CN117418083A - 一种低各向异性的钛合金板材的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低各向异性的钛合金板材的制造方法，涉及钛合金的轧制及热处理的技术领域。该合金成分Al0.1‑11at％，V0‑5at％，Mo0‑6at％，Si0‑0.4at％，B 0‑0.5at％，Y 0‑0.3at％，余量为Ti及不可避免的杂质。所述低各向异性的钛合金板材的制造方法是在钛合金冶炼中添加不同含量的B元素，随后经凝固、热锻造、α再结晶温度区热轧制、α+β区热处理的工序，获得低各向异性的高品质钛合金板材。本发明方法相对于其他传统方法，通过采用控制合金元素的合理配比、轧制工艺与热处理工艺相结合的方式，能够短时高效的生产制备低各向异性的高品质冷轧钛合金板材，降低生产能耗和生产成本，工艺流程简单，利于工业大规模批量化生产和推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金的轧制及热处理的技术领域，尤其涉及一种低各向异性的钛合金板材的制造方法。
背景技术
钛合金因具有比强度高、密度小、抗腐蚀性与其强度稳定性能较好、无磁性等优点，被广泛于航天航空、海洋平台、舰船、化工、医疗等领域，获得了“空中金属”、“第三金属”、“海洋金属”和“智能金属”等美称。
实际生产中，大多采用轧制的方式加工钛合金，由于锻造、挤压和轧制等热机械加工具有细化晶粒、减少缺陷和提高钛合金力学性能的作用。但是轧制或者挤压会导致钛合金各向异性，对板材成形性造成影响，各向异性的出现将对钛合金材料后续加工产生很大的影响，在一定程度上增加了加工难度，板材在冲击过程中会出现制耳现象，不同方向上的力学、耐腐蚀、光学、电磁、甚至核物理等方面的性能表现出显著不同。
一般在轧制工艺中，大多生产都是沿同一方向轧制，为了降低织构强度，大量研究通过换向轧制有效地降低了织构强度。但是这种轧制方式成本高，不利于大规模批量生产。与其它合金材料相比，其成形代价极高，导致其在车辆、体育休闲、建筑等民用领域不能得到广泛应用。
中国专利CN108994077A公开了一种削弱TC4钛合金板材各向异性的轧制方法，其是通过多次换向轧制与热处理相结合的方法，累计轧制道次达到8次；虽然该种方法能够达到降低钛合金板材各向异性的技术目的，但是由于换向和多道次轧制，只能限制于制备一定尺寸的钛合金板，并且制备成本高，不利于大批量生产。
中国专利CN108555281A中公开了降低各向异性的增材制造方法，其是通过添加B粉方法制备的钛合金增材制造产品能够消除原始β柱状晶晶界，降低各向异性，提高塑性，构件经过热处理后原始柱状晶晶界消失，组织均匀细化，最终力学性能各向异性降低；但是其针对的是增材制造的钛合金，其所制备的产品与热轧冷轧制备的钛合金板材在致密度、气孔缺陷、裂纹缺陷方面并不相同，且成型过程会产生有毒粉尘，产品强度也受到限制，缺陷较多，增材制造加工成本高，对实验仪器以及原材料的要求较高，不适用于大批量生产。
中国专利CN111394669A公开了一种减小深冲用纯钛薄板带各向异性的制造方法，其是将热轧或冷轧后的钛板带，加热至β相变温度以上0-40℃，保温0.1-10min后冷却至室温，再在原轧制方向施加最后一个轧程的冷轧变形，之后进行再结晶退火；显然TD方向的屈服强度相比RD方向的较高，断后伸长率也较高，屈服强度差最低也只能达到26.3MPa，即RD时的屈服强度比TD时的屈服强度最低减少了13.82％，降低幅度依然较大，各向异性的消减功用并不理想。
中国专利CN111334731A公开了一种α+β钛合金冷轧板带材控制各向异性方法，需要对α+β钛合金板带材进行1个或多个轧程以及中间退火处理、淬火处理、1-2个轧程轧制和成品退火处理，显然轧制方式和热处理方式复杂，所获得的TC4钛合金板带试样的延伸率RD取样方向相比TD方向降低了11.54％；且其中的轧程为多个轧程，轧制产品的厚度较低，轧制工艺控制复杂，操作难度大，每次轧制完都需要中间退火处理，最后轧制完进行最终退火处理，成本高，效率低，并不适合大批量生产。
综上所述，现有的钛合金由于轧制工艺的特点造成的高强度织构导致各向异性，使得钛产品有很多缺陷，限制了其产品的应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是当前的钛合金板材为了消除各向异性，所采用的轧制方式和热处理方式的成本高、效率低、轧制工艺控制复杂、操作难度大，各向异性的消减功用并不理想，且采用的其他制备方式例如增材制造，会存在所制备的产品与热轧冷轧制备的钛合金板材在致密度、气孔缺陷、裂纹缺陷方面并不相同的技术缺陷，这些方式都不利于大规模批量生产。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种低各向异性的钛合金板材的制造方法，所述低各向异性的钛合金板材的制造方法是在钛合金冶炼中添加不同含量的B元素，随后经凝固、热锻造、α再结晶温度区热轧制、α+β区热处理的工序，获得低各向异性的高品质钛合金板材。
优选地，所述钛合金冶炼中成分选择为近α型或α+β型，如TC4钛合金、TA5钛合金、TC11钛合金及其它钛合金。
优选地，所述添加不同含量的B元素的含量需要根据不同钛合金成分以及不同的工序选择能够使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用以及最大程度降低钛合金板材各向异性来进行选择。
优选地，所述添加不同含量的B元素含量的质量分数为0.002-0.08％。
优选地，所述α再结晶温度区热轧制通过多道次完成所需轧制变形，获得α相再结晶百分数达到80％及以上的低各向异性热轧钛合金板材。
优选地，所述工序还包括α+β区热处理之后的单重或多重的冷轧处理+退火处理。
优选地，所述α+β区热处理中，热处理时β相的比例控制在75-95％，并保温1-20min，控制冷却速度抑制马氏体形成。
优选地，所述单重或多重的冷轧处理+退火处理中，冷轧变形的变形量为20-40％，退火温度为750-820℃，退火时间为5-60min，随后空冷冷却至室温。
优选地，所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度最低减少了0.923％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度最低减少了0.632％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了7.650％。
优选地，所述所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为75-85％的等轴α相，晶粒的平均尺寸为10-15μm；其制备方法极大地缩短了钛合金板材控制各向异性的时间，降低了生产能耗并提高了生产效率。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案，本发明采用控制合金元素的合理配比，使该合金在凝固过程生成的高强度陶瓷相TiB细化钛合金铸锭的晶粒，并在α相再结晶温度区热轧的过程中，TiB抑制α相棱锥织构形成，可以减轻或削弱钛合金热板材的各向异性。
本发明对含最优配比(B元素)的钛合金，通过轧制工艺与热处理工艺相结合，使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用，同时调控织构的组分和强度，得到低各向异性的高品质冷轧钛合金板材。
本发明所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度最低减少了0.923％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度最低减少了0.632％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了7.650％。
本发明所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为75-85％的等轴α相，晶粒的平均尺寸为10-15μm；其制备方法极大地缩短了钛合金板材控制各向异性的时间，降低了生产能耗并提高了生产效率。
总之，本发明方法相对于其他传统方法，通过采用控制合金元素的合理配比、轧制工艺与热处理工艺相结合的方式，能够短时高效的生产制备低各向异性的高品质冷轧钛合金板材，降低生产能耗和生产成本，工艺流程简单，利于工业大规模批量化生产和推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例1的一种低各向异性的钛合金板材的制造方法所得板材中含B量0.04％TC4钛合金组织图；
图2为本发明实施例2的一种低各向异性的钛合金板材的制造方法所得板材中含B量0.04％TC4钛合金组织图；
图3为本发明实施例3的一种低各向异性的钛合金板材的制造方法所得板材中含B量0.004％TC4钛合金组织图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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1
一种低各向异性的钛合金板材的制造方法；其中，添加不同含量的B元素的含量需要根据不同钛合金成分以及不同的工序选择能够使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用以及最大程度降低钛合金板材各向异性来进行选择，本实施例中钛合金为TC4钛合金板，故而B元素的含量为0.04％；所述低各向异性的钛合金板材的制造方法如下步骤：
S1：取一块热锻造后尺寸为100mm(长)×80mm(宽)×10mm(厚)的B含量为0.04％的TC4钛合金板，将钛合金板材置于加热炉中加热，加热温度为900℃，时间为30min。
S2：将S1中加热后的TC4钛合金板材移至轧机中进行总变形量40％的热轧实验，每道次变形量在18-20％，当温度降低至860℃以下时，将所得坯料送至感应加热炉内加热至900℃，并保温15min，热轧2道次至6mm厚的板材，得到目标厚度的TC4钛合金板材；TC4钛合金板材中α相再结晶百分数达到80％；
S3：将S2中的半成品钛板进行α+β再结晶区热处理，热处理时β相的比例控制在85％，温度控制在790℃，并保温20min，随后空冷至室温，空冷过程需要控制冷却速度抑制马氏体形成，得到TC4热轧钛合金板材。
本实施例所制备TC4热轧钛合金板材的室温力学性能如表1所示；本实施例得到TC4钛合金板带试样的组织以等轴组织为主。
本实施例所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度减少了0.986％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度减少了0.632％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了7.947％。
如图1所示，本实施例所述所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为80％的等轴α相，20％的β相，晶粒的平均尺寸为12.20μm。
本实施例极大地缩短了钛合金板材控制各向异性的时间，降低了生产能耗并提高了生产效率。
表1：拉伸试样力学性能
实施例2
一种低各向异性的钛合金板材的制造方法；其中，添加不同含量的B元素的含量需要根据不同钛合金成分以及不同的工序选择能够使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用以及最大程度降低钛合金板材各向异性来进行选择，本实施例中钛合金为TC4钛合金板，故而B元素的含量为0.04％；所述低各向异性的钛合金板材的制造方法如下步骤：
S1：取一块热锻造后尺寸为100mm(长)×80mm(宽)×10mm(厚)的B含量为0.04％的TC4钛合金板，将钛合金板材置于加热炉中加热，加热温度为900℃，时间为30min。
S2：将S1中加热后的TC4钛合金板材移至轧机中进行总变形量40％的热轧实验，每道次变形量在18-20％，当温度降低至860℃以下时，将所得坯料送至感应加热炉内加热至900℃，并保温15min，热轧2道次至6mm厚的板材，得到目标厚度的TC4钛合金板材；TC4钛合金板材中α相再结晶百分数达到80％；
S3：将S2中的半成品钛板进行α+β再结晶区热处理，热处理时β相的比例控制在85％，温度控制在790℃，并保温20min，随后空冷至室温，空冷过程需要控制冷却速度抑制马氏体形成，得到TC4第一半成品板材；
S4：将S3中的TC4第一半成品板材进行冷轧处理，TC4钛合金板材移冷轧机中进行3道次的第一轧程的冷轧轧制，得到厚度5.4mm的TC4板材；
S5：将S4中的钛合金板材进行退火处理；待炉温升高至790℃后，将TC4钛合金板材放入加热炉中，保温20min后空冷得到的TC4第二半成品板材；
S6：将S5中的TC4第二半成品板材继续进行冷轧处理，将TC4钛合金板材移冷轧机中进行3道次的第二轧程的冷轧轧制，得到厚度4.5mm的TC4钛合金板；
S7：将S6中厚度4.5mm的TC4钛合金板进行最终退火处理，待炉温升高至790℃后，将TC4钛合金板放入加热炉中，保温20min，随后空冷，得到成品TC4冷轧板材。
本实施例所制备TC4热轧钛合金板材的室温力学性能如表2所示；本实施例得到TC4钛合金板带试样的组织以等轴组织为主。
本实施例所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度减少了0.923％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度减少了0.788％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了13.514％。
如图2所示，本实施例所述所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为78％的等轴α相，22％的β相，晶粒的平均尺寸为11.60μm。
本实施例极大地缩短了钛合金板材控制各向异性的时间，降低了生产能耗并提高了生产效率。
表2：拉伸试样力学性能
实施例3
一种低各向异性的钛合金板材的制造方法；其中，添加不同含量的B元素的含量需要根据不同钛合金成分以及不同的工序选择能够使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用以及最大程度降低钛合金板材各向异性来进行选择，本实施例中钛合金为TC4钛合金板，故而B元素的含量为0.004％；所述低各向异性的钛合金板材的制造方法如下步骤：
S1：取一块热锻造后尺寸为100mm(长)×80mm(宽)×10mm(厚)的B含量为0.004％的TC4钛合金板，将钛合金板材置于加热炉中加热，加热温度为900℃，时间为30min；
S2：将S1中加热后的TC4钛合金板材移至轧机中进行总变形量40％的热轧实验，每道次变形量在18-20％，当温度降低至860℃以下时，将所得坯料送至感应加热炉内加热至900℃，并保温15min，热轧2道次至6mm厚的板材，得到目标厚度的TC4钛合金板材；TC4钛合金板材中α相再结晶百分数达到75％；
S3：将S2中的半成品钛板进行α+β再结晶区热处理，热处理时β相的比例控制在85％，温度控制在790℃，并保温20min，随后空冷至室温，空冷过程需要控制冷却速度抑制马氏体形成，得到TC4第一半成品板材；
S4：将S3中的TC4第一半成品板材进行冷轧处理，TC4钛合金板材移冷轧机中进行3道次的第一轧程的冷轧轧制，得到厚度5.4mm的TC4板材；
S5：将S4中的钛合金板材进行退火处理；待炉温升高至790℃后，将TC4钛合金板材放入加热炉中，保温20min后空冷得到的TC4第二半成品板材；
S6：将S5中的TC4第二半成品板材继续进行冷轧处理，将TC4钛合金板材移冷轧机中进行3道次的第二轧程的冷轧轧制，得到厚度4.5mm的TC4钛合金板；
S7：将S6中厚度4.5mm的TC4钛合金板进行最终退火处理，待炉温升高至790℃后，将TC4钛合金板放入加热炉中，保温20min，随后空冷，得到成品TC4冷轧板材。
本实施例所制备TC4冷轧钛合金板材的室温力学性能如表3所示；本实施例得到TC4钛合金板带试样的组织以等轴组织为主。
本实施例所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度减少了1.852％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度减少了1.789％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了12.844％。
如图3所示，本实施例所述所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为78％的等轴α相，22％的β相，晶粒的平均尺寸为11.60μm。
本实施例极大地缩短了钛合金板材控制各向异性的时间，降低了生产能耗并提高了生产效率。
表3：拉伸试样力学性能
实施例4
一种低各向异性的钛合金板材的制造方法；其中，添加不同含量的B元素的含量需要根据不同钛合金成分以及不同的工序选择能够使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用以及最大程度降低钛合金板材各向异性来进行选择，本实施例中钛合金为TA5钛合金板，故而B元素的含量为0.04％；所述低各向异性的钛合金板材的制造方法如下步骤：
S1：取一块热锻造后尺寸为100mm(长)×80mm(宽)×10mm(厚)的B含量为0.04％的TA5钛合金板，将钛合金板材置于加热炉中加热，加热温度为900℃，时间为30min；
S2：将S1中加热后的TA5钛合金板材移至轧机中进行总变形量40％的热轧实验，每道次变形量在18-20％，当温度降低至860℃以下时，将所得坯料送至感应加热炉内加热至900℃，并保温15min，热轧2道次至6mm厚的板材，得到目标厚度的TA5钛合金板材；
S3：将S2中的半成品钛板进行再结晶区热处理，温度控制在680℃，并保温20min，随后空冷至室温，空冷过程需要控制冷却速度抑制马氏体形成，得到TA5第一半成品板材；
S4：将S3中的TA5第一半成品板材进行冷轧处理，TA5钛合金板材移冷轧机中进行3道次的第一轧程的冷轧轧制，得到厚度5mm的TA5板材；
S5：将S4中的TA5板材进行退火处理；待炉温升高至700℃后，将TA5钛合金板材放入加热炉中，保温20min后空冷得到的TA5第二半成品板材；
S6：将S5中的TA5第二半成品板材继续进行冷轧处理，将TA5钛合金板材移冷轧机中进行3道次的第二轧程的冷轧轧制，得到厚度4mm的TA5钛合金板；
S7：将S6中厚度4mm的TA5钛合金板进行最终退火处理，待炉温升高至700℃后，将TA5钛合金板放入加热炉中，保温20min，随后空冷，得到成品TA5冷轧板材。
本实施例所制备TA5热轧钛合金板材的室温力学性能如表4所示；本实施例得到TA5钛合金板带试样的组织以等轴组织为主。
本实施例所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度减少了2.309％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度减少了1.766％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了7.650％。
本实施例所述所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为等轴α相，晶粒的平均尺寸为8.5μm。
本实施例极大地缩短了钛合金板材控制各向异性的时间，降低了生产能耗并提高了生产效率。
表4：拉伸试样力学性能
上述方案，本发明采用控制合金元素的合理配比，使该合金在凝固过程生成的高强度陶瓷相TiB细化钛合金铸锭的晶粒，并在α相再结晶温度区热轧的过程中，TiB抑制α相棱锥织构形成，可以减轻或削弱钛合金热板材的各向异性。
本发明对含最优配比(B元素)的钛合金，通过轧制工艺与热处理工艺相结合，使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用，同时调控织构的组分和强度，得到低各向异性的高品质冷轧钛合金板材。
本发明所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度最低减少了0.923％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度最低减少了0.632％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了7.650％。
本发明所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为75-85％的等轴α相，晶粒的平均尺寸为10-15μm；其制备方法极大地缩短了钛合金板材控制各向异性的时间，降低了生产能耗并提高了生产效率。
总之，本发明方法相对于其他传统方法，通过采用控制合金元素的合理配比、轧制工艺与热处理工艺相结合的方式，能够短时高效的生产制备低各向异性的高品质冷轧钛合金板材，降低生产能耗和生产成本，工艺流程简单，利于工业大规模批量化生产和推广使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述低各向异性的钛合金板材的制造方法是在钛合金冶炼中添加不同含量的B元素，随后经凝固、热锻造、α再结晶温度区热轧制、α+β区热处理的工序，获得低各向异性的高品质钛合金板材。
2.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述钛合金冶炼中成分选择为近α型或α+β型钛合金，TC4钛合金、TA5钛合金、TC11钛合金及其它钛合金。
3.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述添加不同含量的B元素的含量需要根据不同钛合金成分以及不同的工序选择能够使硼在钛合金最大发挥细化晶粒的作用以及最大程度降低钛合金板材各向异性来进行选择。
4.根据权利要求3所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述添加不同含量的B元素含量的质量分数为0.002-0.08％。
5.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述α再结晶温度区热轧制通过多道次完成所需轧制变形，获得α相再结晶百分数达到80％及以上的低各向异性热轧钛合金板材。
6.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述工序还包括α+β区热处理之后的单重或多重的冷轧处理+退火处理。
7.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述α+β区热处理中，热处理时β相的比例控制在75-95％，并保温1-20min，控制冷却速度抑制马氏体形成。
8.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述单重或多重的冷轧处理+退火处理中，冷轧变形的变形量为20-40％，退火温度为750-820℃，退火时间为5-60min，随后空冷冷却至室温。
9.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的取样方向为RD时与取向为TD时相比，RD时的屈服强度比TD时的屈服强度最低减少了0.923％，RD时的抗拉强度比TD时的抗拉强度最低减少了0.632％，RD时的延伸率比TD时的延伸率最低增加了7.650％。
10.根据权利要求1所述的低各向异性的钛合金板材的制造方法，其特征在于，所述所制备的低各向异性的高品质钛合金板材的组织结构为75-85％的等轴α相，晶粒的平均尺寸为10-15μm。
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