式，对板坯再次进行短时间保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为946℃，保温时间20min；
⑤对完成步骤④的板坯出炉进行轧制，采用一火轧制工艺，将加热完成的TA17板坯轧制为45mm厚度规格厚板，轧制过程最大道次变形量28%，轧制总道次15道次。
对完成轧制和热处理的TA17厚板进行全断面组织均匀性评价，在厚度的1/8、1/4、1/2、3/4、7/8位置，分别取样进行组织评价，结果如附图3，其中，图（a）为1/8位置；图（b）为1/4位置；图（c）为1/2位置；图（d）为3/4位置；图（e）为7/8位置，可以看出，该工艺条件下，TA17厚板的全断面组织均为等轴组织，心部与表层组织类型及晶粒尺寸无明显差异，表明全断面组织均匀性控制效果良好。
实施例2
①采用厚度规格316mm的TC4钛合金板坯，轧制厚度规格58mm的宽厚板产品，板坯单重5.2吨，相变温度通过金相法测试为985℃；
②采用室式电加热炉对板坯进行预热，冷装入炉方式，装炉温度为室温，板坯升温方式为随炉升温，升温速率240℃/h，保温温度为805℃，保温时间为253min；
③完成步骤②的预热后，将炉温设置为均热温度，对板坯进行保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为945℃，保温时间为464min；
④在完成步骤③的均热阶段后，采用升温出炉方式，对板坯再次进行短时间保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为955℃，保温时间20min；
⑤对完成步骤④的板坯出炉进行轧制，采用一火轧制工艺，将加热完成的TC4板坯轧制为58mm厚度规格厚板，轧制过程最大道次变形量24%，轧制总道次14道次。
对完成轧制和热处理的TC4厚板进行全断面组织均匀性评价，在厚度的1/8、1/4、1/2、3/4、7/8位置，分别取样进行组织评价，结果如附图4，其中，图（a）为1/8位置；图（b）为1/4位置；图（c）为1/2位置；图（d）为3/4位置；图（e）为7/8位置，可以看出，该工艺条件下，TC4厚板的全断面组织均为等轴组织和双态组织，心部与表层组织类型及晶粒尺寸无明显差异，表明全断面组织均匀性控制效果良好。
实施例3
①采用厚度规格345mm的TC6钛合金板坯，轧制厚度规格65mm的宽厚板产品，板坯单重5.5吨，相变温度通过金相法测试为1021℃；
②采用室式电加热炉对板坯进行预热，冷装入炉方式，装炉温度为室温，板坯升温方式为随炉升温，升温速率240℃/h，保温温度为841℃，保温时间为276min；
③完成步骤②的预热后，将炉温设置为均热温度，对板坯进行保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为981℃，保温时间为534min；
④在完成步骤③的均热阶段后，采用升温出炉方式，对板坯再次进行短时间保温，工艺为：升温速率80℃/h，保温温度为991℃，保温时间20min；
⑤对完成步骤④的板坯出炉进行轧制，采用一火轧制工艺，将加热完成的TC6板坯轧制为65mm厚度规格厚板，轧制过程最大道次变形量32%，轧制总道次15道次。
对完成轧制和热处理的TC6厚板进行全断面组织均匀性评价，在厚度的1/8、1/4、1/2、3/4、7/8位置，分别取样进行组织评价，结果如附图5，其中，图（a）为1/8位置；图（b）为1/4位置；图（c）为1/2位置；图（d）为3/4位置；图（e）为7/8位置，可以看出，该工艺条件下，TC6厚板的全断面组织均为等轴组织和双态组织，心部组织晶粒度略大于表层组织，整体上全断面组织均匀性控制效果良好，可以满足相关指标要求。
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。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，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。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。
上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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，并存在如上的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)
1.一种大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，包括：
预热阶段：将板坯冷装入炉，在炉温≤200℃的条件下，以第一升温速率进行升温至第一温度并进行保温，所述第一温度处于再结晶温度区间；
均热阶段：以第二升温速率进一步升温至第二温度，并在所述第二温度下对所述板坯进行保温，所述第二温度处于两相区板坯上部温度区间；
升温出炉阶段：以第二升温速率升温至第三温度，并在所述第三温度下对所述板坯进行保温；
检测板坯材料的相变点温度Tβ℃，所述第一温度、所述第二温度以及所述第三温度的温度值为（Tβ-180）℃~（Tβ-25）℃并依次升高，所述第一升温速率大于第二升温速率，所述预热阶段、均热阶段的保温时间基于板坯厚度计算。
2.根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述第一升温速率为230~250℃/h，所述第二升温速率为70~90℃/h。
3.根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述第一温度为（Tβ-180）~（Tβ-170）℃，所述第二温度为（Tβ-40）~（Tβ-30）℃，所述第三温度为（Tβ-30）~（Tβ-25）℃。
4.根据权利要求3所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述第一温度为（Tβ-180）℃，所述第二温度为（Tβ-40）℃，所述第三温度为（Tβ-30）℃。
5. 根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述板坯的厚度为H mm，所述预热阶段的保温时间为（0.8*H）min。
6. 根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述板坯的厚度为H mm，所述均热阶段的保温时间为（0.0085H2-3.19H+622.8）min。
7.根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述升温出炉阶段的保温时间为20~40min。
8.根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述板坯的厚度为220~360mm，重量为4~5.5吨。
9.根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，所述相变点温度Tβ℃通过金相法测试获取。
10.根据权利要求1所述的大厚度钛合金板坯的加热方法，其特征在于，采用室式电加热炉进行加热。
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