CN117564728A - 一种ta15钛合金冷轧管材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，该方法包括：一、将TA15钛合金铸锭加工成棒坯；骤二、将棒坯进行钻孔及镗孔得到空心棒坯；三、对空心棒坯包套后经加热、挤压、矫直和酸洗得到挤压管坯；四、将挤压管坯进行多道次轧制得到轧制管材；五、对轧制管材经扒皮、镗孔后得到TA15钛合金冷轧管材。本发明通过对设备选择、坯料制备、轧制工序的设计及参数控制，成功实现了冷轧工艺制备TA15钛合金管材，既保证了TA15钛合金冷轧管材的品质，又提高了成材率，降低了生产成本，且制备工艺简单易行，适宜工业化生产，可推广至其钛合金管材的加工中，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法。
背景技术
TA15钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，属于高Al当量的近α型钛合金，具有比强度高、良好的热稳定性、抗蠕变性、良好的热强性和可焊性等特点，是航空领域的重要结构材料，其主要强化机制是通过α稳定元素Al的固溶强化，加入中性元素Zr和β稳定元素Mo和V，可以改善工艺性能。
随着钛合金在各种领域的应用越来越广泛，TA15钛合金管材产品的需求也逐渐增加。但由于TA15钛合金的室温强度较高，其屈服强度约为900MPa，决定了该合金的管材冷加工存在很大的困难和局限性。目前TA15钛合金管材的主要生产方式为热挤压、锻造棒材法及斜轧法，具体生产方式及工艺特点见表1。
表1TA15管材生产方式及工艺特点
因此，迫切需求一种成材率较高、生产成本低、性能优异、可工业化生产的TA15管材制备方式。
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TA15钛合金冷轧管材的制备方法。该方法通过对设备选择、坯料制备、轧制工序的设计及参数控制，成功实现了冷轧工艺制备TA15钛合金管材，既保证了TA15钛合金冷轧管材的品质，又提高了成材率，降低了生产成本，解决了现有TA15管材难以通过冷加工制备的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将经三次真空电弧炉熔炼制备的TA15钛合金铸锭加工成棒坯；所述TA15钛合金铸锭的化学成分满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中TA15牌号标准要求，所述棒坯的金相组织为典型两相区组织，无原始β晶界，且棒坯满足GB/T5193-2007《钛及钛合金加工品探伤方法》中A1级的要求；
步骤二、将步骤一中的棒坯进行钻孔及镗孔，得到空心棒坯；
步骤三、对步骤二中得到的空心棒坯进行包套处理，然后经加热、挤压、矫直和酸洗，得到挤压管坯；
步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯在LG型轧机上进行多道次轧制，得到轧制管材；所述多道次轧制过程中，对每道次轧制后的挤压管坯均进行退火、矫直和表面抛磨；
步骤五、对步骤四中得到的轧制管材经单边0.5mm～0.8mm的扒皮、镗孔处理后，得到TA15钛合金冷轧管材。
上述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述棒坯的金相组织中α相含量为30％～50％，且α相尺寸不大于50μm。本发明通过控制棒坯中α相含量及尺寸，以调节后续轧制后的TA15钛合金冷轧管材的力学性能，避免α相含量过多导致次生相的强化及抗裂纹扩展性能不能体现，α相含量过少导致α相的强化作用不能体现，同时避免因α相尺寸过大导致后续轧制过程冷变形的破碎效果有限，不能达到细晶强化的效果。
上述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤二中钻孔后预留0.3mm～0.6mm的内孔加工余量，且预留的内孔加工余量经镗孔加工消除达到目标空心棒坯内孔尺寸，所述空心棒坯的内孔粗糙度不超过1.6μm，壁厚偏差不超过0.6mm。本发明通过控制空心棒坯的内孔粗糙度，以避免后续轧制过程中产生应力集中形成裂纹，同时控制壁厚偏差，以保证后续轧制过程中可对壁厚偏差进行修正，避免壁厚偏差过大而无法修正影响冷轧管材质量。
上述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述包套处理时，空心棒坯的内孔采用内钢管外铜管的双包套形式，空心棒坯的端面及外周采用内钢皮外铜皮的双包套形式；所述挤压采用25MN～63MN卧式挤压机，且加热温度为(Tβ-30℃)～(Tβ-80℃)，Tβ为相变点温度，单位为℃，挤压速度为20mm/s～50mm/s，挤压比为6～15；所述酸洗采用的酸洗液由以下质量浓度的成分组成：HNO3 30％～55％，HF 3％～12％，余量为水。
上述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述LG型轧机上进行多道次轧制的总轧制变形量为25％～55％，送进量为3mm/次～5mm/次，车速为30次/min～60次/min。
上述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述退火采用箱式电阻炉加热，且装炉前在待处理对象的内表面和外表面上均匀涂刷由水、胶与涂料按照1:1:1的质量比配制的防氧化涂层，并确保待处理对象的内表面和外表面100％涂覆，无气泡、涂料堆积，经60min～120min晾干后装炉，在750℃～850℃进行保温退火，然后趁热矫直，且矫直转移时间不大于60s，再使用抛光机进行表面抛光，并依次采用60#、80#、120#、400#、600#、800#的千叶轮抛头，去除表面防氧化涂层。
上述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述扒皮的进料速度为200mm/min～400mm/min，主轴转速为60r/min～120r/min，镗孔的进料速度为100mm/min～300mm/min，主轴转速为70r/min～140r/min。
上述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，对步骤五中得到的TA15钛合金冷轧管材进行尺寸外观、力学性能、水压、探伤检验，结果显示TA15钛合金冷轧管材的壁厚尺寸不超过名义壁厚的10％，探伤检验满足标准伤：深度0.2mm×宽度0.8mm×长度25mm，室温力学性能满足：抗拉强度Rm＝930MPa～1130MPa，屈服强度Rp0.2≥855MPa，断后延伸率A≥10％。本发明制备的TA15钛合金冷轧管材的尺寸外观、力学性能、水压、探伤检验结果均满足其使用要求。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明对棒坯依次采用钻孔及镗孔、包套处理后加热、挤压、轧制和扒皮、镗孔处理，制备得到TA15钛合金冷轧管材，通过对设备选择、坯料制备、轧制工序的设计及参数控制，成功实现了冷轧工艺制备TA15钛合金管材，既保证了TA15钛合金冷轧管材的品质，又提高了成材率，降低了生产成本，适宜工业化生产。
2、本发明对空心棒坯的内孔采用内钢管外铜管的双包套形式，对端面及外周采用内钢皮外铜皮的双包套形式，然后进行挤压，避免了高温下钛与铜直接接触在界面生成Ti-Cu共晶脆性组织，同时将内孔包套材质优化为钢管及铜管，保证了挤压过程包套的完整性，提高了挤压的质量。
3、本发明通过在每道次轧制后的挤压管坯表面刷涂防氧化涂层再进行退火，既解决了退火后管材温度低不易矫直的问题，又解决了大气炉退火后表面氧化严重影响后续轧制的问题，并通过增加抛磨处理去除表面防氧化涂层，避免对管材表面的不良影响。
4、本发明基于TA15钛合金的特性，通过对多道次轧制的变形量、送进量和车速等主要参数进行控制，并对轧制设备进行限定，确保轧制过程的顺利进行。
5、本发明通过对轧制管材进行扒皮和镗孔获得成品管材，通过对扒皮和唐工的进料速度和转速进行限定，确保了TA15钛合金冷轧管材的尺寸精度、表面粗糙度满足使用标准要求。
6、本发明的制备工艺简单易行，可推广至其钛合金管材的加工中，具有较高的实用价值。
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制备的棒坯的金相组织图。
图2为本发明实施例2制备的棒坯的金相组织图。
图3为本发明实施例3制备的棒坯的金相组织图。
具体实施方式
本发明实施例1～3采用的防氧化涂层中涂料为陕西轩铭科技有限公司生产的锻造涂料Ti89，胶为北京天力创玻璃科技开发有限公司生产的专用粘结剂NJ-1。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将经三次真空电弧炉熔炼制备的TA15钛合金铸锭加工成棒坯；所述TA15钛合金铸锭的化学成分满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中TA15牌号标准要求，所述棒坯的金相组织为典型两相区组织，无原始β晶界，如图1所示，棒坯的金相组织中α相含量为30％，且α相尺寸不大于30μm，且棒坯满足GB/T5193-2007《钛及钛合金加工品探伤方法》中A1级的要求；
步骤二、将步骤一中的棒坯进行钻孔及镗孔，钻孔后预留0.3mm的内孔加工余量，且预留的内孔加工余量经镗孔加工消除达到目标空心棒坯内孔尺寸，得到空心棒坯，空心棒坯的内孔粗糙度为1.1μm，壁厚偏差为0.5mm；
步骤三、对步骤二中得到的空心棒坯进行包套处理，其中，空心棒坯的内孔采用内钢管外铜管的双包套形式，空心棒坯的端面及外周采用内钢皮外铜皮的双包套形式，然后加热至Tβ-30℃，Tβ为相变点温度，单位为℃，采用25MN卧式挤压机进行挤压，挤压速度为20mm/s，挤压比为6，挤压后的空心棒坯经余热矫直后酸洗处理去除表面残留的钢皮及铜皮，得到挤压管坯，且酸洗采用的酸洗液由以下质量浓度的成分组成：HNO340％，HF 3％，余量为水；
步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯在LG型轧机上进行多道次轧制，轧制变形量为25％～42％，送进量为4mm/次～5mm/次，车速为30次/min～40次/min，得到轧制管材；所述多道次轧制过程中，对每道次轧制后的挤压管坯均进行退火、矫直和表面抛磨，所述退火采用箱式电阻炉加热，且装炉前在待处理对象的内表面和外表面上均匀涂刷由水、胶与涂料按照1:1:1的质量比配制的防氧化涂层，并确保待处理对象的内表面和外表面100％涂覆，无气泡、涂料堆积，经60min晾干后装炉，在750℃进行保温退火，然后趁热矫直，且矫直转移时间不大于60s，再使用抛光机进行表面抛光，并依次采用60#、80#、120#、400#、600#、800#的千叶轮抛头，去除表面防氧化涂层；
步骤五、对步骤四中得到的轧制管材经单边0.5mm的扒皮、镗孔处理，扒皮的进料速度为400mm/min，主轴转速为120r/min，镗孔的进料速度为300mm/min，主轴转速为140r/min，得到TA15钛合金冷轧管材。
对本实施例制备的TA15钛合金冷轧管材进行尺寸外观、力学性能、水压、探伤检验，结果显示TA15钛合金冷轧管材的壁厚偏差不超过0.5mm(不超过壁厚的±10％)，探伤检验满足标准伤：深度0.2mm×宽度0.8mm×长度25mm，室温力学性能实测值如下表2所述。
表2实施例1制备的TA15钛合金冷轧管材室温力学性能
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将经三次真空电弧炉熔炼制备的TA15钛合金铸锭加工成棒坯；所述TA15钛合金铸锭的化学成分满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中TA15牌号标准要求，所述棒坯的金相组织为典型两相区组织，无原始β晶界，如图2所示，棒坯的金相组织中α相含量为40％，且α相尺寸不大于50μm，且棒坯满足GB/T5193-2007《钛及钛合金加工品探伤方法》中A1级的要求；
步骤二、将步骤一中的棒坯进行钻孔及镗孔，钻孔后预留0.6mm的内孔加工余量，且预留的内孔加工余量经镗孔加工消除达到目标空心棒坯内孔尺寸，得到空心棒坯，空心棒坯的内孔粗糙度为1.6μm，壁厚偏差为0.6mm；
步骤三、对步骤二中得到的空心棒坯进行包套处理，其中，空心棒坯的内孔采用内钢管外铜管的双包套形式，空心棒坯的端面及外周采用内钢皮外铜皮的双包套形式，然后加热至Tβ-50℃，Tβ为相变点温度，单位为℃，采用45MN卧式挤压机进行挤压，挤压速度为30mm/，挤压比为10，挤压后的空心棒坯经余热矫直后酸洗处理去除表面残留的钢皮及铜皮，得到挤压管坯，且酸洗采用的酸洗液由以下质量浓度的成分组成：HNO330％，HF 12％，余量为水；
步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯在LG型轧机上进行多道次轧制，轧制变形量为32％～50％，送进量为3mm/次～4mm/次，车速为40次/min～60次/min，得到轧制管材；所述多道次轧制过程中，对每道次轧制后的挤压管坯均进行退火、矫直和表面抛磨，所述退火采用箱式电阻炉加热，且装炉前在待处理对象的内表面和外表面上均匀涂刷由水、胶与涂料按照1:1:1的质量比配制的防氧化涂层，并确保待处理对象的内表面和外表面100％涂覆，无气泡、涂料堆积，经60min晾干后装炉，在800℃进行保温退火，然后趁热矫直，且矫直转移时间不大于60s，再使用抛光机进行表面抛光，并依次采用60#、80#、120#、400#、600#、800#的千叶轮抛头，去除表面防氧化涂层；
步骤五、对步骤四中得到的轧制管材经单边0.8mm的扒皮、镗孔处理，扒皮的进料速度为200mm/min，主轴转速为60r/min，镗孔的进料速度为100mm/min，主轴转速为70r/min，得到TA15钛合金冷轧管材。
对本实施例制备的TA15钛合金冷轧管材进行尺寸外观、力学性能、水压、探伤检验，结果显示TA15钛合金冷轧管材的壁厚偏差不超过0.35mm(不超过壁厚的±10％)，探伤检验满足标准伤：深度0.2mm×宽度0.8mm×长度25mm，室温力学性能实测值如下表3所述。
表3实施例2制备的TA15钛合金冷轧管材室温力学性能
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将经三次真空电弧炉熔炼制备的TA15钛合金铸锭加工成棒坯；所述TA15钛合金铸锭的化学成分满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中TA15牌号标准要求，所述棒坯的金相组织为典型两相区组织，无原始β晶界，如图3所示，棒坯的金相组织中α相含量为50％，且α相尺寸不大于40μm，且棒坯满足GB/T5193-2007《钛及钛合金加工品探伤方法》中A1级的要求；
步骤二、将步骤一中的棒坯进行钻孔及镗孔，钻孔后预留0.4mm的内孔加工余量，且预留的内孔加工余量经镗孔加工消除达到目标空心棒坯内孔尺寸，得到空心棒坯，空心棒坯的内孔粗糙度为1.3μm，壁厚偏差为0.5mm；
步骤三、对步骤二中得到的空心棒坯进行包套处理，其中，空心棒坯的内孔采用内钢管外铜管的双包套形式，空心棒坯的端面及外周采用内钢皮外铜皮的双包套形式，然后加热至Tβ-80℃，Tβ为相变点温度，单位为℃，采用63MN卧式挤压机进行挤压，挤压速度为50mm/s，挤压比为15，挤压后的空心棒坯经余热矫直后酸洗处理去除表面残留的钢皮及铜皮，得到挤压管坯，且酸洗采用的酸洗液由以下质量浓度的成分组成：HNO355％，HF 3％，余量为水；
步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯在LG型轧机上进行多道次轧制，轧制变形量为36％～55％，送进量为3mm/次～4mm/次，车速为40次/min～50次/min，得到轧制管材；所述多道次轧制过程中，对每道次轧制后的挤压管坯均进行退火、矫直和表面抛磨，所述退火采用箱式电阻炉加热，且装炉前在待处理对象的内表面和外表面上均匀涂刷由水、胶与涂料按照1:1:1的质量比配制的防氧化涂层，并确保待处理对象的内表面和外表面100％涂覆，无气泡、涂料堆积，经120min晾干后装炉，在850℃进行保温退火，然后趁热矫直，且矫直转移时间不大于60s，再使用抛光机进行表面抛光，并依次采用60#、80#、120#、400#、600#、800#的千叶轮抛头，去除表面防氧化涂层；
步骤五、对步骤四中得到的轧制管材经单边0.6mm的扒皮、镗孔处理，扒皮的进料速度为300mm/min，主轴转速为90r/min，镗孔的进料速度为200mm/min，主轴转速为100r/min，得到TA15钛合金冷轧管材。
对本实施例制备的TA15钛合金冷轧管材进行尺寸外观、力学性能、水压、探伤检验，结果显示TA15钛合金冷轧管材的壁厚偏差不超过0.4mm(不超过壁厚的±10％)，探伤检验满足标准伤：深度0.2mm×宽度0.8mm×长度25mm，室温力学性能实测值如下表4所述。
表4实施例3制备的TA15钛合金冷轧管材室温力学性能
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 (8)
1.一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将经三次真空电弧炉熔炼制备的TA15钛合金铸锭加工成棒坯；所述TA15钛合金铸锭的化学成分满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》中TA15牌号标准要求，所述棒坯的金相组织为典型两相区组织，无原始β晶界，且棒坯满足GB/T5193-2007《钛及钛合金加工品探伤方法》中A1级的要求；
步骤二、将步骤一中的棒坯进行钻孔及镗孔，得到空心棒坯；
步骤三、对步骤二中得到的空心棒坯进行包套处理，然后经加热、挤压、矫直和酸洗，得到挤压管坯；
步骤四、将步骤三中得到的挤压管坯在LG型轧机上进行多道次轧制，得到轧制管材；所述多道次轧制过程中，对每道次轧制后的挤压管坯均进行退火、矫直和表面抛磨；
步骤五、对步骤四中得到的轧制管材经单边0.5mm～0.8mm的扒皮、镗孔处理后，得到TA15钛合金冷轧管材。
2.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤一中所述棒坯的金相组织中α相含量为30％～50％，且α相尺寸不大于50μm。
3.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤二中钻孔后预留0.3mm～0.6mm的内孔加工余量，且预留的内孔加工余量经镗孔加工消除达到目标空心棒坯内孔尺寸，所述空心棒坯的内孔粗糙度不超过1.6μm，壁厚偏差不超过0.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤三中所述包套处理时，空心棒坯的内孔采用内钢管外铜管的双包套形式，空心棒坯的端面及外周采用内钢皮外铜皮的双包套形式；所述挤压采用25MN～63MN卧式挤压机，且加热温度为(Tβ-30℃)～(Tβ-80℃)，Tβ为相变点温度，单位为℃，挤压速度为20mm/s～50mm/s，挤压比为6～15；所述酸洗采用的酸洗液由以下质量浓度的成分组成：HNO330％～55％，HF 3％～12％，余量为水。
5.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述LG型轧机上进行多道次轧制的总轧制变形量为25％～55％，送进量为3mm/次～5mm/次，车速为30次/min～60次/min。
6.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤四中所述退火采用箱式电阻炉加热，且装炉前在待处理对象的内表面和外表面上均匀涂刷由水、胶与涂料按照1:1:1的质量比配制的防氧化涂层，并确保待处理对象的内表面和外表面100％涂覆，无气泡、涂料堆积，经60min～120min晾干后装炉，在750℃～850℃进行保温退火，然后趁热矫直，且矫直转移时间不大于60s，再使用抛光机进行表面抛光，并依次采用60#、80#、120#、400#、600#、800#的千叶轮抛头，去除表面防氧化涂层。
7.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述扒皮的进料速度为200mm/min～400mm/min，主轴转速为60r/min～120r/min，镗孔的进料速度为100mm/min～300mm/min，主轴转速为70r/min～140r/min。
8.根据权利要求1所述的一种TA15钛合金冷轧管材的制备方法，其特征在于，对步骤五中得到的TA15钛合金冷轧管材进行尺寸外观、力学性能、水压、探伤检验，结果显示TA15钛合金冷轧管材的壁厚尺寸不超过名义壁厚的10％，探伤检验满足标准伤：深度0.2mm×宽度0.8mm×长度25mm，室温力学性能满足：抗拉强度Rm＝930MPa～1130MPa，屈服强度Rp0.2≥855MPa，断后延伸率A≥10％。
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