CN1657197A - 一种大规格钛合金中间坯棒材的生产方法 - Google Patents
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Abstract
大规格钛合金中间坯棒材的生产方法，其特征是：(1)涂层材料是特殊的高温水玻璃涂层；合金锭表面涂层前，表面清洁、光洁度达到3.2级；涂层时单方向涂抹，厚度0.5～1mm，涂完后晾干；(2)加热炉可以是微氧化性气氛的煤气炉；加热温度1150～1200℃，常规保温时间；(3)锻压机一火锻造是常规的“镦粗、拔长”锻造工艺，镦粗至合金锭原始高度的1/2时，将镦粗坯拔长锻造。生产的大规格(尺寸大于φ300mm)钛合金中间坯棒材，具有生产组织方便、现场可操作性强的特点，有效解决了微氧化性加热气氛下，大规格钛合金中间坯棒材镦粗、拔长锻造时易产生裂纹的难题，产品质量稳定(性能、组织和超声波探伤达到技术要求)，生产效率高，经济效益和社会效益显著。
Description
技术领域
本发明涉及冶金行业钛及钛合金的生产方法，尤其是指钛合金中间坯棒材的生产方法。
背景技术
钛合金是一种含钛85％以上的新型金属材料，具有比重轻(约4.5g/cm2，钢铁为7.8g/cm2)、耐腐蚀、使用温度高(目前最高可达到700℃多)、强度高、塑性好等许多优点，广泛地应用于航空、航天、海洋、建筑、汽车、高尔夫球头等军工重要部件、高档民用产品。
钛合金产品的基本生产工艺流程是：(1)钛合金电极制备；(2)熔炼：采用真空自耗炉熔炼(由于钛是一种活泼元素，钛合金极易在高温下与氧气反应，为保证产品质量，钛合金必须在真空状态下熔炼，国外先进国家也有采用电子束或等离子冷床熔炼方法，但炉批次小，不能满足工业化生产)，经若干次冶炼，将钛合金电极变成φ580～φ860mm圆柱体合金锭(合金铸锭)；(3)合金锭自由锻造：利用锻压机热加工锻造，将圆柱体合金锭锻造成φ200～φ400mm中间坯棒材(供下一步的锻造或轧制)；(4)成材：采用轧制(将φ200～φ400mm中间坯棒材进一步轧制成小规格的棒材，一般指φ100mm以下的成品棒材)或精模锻的压力加工方法，生产出钛合金成品。
合金锭自由锻造(合金铸锭在加热炉中加热后，利用锻压机将圆柱体合金锭锻造成φ200～φ400mm中间坯棒材)过程中，大规格钛合金中间坯棒材(一般来说，截面尺寸大于φ300mm的钛合金棒材，称之为大规格钛合金棒材；大规格钛合金棒材是不可缺少的中间坯，这是因为有些钛合金成品零件的最终尺寸比较大，为满足合金压缩比的技术要求，所需的中间坯棒材直径也比较大)的锻造时，“镦粗、拔长(先将铸锭镦粗，提高拔长时的锻造比，以确保大规格棒材的性能、组织和超声波探伤达到相应的技术要求)”是不可缺少的生产流程(受设备、技术等方面的影响，国内大部分钛合金生产企业的合金锭为φ600mm，最大的合金锭为φ860mm。若不采用“镦粗、拔长”工艺，将引起大规格钛合金中间坯棒材的锻造变形量不足，引起中间坯棒材的性能达不到技术要求，造成最终成品的性能大部分达不到技术要求。对于φ200mm以下的小规格钛合金中间坯棒材，由于总变形量较大，如φ600mm的合金锭生产φ200mm的小规格钛合金棒材中间坯，总变形量可达到80％，道次变形量分配充分，故合金锭不需“镦粗”，直接“拔长”，即可满足最终成品锻造变形量的技术要求。)。
目前，大规格钛合金中间坯棒材的“镦粗、拔长”锻造时，由于加热炉是微氧化性气氛的煤气炉(大多数钛合金生产企业使用的加热炉，是成本较低的煤气炉；若调整加热气氛，即加热气氛中无氧气存在，将煤气加热炉改为电炉加热，这种方法比较有效地阻止了钛合金加热时表面富氧层地生成，但使用电炉加热，成本很高，对于企业来说经济效益差)，中间坯棒材热加工时容易产生裂纹(钛合金铸锭在＞950℃的高温加热过程中，随着加热温度的提高、加热时间的延长，由于钛易与氧气反应，氧气快速渗透到加热工件的表面，与钛形成脆性的富氧层，从而使合金表面塑性下降，抗变应力大大增加)；另外，“镦粗”更是一个大变形的热加工过程，合金锭在进行“镦粗”变形时会产生严重裂纹，在随后的“拔长”锻造过程中，合金锻件的裂纹进一步延伸和扩展，有时必须中断生产，清理裂纹，严重影响了正常生产和产品的最终成材率。
为了避免大规格钛合金中间坯棒材镦粗、拔长锻造工序中的裂纹出现，常见的措施有：(1)少数企业以牺牲经济效益为代价，采用成本很高的无氧化性气氛的电加热炉。(2)牺牲生产效率，降低镦粗过程的变形速度(也就是多火次变形)。但是钛合金的可锻造温度范围比较窄，温降50～100℃，其变形抗力增加2倍，裂纹现象仍时有发生。(3)合金锭包套。这种方法可以阻止氧化皮的生成，但是包套工艺复杂，并且镦粗后钛合金与套子粘在一起，必须解决除套子问题。
发明内容
本发明开发一种大规格钛合金中间坯棒材的生产方法，它采用钛合金铸锭表面涂层的技术，不改变现有的技术装备，将微氧化性气氛煤气炉加热的涂层圆柱体合金铸锭，利用锻压机锻造成大规格(截面尺寸大于φ300mm)的钛合金中间坯棒材。避免了高温加热(微氧化性气氛下)过程中的钛合金铸锭脆性富氧层的形成，解决了钛合金中间坯棒材热加工锻造(镦粗、拔长工序)时易产生裂纹的技术难题，产品质量稳定，保证了正常的生产需要。
本发明提供的大规格钛合金中间坯棒材的生产方法，其特征是采用三步式工艺流程：合金锭表面涂层；加热炉加热涂层的合金铸锭；锻压机镦粗、拔长锻造；将φ580～φ860mm的圆柱体合金铸锭热加工锻造成为截面尺寸大于φ300mm的大规格钛合金中间坯棒材。
(1)合金锭表面涂层
涂层材料采用的是特殊的高温水玻璃涂层，其特点是1200℃以上的高温使用状态下，不熔化；涂层与钛合金的粘合性比较好，经过几个小时的加热后，不会脱落；特殊的高温水玻璃涂层是上海硅酸盐研究所公开销售的RT-1200热处理保护涂层，含Si、Al、K、Mg、B等元素。
合金锭表面涂层前准备：先将钛合金铸锭的黑皮和局部缺陷车光，并且光洁度要达到3.2以上，然后用酒精或丙酮将表面油渍或脏物弄干净，并且吹干；然后将洗干净的铸锭在40～80℃的烘箱里烘干(这样涂前铸锭带有一定的温度有利于涂层和合金锭更好的粘牢)。
合金锭表面涂层时：应确保周边环境整洁(避免涂层涂抹时，带入其它杂质，影响最终的效果)；涂层的厚度一般在0.5～1mm(太厚，易引起涂层脱落；太薄，保护作用差)；操作时，先将涂层搅拌均匀(如果涂层搁置时间较长，容易产生沉淀，影响涂层效果)，然后将涂层单方向抹在钛合金铸锭的表面，不能来回涂抹，觉得涂层不够厚，可以多抹几遍，但必须是单方向的；整个合金锭涂完后，不能立即进入炉子加热，需要在干燥的环境下晾干，晾干时间12～15小时，确保涂层和合金锭粘牢。
(2)加热炉加热涂层的合金锭
加热炉是微氧化性气氛的煤气炉(在钛合金铸锭加热过程中，涂层将氧气与钛合金铸锭隔离，阻止钛合金铸锭脆性氧化皮的生成，从而避免钛合金镦粗时变形抗力的下降，有效的控制裂纹的生成)；
涂层后的合金锭加热工艺是：加热温度1150～1200℃(未涂层的合金锭，常规加热温度1050～1120℃；涂层有效温度可以达到1200℃，因此，表面涂层的合金锭加热时间可以比常规加热温度提高100℃)，加热保温时间6～10小时(常规的加热保温时间)；
(3)锻压机锻造
加热后的涂层合金锭，出炉转移至锻压机锻造工位(转移过程中，涂层起到了保温作用，减缓了钛合金铸锭出炉镦粗时的温降速度)；
锻压机锻造工艺是常规的“镦粗、拔长”工艺：先将涂层合金锭镦粗至合金锭原始高度的0.5～0.6倍，此时涂层基本没有脱落(涂层与合金锭有效粘牢时间可达10小时以上。)；然后将镦粗坯拔长锻造(将锭型扩大，提高锻造变形量，以确保大规格棒材的性能、组织和超声波探伤达到相应的技术要求。)。
若合金锭镦粗后，温度较低，可以回炉加热保温1～3小时，再进行拔长锻造。
与现有技术相比，本实用新型具有下列优点：
(1)工艺简单、可操作性强；
(2)生产组织便捷，成本低廉；
(3)有效阻止钛合金高温加热表面氧化皮的生成；
(4)减少脆性氧化皮引起的锻造表面裂纹的产生；
(5)提高了产品的成材率；
(6)生产结束后无需对涂层做处理。
具体实施方案
某钢铁公司实施本发明，利用4000吨锻压机，将若干炉φ580～φ860的圆柱体合金锭，锻造成大规格(截面尺寸大于φ300mm)钛合金中间坯棒材(选取的钛合金牌号为Ti-6Al-4V铸锭和Ti-6Al-1Mo-1V-2Zr铸锭)：(1)合金锭表面涂层：涂层材料采用的是特殊的高温水玻璃涂层，它是上海硅酸盐研究所公开销售的RT-1200热处理保护涂层(含Si、Al、K、Mg、B等元素)，其特点是1200℃以上的高温使用状态下，不熔化；涂层与钛合金的粘合性比较好，经过几个小时的加热后，不会脱落。合金锭表面涂层前，先将钛合金铸锭的黑皮和局部缺陷车光，并且光洁度要达到3.2以上，然后用酒精或丙酮将表面油渍或脏物弄干净，并且吹干；再将洗干净的铸锭在40～80℃的烘箱里烘干。合金锭表面涂层时，应确保周边环境整洁；涂层的厚度一般在0.5～1mm；操作时，先将涂层搅拌均匀，然后将涂层单方向抹在钛合金铸锭的表面，不能来回涂抹，觉得涂层不够厚，可以多抹几遍，但必须是单方向的；整个合金锭涂完后，需要在干燥的环境下晾干，晾干时间12～15小时。(2)加热炉加热涂层的合金锭：加热炉是微氧化性气氛的煤气炉；加热工艺是，加热温度1150～1200℃，加热保温时间6～10小时；(3)锻压机锻造：加热后的涂层合金锭，出炉转移至锻压机锻造工位；锻压机锻造工艺是常规的“镦粗、拔长”工艺：先将涂层合金锭镦粗至合金锭原始高度的0.5～0.6倍，然后将镦粗坯拔长锻造(若合金锭镦粗后，温度较低，可以回炉加热保温1～3小时，再进行拔长锻造。)。
实施本发明生产大规格(截面尺寸大于φ300mm)钛合金中间坯棒材，具有生产组织方便、现场可操作性强、装备通用性强的特点，有效解决了微氧化性气氛加热下，大规格钛合金中间坯棒材锻造(镦粗、拔长工序)时易产生裂纹的技术难题，产品质量稳定(大规格棒材的性能、组织和超声波探伤达到相应的技术要求)，生产效率高，经济效益和社会效益显著。
Claims (3)
1、大规格钛合金中间坯棒材的生产方法，其特征是采用三步式工艺流程：合金锭表面涂层；加热炉加热涂层的合金铸锭；锻压机镦粗、拔长锻造；将580～860mm的圆柱体合金铸锭，热加工锻造成为截面尺寸大于300mm的大规格钛合金中间坯棒材：
(1)合金锭表面涂层
涂层材料采用的是特殊的高温水玻璃涂层，其特点是1200℃以上的高温使用状态下，不熔化；涂层与钛合金的粘合性比较好，经过几个小时的加热后，不会脱落；
合金锭表面涂层前准备：先将钛合金铸锭的黑皮和局部缺陷车光，并且光洁度要达到3.2以上，然后用酒精或丙酮将表面油渍或脏物弄干净，并且吹干；然后将洗干净的铸锭在40～80℃的烘箱里烘干；
合金锭表面涂层时：应确保周边环境整洁，避免涂层涂抹时，带入其它杂质；涂层的厚度一般在0.5～1mm；操作时，先将涂层搅拌均匀，然后将涂层单方向抹在钛合金铸锭的表面，不能来回涂抹，觉得涂层不够厚，可以多抹几遍，但必须是单方向的；整个合金锭涂完后，不能立即进入炉子加热，需要在干燥的环境下晾干，晾干时间12～15小时；
(2)加热炉加热涂层的合金锭
加热炉是微氧化性气氛的煤气炉；
涂层后的合金锭加热工艺是：加热温度1150～1200℃，加热保温时间是常规的6～10小时；
(3)锻压机锻造
加热后的涂层合金锭，出炉转移至锻压机锻造工位；
锻压机锻造工艺是常规的“镦粗、拔长”工艺：先将涂层合金锭镦粗至合金锭原始高度的0.5～0.6倍，此时涂层基本没有脱落；然后将镦粗坯拔长锻造。
2、根据权利要求1所述的大规格钛合金中间坯棒材的生产方法，其特征在于：
合金锭表面涂层时，采用的特殊高温水玻璃涂层是上海硅酸盐研究所公开销售的RT-1200热处理保护涂层，含Si、Al、K、Mg、B等元素。
3、根据权利要求1所述的大规格钛合金中间坯棒材的生产方法，其特征在于：
锻压机锻造时，若合金锭镦粗后，温度较低，可以回炉加热保温1～3小时，再进行拔长锻造。
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