CN118122809B - 一种航空紧固件用大单重ta1g钛盘圆丝材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，按照以下步骤实施：步骤1、准备TA1G铸锭；步骤2、对TA1G铸锭进行锻造制得锻坯；步骤3、对锻坯进行连续大变形轧制得到棒坯；步骤4、将棒坯进行去应力退火处理；步骤5、将棒坯经过扒皮、粗拉拔处理和精拉拔处理，加工为丝坯；步骤6、对经步骤5得到的丝坯进行成品退火处理；步骤7、对经步骤6得到的丝坯进行表面硬化处理得到硬化丝坯；步骤8、对经步骤7得到的硬化丝坯进行定径处理，制得丝材，再将丝材盘圆后得到TA1G钛盘圆丝材。该制备方法解决了现有纯钛TA1G丝坯在定径过程中容易与定径模具产生磨损，无法实现大单重丝材加工的问题。

Description

一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法

技术领域

本发明属于纯钛丝材的制备技术领域，具体涉及一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法。

背景技术

纯钛及钛合金具有高比强度、低密度、良好耐蚀性及耐磨性、无磁、透声、抗冲击震动和可加工性好等特点，所以其在航空航天领域得到了广泛应用。纯钛TA1G相比于其他牌号的纯钛具有性软、塑性好、硬度低等特点，其经冷加工变形后非常适于制造要求剧烈变形的紧固件零件，如铆钉等。

纯钛及钛合金紧固件在飞机上的用量极大，但是传统的丝材定径模具只适用于中高强度的钛合金丝材，而纯钛TA1G的材料性软、强度低，所以传统的钛合金丝材定径模具与纯钛TA1G的匹配性低，使得纯钛TA1G的丝坯在定径过程中容易与定径模具产生磨损，定径模具易损坏，损坏之后无法进行丝坯的整盘定径，进而无法实现大单重丝材的加工，同时还会导致丝坯的表面粗糙和尺寸不均匀等问题。

受国内设备能力限制，目前国内TA1G钛盘圆丝材单盘重量只能做到15Kg左右，单盘重量太小，无法满足铆钉连续批量镦制生产的需求，制约了我国紧固件的发展速度，且由于我国生产钛合金紧固件质量并不稳定，大部分依赖进口，不仅价格较昂贵，而且经常由于采购供应不上，研制或生产处于“停工待钉”的状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，以解决现有纯钛TA1G的丝坯在定径过程中容易与定径模具产生磨损，造成定径模具损坏无法进行丝坯的整盘定径，进而无法实现大单重丝材加工的问题。

本发明采用以下技术方案：一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、准备直径为φ490~φ1020mm的TA1G铸锭；

步骤2、对TA1G铸锭依次进行开坯锻造、中间锻造和成品锻造，制得直径为 φ80 ~φ180mm的锻坯；

步骤3、对锻坯进行连续大变形轧制，制得直径为φ8~φ15mm的棒坯；

步骤4、对棒坯进行去应力退火处理；

步骤5、对经步骤4去应力退火处理后的棒坯依次进行扒皮、粗拉拔和精拉拔，制得直径为φ3.6~φ6.8mm的丝坯；其中，在粗拉拔结束后、以及精拉拔结束后各进行一次中间退火；

步骤6、对经步骤5处理后得到的丝坯进行成品退火处理；

步骤7、通过热拉拔方式，对经步骤6成品退火处理后的丝坯进行表面硬化处理，得到直径为φ3.5~φ6.7mm的硬化丝坯；其中，热拉拔过程中的变形量为5~30%、加热温度为180~250℃；

步骤8、对硬化丝坯进行定径处理，制得直径为φ3.4 ~ φ6.6mm的丝材，再将丝材盘圆后得到TA1G钛盘圆丝材。

进一步的，步骤5中粗拉拔的具体方法为：

将经步骤4去应力退火处理后的棒坯拉拔加工至直径为φ5.5~φ8mm的丝坯；其中，粗拉拔过程中的拉拔速度为6~12m/min、单道次变形量为8~15%、总变形量为40~70%。

进一步的，步骤5中精拉拔的具体方法为：

将经粗拉拔后的丝坯拉拔加工至直径为φ3.6~φ6.8mm的丝坯；其中，精拉拔过程中的拉拔速度为3~6m/min、单道次变形量为5~10%、总变形量为30~60%。

进一步的，步骤3中，连续大变形轧制过程中，先采用感应炉加热锻坯再轧制锻坯，加热温度为700~900℃，保温时间5~10min。

进一步的，步骤4中去应力退火处理的温度为550~700℃，保温时间为1~2h。

进一步的，步骤6中成品退火处理的温度为550~700℃，保温时间为1~2h。

本发明的有益效果是：本发明的制备方法中，在丝坯定径前，先经过热拉拔的方式来硬化丝坯表面，硬化后的丝坯强度提高，使丝坯的表面与定径模具能够实现良好的匹配，降低了定径过程中丝坯对定径模具的磨损，延长了定径模具的使用寿命，使得丝坯可一次定径成型为丝材，实现了对大单重丝材的全长连续定径。同时，制得的TA1G钛盘圆丝材的尺寸公差及丝材的表面质量均能达到良好的要求，而且还大大节约了定径模具的损耗成本，提高了TA1G钛盘圆丝材的生产效率。

附图说明

图1为本发明中实施例1制备的TA1G钛盘圆丝材的尺寸一致性数据图；

图2为本发明中实施例1制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织数据图；

图3为本发明中实施例2制备的TA1G钛盘圆丝材的尺寸一致性数据图；

图4为本发明中实施例2制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织数据图；

图5为本发明中实施例3制备的TA1G钛盘圆丝材的尺寸一致性数据图；

图6为本发明中实施例3制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织数据图；

图7为本发明中实施例4制备的TA1G钛盘圆丝材的尺寸一致性数据图；

图8为本发明中实施例4制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织数据图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、准备直径为φ490~φ1020mm的TA1G铸锭；TA1G为纯钛的一种型号。

步骤2、对TA1G铸锭依次进行开坯锻造、中间锻造和成品锻造，制得直径为 φ80 ~φ180mm的锻坯。

步骤3、对锻坯进行连续大变形轧制，制得直径为φ8~φ15mm的棒坯。连续轧制是指将一根锻坯同时在两个或两个以上的机架中轧制，本发明中的连续大变形轧制是指锻坯经连续轧制后的总变形量为99%以上。

步骤4、对棒坯进行去应力退火处理。

步骤5、对经步骤4去应力退火处理后的棒坯依次进行扒皮、粗拉拔和精拉拔，制得直径为φ3.6~φ6.8mm的丝坯；其中，在粗拉拔结束后、以及精拉拔结束后各进行一次中间退火。

步骤6、对经步骤5处理后得到的丝坯进行成品退火处理。

步骤7、通过热拉拔方式，对经步骤6成品退火处理后的丝坯进行表面硬化处理，得到直径为φ3.5~φ6.7mm的硬化丝坯；其中，热拉拔过程中的变形量为5~30%、加热温度为180~250℃。

步骤8、对硬化丝坯进行定径处理，制得直径为φ3.4~φ6.6mm的丝材，再将丝材盘圆后得到TA1G钛盘圆丝材。其中，TA1G钛盘圆丝材的盘重超过50Kg的称为大单重TA1G钛盘圆丝材。

在一些实施例中，步骤5中粗拉拔的具体方法为：

将经步骤4去应力退火处理后的棒坯拉拔加工至直径为φ5.5~φ8mm的丝坯；其中，粗拉拔过程中的拉拔速度为6~12m/min、单道次变形量为8~15%、总变形量为40~70%。

在一些实施例中，步骤5中精拉拔的具体方法为：

将经粗拉拔后的丝坯拉拔加工至直径为φ3.6~φ6.8mm的丝坯；其中，精拉拔过程中的拉拔速度为3~6m/min、单道次变形量为5~10%、总变形量为30~60%。

在一些实施例中，步骤3中，连续大变形轧制过程中，先采用感应炉加热锻坯再轧制锻坯，加热温度为700~900℃，保温时间5~10min。

在一些实施例中，步骤4中去应力退火处理的温度为550~700℃，保温时间为1~2h。

在一些实施例中，步骤6中成品退火处理的温度为550~700℃，保温时间为1~2h。

表1 四个实施例中核心工艺参数的具体数值

表2 各个实施例中相关步骤的具体工艺参数

本发明提供四个实施例：实施例1至实施例4。每个实施例均按照以下步骤实施，各个步骤中涉及的工艺参数详见表1和表2，具体步骤如下：

步骤1、准备TA1G铸锭，铸锭的直径见表1。

步骤2、通过锻造液压机对TA1G铸锭依次进行开坯锻造、中间锻造和成品锻造，最后制得锻坯，锻坯直径见表1。其中，开坯锻造、中间锻造和成品锻造过程中均使用电阻炉先进行加热，加热温度和保温时间见表2，开坯锻造的道次压下量见表2。

步骤3、对锻坯进行连续大变形轧制，制得棒坯，棒坯的直径见表1。其中连续大变形轧制的过程中，先采用感应炉加热再轧制锻坯，加热过程中涉及的加热温度和保温时间见表1。

步骤4、对棒坯进行去应力退火处理，去应力退火处理的温度和保温时间见表1。

步骤5、采用无心车床对经步骤4处理后的棒坯进行扒皮，然后再依次进行粗拉拔和精拉拔，最终将棒坯加工为丝坯，丝坯的直径见表1。其中，粗拉拔和精拉拔都为冷拉拔，在粗拉拔结束后、以及精拉拔结束后各进行一次中间退火，两次中间退火过程中涉及的工艺参数都相同。粗拉拔和精拉拔中涉及的工艺参数见表1，扒皮和中间退火中涉及的工艺参数见表2。

步骤6、对经步骤5处理后得到的丝坯进行成品退火处理。成品退火处理的温度和保温时间见表1。

步骤7、通过热拉拔方式，对经步骤6成品退火处理后的丝坯进行表面硬化处理得到硬化丝坯。其中，热拉拔过程中的变形量和加热温度，以及硬化丝坯的直径见表1。

步骤8、采用扒皮的方式对硬化丝坯进行定径处理，定径处理后制得丝材，再将丝材盘圆后得到TA1G钛盘圆丝材。其中，硬化丝坯相对于扒皮模具的运行速度即为定径速度，定径速度见表2，丝材的直径见表1。

对实施例1至实施例4制备得到的四种TA1G钛盘圆丝材分别进行红外定径实验，对应得到四张尺寸一致性数据图，如图1、图3、图5和图7所示。其中，红外定径实验的过程为：将TA1G钛盘圆丝材以一定速度均匀的直线移动，将固定设置的红外测径仪以一定频率对TA1G钛盘圆丝材的不同位置进行多次定径测量，定径测量的次数见尺寸一致性数据图中的横坐标，每次定径测量得到的TA1G钛盘圆丝材的直径数据见纵坐标。

表3 各个实施例制备的TA1G钛盘圆丝材的产品性能数据

由实施例1制得的TA1G钛盘圆丝材性能如下：

TA1G钛盘圆丝材的盘重为101Kg，定径后的丝材表面质量良好。从图1可以看出，丝材直径为φ6.6mm，尺寸公差为（0、-0.02）mm。如表3所示，实施例1制备的TA1G钛盘圆丝材的抗拉强度为393MPa、屈服强度为308MPa、断面收缩率为38.5%、延伸率为73%。实施例1制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织如图2所示，其为α相等轴组织，晶粒度为10级。

由实施例2制得的TA1G钛盘圆丝材性能如下：

TA1G钛盘圆丝材的盘重为102Kg，定径后的丝材表面质量良好。从图3可以看出，丝材的直径为φ5.1mm，尺寸公差为（0、-0.02）mm。如表3所示，实施例2制备的TA1G钛盘圆丝材的抗拉强度为425MPa、屈服强度为331MPa、断面收缩率为37%、延伸率为71%。实施例2制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织如图4所示，其为α相等轴组织，晶粒度为11.5级。

由实施例3制得的TA1G钛盘圆丝材性能如下：

TA1G钛盘圆丝材的盘重为101Kg，定径后的丝材表面质量良好。从图5可以看出，丝材的直径为φ4.2mm，尺寸公差为（0、-0.02）mm。如表3所示，实施例3制备的TA1G钛盘圆丝材的抗拉强度为440MPa、屈服强度为388MPa、断面收缩率为36%、延伸率为67%。实施例3制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织如图6所示，其为α相等轴组织，晶粒度为11.5级。

由实施例4制得的TA1G钛盘圆丝材性能如下：

TA1G钛盘圆丝材的盘重为103Kg，定径后的丝材表面质量良好。从图7可以看出，丝材的直径为φ3.4mm，尺寸公差为（0、-0.02）mm。如表3所示，实施例4制备的A1G钛盘圆丝材的抗拉强度为383MPa、屈服强度为301MPa、断面收缩率为32%、延伸率为73%。实施例4制备的TA1G钛盘圆丝材的显微组织如图8所示，为α相等轴组织，晶粒度为9级。

综上，可以看出，采用本发明制备的TA1G钛盘圆丝材，每盘整支丝材头、中、尾公差不大于0.02mm，表面质量无裂纹、拉伤等缺陷，丝材涡流探伤合格，单重可达100Kg及以上。参照TA1G的检验标准ASTM-B348中的规定，TA1G钛盘圆丝材的抗拉强度应不小于240MPa，延伸率不小于24%，断面收缩率不小于30%。其中，ASTM为美国材料与试验协会(AmericanSociety for Testing Materials)。本发明各个实施例制备的TA1G钛盘圆丝材的抗拉强度不小于383MPa，延伸率不小于67%，断面收缩率不小于32%，均满足标准要求，且抗拉强度和延伸率远远高于标准要求，具有优异的力学性能。

传统的丝材定径模具只适用于中高强度的钛合金丝材，而纯钛TA1G的材料性软、强度低，所以传统的钛合金丝材定径模具与纯钛TA1G的匹配性低，使得纯钛TA1G的丝坯在定径过程中容易与定径模具产生磨损，定径模具易损坏，损坏之后无法进行丝坯的整盘定径，进而无法实现大单重丝材的加工。本发明的制备方法中，在丝坯定径前，先经过热拉拔的方式来硬化丝坯表面，硬化后的丝坯强度提高，使丝坯的表面与定径模具能够实现良好的匹配，降低了定径过程中丝坯对定径模具的磨损，使得丝坯可一次定径成型为丝材，实现了对大单重丝材的全长连续定径。同时，制得的TA1G钛盘圆丝材的尺寸公差及丝材的表面质量均能达到良好的效果，而且大大节约了定径模具的损耗成本，提高了TA1G钛盘圆丝材的生产效率。

本发明的一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，在各个步骤的工序中设置了特定的工艺参数，可以改进TA1G钛盘圆丝材组织性差的问题，并远远超出对TA1G钛盘圆丝材的公差、性能、显微组织的基本要求。具体的，通过粗拉拔中单道次变形量、速度、总变形量和退火等工艺参数的调控，细化了TA1G钛盘圆丝材的组织；通过精拉拔中单道次变形量、速度、总变形量和退火等工艺参数的调控，优化了TA1G钛盘圆丝材的组织、性能、及表面质量的一致性。

本发明的一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，能够实现批量化生产大单重、力学性能好、尺寸均匀一致性较好的TA1G钛盘圆丝材，有效提高了航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的生产效率，使得TA1G钛盘圆丝材能够广泛应用于航空航天等各类纯钛TA1G航空航天紧固件的制造，有效提高了用TA1G钛盘圆丝材生产航空航天紧固件的生产效率，实现了进口替代。

Claims (6)

1.一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、准备直径为φ490~φ1020mm的TA1G铸锭；

步骤2、对所述TA1G铸锭依次进行开坯锻造、中间锻造和成品锻造，制得直径为φ80~φ180mm的锻坯；

步骤3、对所述锻坯进行连续大变形轧制，制得直径为φ8~φ15mm的棒坯；

步骤4、对所述棒坯进行去应力退火处理；

步骤5、对经所述步骤4去应力退火处理后的所述棒坯依次进行扒皮、粗拉拔和精拉拔，制得直径为φ3.6~φ6.8mm的丝坯；其中，在所述粗拉拔结束后、以及所述精拉拔结束后各进行一次中间退火；

步骤6、对经所述步骤5处理后得到的所述丝坯进行成品退火处理；

步骤7、通过热拉拔方式，对经所述步骤6成品退火处理后的所述丝坯进行表面硬化处理，得到直径为φ3.5~φ6.7mm的硬化丝坯；其中，所述热拉拔过程中的变形量为5~30%、加热温度为180~250℃；

步骤8、对所述硬化丝坯进行定径处理，制得直径为φ3.4~φ6.6mm的丝材，再将所述丝材盘圆后得到TA1G钛盘圆丝材。

2.根据权利要求1所述的一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤5中粗拉拔的具体方法为：

将经所述步骤4去应力退火处理后的所述棒坯拉拔加工至直径为φ5.5 ~ φ8mm的丝坯；其中，粗拉拔过程中的拉拔速度为6~12m/min、单道次变形量为8~15%、总变形量为40~70%。

3.根据权利要求2所述的一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤5中精拉拔的具体方法为：

将经粗拉拔后的所述丝坯拉拔加工至直径为φ3.6~φ6.8mm的丝坯；其中，精拉拔过程中的拉拔速度为3~6m/min、单道次变形量为5~10%、总变形量为30~60%。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述连续大变形轧制过程中，先采用感应炉加热锻坯再轧制锻坯，加热温度为700~900℃，保温时间5~10min。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤4中去应力退火处理的温度为550~700℃，保温时间为1~2h。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种航空紧固件用大单重TA1G钛盘圆丝材的制备方法，其特征在于，所述步骤6中成品退火处理的温度为550~700℃，保温时间为1~2h。