TWI565807B - 鈦合金塊體材料之製造方法及其應用 - Google Patents

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鈦合金塊體材料之製造方法及其應用
本發明係有關一種鈦合金塊體材料之製造方法及其應用，特別是提供一種具有均勻組織及良好表面品質之鈦合金塊體材料之製造方法及其應用。
鈦合金材料具有質輕、強度高、耐熱性佳、良好的抗腐蝕性及優異的生物相容性，且鈦合金材料於高溫下仍具有良好之強度。故，鈦合金材料係廣泛應用於化工、生醫及航太等技術領域。
由於鈦合金材料之優異性能，鈦合金胚多被製作為盤元或棒材等形狀之鈦合金材料。一般製作盤元或棒材等形狀之鈦合金材料係藉由鍛造之方式或利用兩輥往覆式軋延機製造。
前述鍛造之方式的設備較為簡便，且其操作較簡單。然而，所製得之鈦合金材料的精度較差，表面易產生裂紋或凹坑等缺陷，材料損失大且其成材率較低。
其次，前述之往覆式軋延機可藉由調整軋延步驟之參數，而使所製得之鈦合金材料具有所需的顯微組織。惟，當鈦合金胚進行往覆式軋延時，鈦合金胚的溫降較快，而易增加鈦合金胚的變形阻抗，進而易產生軋延缺陷或裂紋，故增加軋延之困難性。
據此，當鈦合金胚之溫度過低時，鈦合金胚須再次加熱，以降低變形阻抗，而可再次軋延，進而使往覆軋延所製得之鈦合金材料符合尺寸需求。
其中，受限於前述再次加熱之限制，往覆式軋延機單次所製得之鈦合金材料的重量較低(約為20公斤至50公斤)，而降低其生產效率。
此外，雖然可藉由設計軋延機之軋輥改善所製得鈦合金材料的品質，惟此軋延機仍須藉由再次加熱，以避免鈦合金胚之溫度過低。據此，軋延機之生產效率仍無法有效提升。
有鑑於此，亟須提供一種鈦合金塊體材料之製造方法，以改進習知鈦合金塊體材料之製造方法之缺陷。
因此，本發明之一態樣是在提供鈦合金塊體材料之製造方法，藉由調整加熱步驟之加熱溫度及單次軋延步驟之軋延速度與完軋溫度，以製得具有均勻組織及良好表面品質之鈦合金塊體材料。
本發明之另一態樣是在提供一種鈦合金塊體材料，其係利用前述之方法製得。
根據本發明之一態樣，提出一種鈦合金塊體材料之製造方法。此製造方法係先提供鈦合金胚，並對此鈦合金胚進行加熱步驟。其中，鈦合金胚係鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金，其中此鈦合金胚具有β相轉變溫度(Tβ)。
前述加熱步驟之加熱溫度(Th)係大於或等於(Tβ-150℃)且小於Tβ。
然後，對鈦合金胚進行單次軋延步驟，以製得鈦合金塊體材料，其中鈦合金塊體材料係鈦合金盤元或鈦台金棒材。單次軋延步驟之軋延速度為20公尺/秒至40公尺/秒，且鈦合金塊體材料之完軋溫度(Tf)係大於或等於(Tβ-250℃)且小於Tβ。
依據本發明之一實施例，基於鈦合金胚之總重量為100重量百分比(wt%)，鈦合金胚包含5.5wt%至6.75wt%之鋁、3.5wt%至4.5wt%之釩、小於0.4wt%之鐵、小於0.2wt%之氧、小於0.08wt%之碳、小於0.05wt%之氮、小於0.015wt%之氫，且其餘為鈦。
依據本發明之另一實施例，相對於前述之鈦合金胚，鈦合金塊體材料之斷面縮減率大於90%。
依據本發明之又一實施例，前述鈦合金胚之長度至少為5公尺。
依據本發明之再一實施例，前述之加熱溫度係大於或等於(Tβ-100℃)且小於Tβ。
依據本發明之又另一實施例，前述之完軋溫度係大於或等於(Tβ-200℃)且小於Tβ。
依據本發明之再另一實施例，前述單次軋延步驟之軋延速度為30公尺/秒至40公尺/秒。
根據本發明之另一態樣，提出一種鈦合金塊體材料，其係藉由前述之方法製得，其中此鈦合金塊體材料不具有β相組織。
依據本發明之一實施例，前述鈦合金塊體材料之缺陷深度不大於0.15公釐。
應用本發明鈦合金塊體材料之製造方法及其應用，其利用調整鈦合金胚之加熱溫度及單次軋延步驟之軋延速度與完軋溫度，以使所製得鈦合金塊體材料中之組織為等軸α相，且鈦合金塊體材料具有不大於0.15公釐之表面缺陷深度。
100‧‧‧方法
110‧‧‧提供鈦合金胚之步驟
120‧‧‧進行加熱步驟之步驟
130‧‧‧進行單次軋延步驟之步驟
140‧‧‧製得鈦合金塊體材料
為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下：〔圖1〕係繪示依照本發明之一實施例之鈦合金塊體材料的製造方法之流程圖。
〔圖2〕係顯示依照本發明之實施例1之鈦合金塊體材料的光學顯微鏡圖。
〔圖3〕係顯示依照本發明之比較例1之鈦合金塊體材料的光學顯微鏡圖。
以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
本發明所稱之「β相轉變溫度(Tβ)」係指鈦合金塊體材料中之組織相由α相轉變為β相時之溫度。其中，α相係指鈦合金塊體材料之六方最密堆積(Hexagonal Close-Packed；HCP)晶體結構，且β相係指鈦合金塊體材料之體心立方(Body-Centered Cubic；BCC)晶體結構。
請參照圖1，其係繪示依照本發明之一實施例之鈦合金塊體材料的製造方法之流程圖。在一實施例中，此製造方法100先提供鈦合金胚，如步驟110所示。此鈦合金胚係鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金，其中此鈦合金胚之β相轉變溫度(Tβ)為1000℃。
基於前述鈦合金胚之總重量為100重量百分比(wt%)，前述之鈦合金胚包含5.5wt%至6.75wt%之鋁、3.5wt%至4.5wt%之釩、小於0.4wt%之鐵、小於0.2wt% 之氧、小於0.08wt%之碳、小於0.05wt%之氮、小於0.015wt%之氫，且其餘為鈦。
在一實施例中，為了連續地生產鈦合金塊體材料，鈦合金胚之長度至少為5公尺。
然後，對前述之鈦合金胚進行加熱步驟，如步驟120所示。加熱步驟之加熱溫度(Th)係大於或等於(Tβ-150℃)且小於Tβ。
若前述加熱步驟之加熱溫度(Th)小於(Tβ-150℃)時，由於鈦合金胚之溫度過低，而具有較高之變形阻抗，進而增加後續進行單次軋延步驟之困難性，因此無法藉由單次軋延步驟製得滿足要求之鈦合金塊體材料，且接續軋延所製得之鈦合金塊體材料易具有較深之表面缺陷深度。
若前述加熱步驟之加熱溫度大於或等於Tβ時，鈦合金塊體材料中之晶體結構會轉變為β相，而無法製得等軸α相晶體結構之含量滿足需求的鈦合金塊體材料，進而無法符合應用之需求。其次，於高溫時，鈦合金塊體材料易與環境中之氧氣產生反應，而形成機械性質較為硬脆之氧化吸氣層，進而易形成表面缺陷。
在一實施例中，前述加熱步驟之加熱溫度係大於或等於(Tβ-100℃)且小於Tβ。
當進行前述之加熱步驟時，當鈦合金胚之表面溫度及內部溫度達到均一時，加熱步驟即可結束。若鈦合金胚之表面溫度及內部溫度不一時，鈦合金胚之表面及內部具有不同之變形阻抗，故當後續之單次軋延步驟進行時，單次 軋延步驟所製得之鈦合金塊體材料易產生表面缺陷，而降低鈦合金塊體材料之功效。
進行步驟120後，對鈦合金胚進行單次軋延步驟，即可製得鈦合金塊體材料，如步驟130及步驟140所示。
於步驟130中，單次軋延步驟之軋延速度為20公尺/秒至40公尺/秒。
若單次軋延步驟之軋延速度小於20公尺/秒時，鈦合金胚之表面溫度係大幅降低，而增加其變形阻抗，進而易於單次軋延步驟時產生表面缺陷。若軋延速度大於40公尺/秒時，所製得鈦合金塊體材料之晶體結構較不均勻，而降低鈦合金塊體材料之功效。
在一實施例中，前述單次軋延步驟之軋延速度可為30公尺/秒至40公尺/秒。
於單次軋延步驟進行後，所製得鈦合金塊體材料之完軋溫度(Tf)係大於或等於(Tβ-250℃)且小於Tβ。
若鈦合金塊體材料之完軋溫度小於(Tβ-250℃)時，所製得鈦合金塊體材料具有較高之表面強度，而易產生表面缺陷深度。若鈦合金塊體材料之完軋溫度大於Tβ時，所製得之鈦合金塊體材料具有β相，而無法製得等軸α相晶體結構之含量滿足需求的鈦合金塊體材料，進而無法符合應用之需求。
在一實施例中，鈦合金塊體材料之完軋溫度係大於或等於(Tβ-200℃)且小於Tβ。
本發明所製得之鈦合金塊體材料可為鈦合金盤元或鈦合金棒材，且相對於鈦合金胚，鈦合金塊體材料之斷面縮減率大於90%。其中，根據後端應用之尺寸需求，鈦合金塊體材料之斷面縮減率可適當地調整。
在一具體例中，於本發明所載鈦合金塊體材料之製造方法中，本發明僅對鈦合金胚進行一次加熱步驟及單次軋延步驟，即可製得鈦合金塊體材料。其中，基於所製得鈦合金塊體材料為100%，鈦合金塊體材料具有100%之等軸α相組織，且其缺陷深度不大於0.15公釐。
其次，於同時兼顧表面缺陷深度(不大於0.15公釐)及應用需求之前提下，基於本發明鈦合金塊體材料為100%，鈦合金塊體材料可具有大於或等於50%且小於100%之等軸α相組織。於此具體例中，鈦合金塊體材料所使用之原料(鈦合金胚)可具有β相組織，且基於鈦合金胚為100%，鈦合金胚可具有不大於50%之β相組織。
再者，由於本案所載鈦合金塊體材料之製造方法僅須進行一次加熱步驟及單次軋延步驟，而不須對單一鈦合金胚進行多次加熱軋延之循環。故，藉由本發明所載之製造方法，軋延機可連續軋延多個鈦合金胚，而可提升軋延機之生產效率，且單次生產之鈦合金塊體材料的重量亦遠高於習知往覆軋延之軋延機。
在另一具體例中，本發明所載鈦合金塊體材料之製造方法較佳係於惰性氣體環境中進行。
在又一具體例中，本發明所載鈦合金塊體材料之製造方法可藉由一般碳鋼材料之軋延設備製作，而不須額外增設軋延設備，進而可提升設備利用率。
以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。
製備鈦合金塊體材料 實施例1
首先，對Ti-6Al-4V合金之鈦合金胚進行加熱步驟，其中鈦合金胚之β相轉變溫度為1000℃，且加熱步驟之加熱溫度設定為930℃。
待鈦合金胚之表面溫度及內部溫度均達到930℃時，對鈦合金胚進行單次軋延步驟，即可製得實施例1之鈦合金塊體材料，其中單次軋延步驟之軋延速度設定為30公尺/秒，且所製得鈦合金塊體材料之完軋溫度為920℃。
於實施例1中，所製得之鈦合金塊體材料為鈦合金盤元，且其單重約為700公斤。
接著，測量所製得鈦合金塊體材料表面之缺陷深度，並以下述顯微組織之評價方式進行評價，所得結果如第1表所示。
實施例2與實施例3及比較例1至比較例4
實施例2與實施例3及比較例1至比較例4係使用與實施例1之製造方法相同之流程步驟，不同之處在於實施 例2與實施例3及比較例1至比較例4係改變加熱步驟及單次軋延步驟之製程條件，且其條件及評價結果如第1表所示，在此不另贅述。
評價項目 顯微組織
實施例1至實施例3及比較例1至比較例4所製得之鈦合金塊體材料的組織之顯微組織係藉由光學顯微鏡來觀察，並依據下列基準進行評價：
○：鈦合金塊體材料僅具有等軸α相組織。
△：等軸α相組織及β相組織同時存在於鈦合金塊體材料中。
×：鈦合金塊體材料僅具有β相組織。
請參照第1表，藉由本發明所載之製造方法可製得僅具有等軸α相組織之鈦合金塊體材料，且表面缺陷深度不大於0.15公釐，而具有良好之表面品質，並可滿足應用之需求。
於實施例1至實施例3中，由於其加熱步驟之加熱溫度及單次軋延步驟之軋延速度與完軋溫度均控制於本發明所揭露之特定範圍中，故所製得之鈦合金塊體材料僅具有等軸α相組織，且其表面缺陷深度不大於15公釐。
此外，藉由本發明所載鈦合金塊體材料之製造方法，本發明可有效提升軋延效率，且單次所製得鈦合金塊體材料之重量可達650公斤至1250公斤。
然而，於比較例1及比較例2中，由於加熱步驟之加熱溫度已大於β相轉變溫度，故進行單次軋延步驟前之鈦合金胚中的組織已轉變為β相組織。據此，雖然後續單次軋延步驟之軋延速度及完軋溫度均控制於本發明所揭露之特定範圍內，惟過高之加熱溫度已使鈦合金胚中之組織轉變為β相組織，故所製得之鈦合金塊體材料無法滿足後端應用之需求。
其次，由於鈦合金胚之組織於進行單次軋延步驟前，過高之加熱溫度易使鈦合金與氧氣產生反應，而形成質地較硬脆之氧化吸氣層，故鈦合金胚進行後續之單次軋延步驟時，表面易形成缺陷裂紋，而增加所製得鈦合金塊體材料之表面缺陷深度。
請參照圖2及圖3，其係分別顯示依照本發明之實施例1及比較例1之鈦合金塊體材料的光學顯微鏡圖，且其比例尺規之長度代表25μm。於圖2中，實施例1所製得之鈦合金塊體材料具有均勻的等軸α相組織；於圖3中，比較例1所製得鈦合金塊體材料中的組織為片層狀之費德曼組織。
於比較例3中，雖然鈦合金胚之加熱溫度及單次軋延步驟之軋延速度均控制於本發明所揭露之特定範圍 內，惟其完軋溫度等於β相轉變溫度，故所製得鈦合金塊體材料中之組織為片層狀費德曼組織。
其中，雖然比較例3所製得鈦合金塊體材料中之組織為延性較差的費德曼組織。惟，於進行單次軋延步驟前，比較例3之鈦合金胚之組織仍為等軸α相組織，且其加熱溫度較低，而使所形成之氧化吸氣層的厚度較薄，故單次軋延步驟所施加之軋延壓力不易使得表面產生缺陷裂紋。據此，比較例3所製得鈦合金塊體材料之表面缺陷深度不大於0.15公釐。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧方法
110‧‧‧提供鈦合金胚之步驟
120‧‧‧進行加熱步驟之步驟
130‧‧‧進行單次軋延步驟之步驟
140‧‧‧製得鈦合金塊體材料

Claims (9)

  1. 一種鈦合金塊體材料之製造方法，包含：提供一鈦合金胚，其中該鈦合金胚係鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金，且該鈦合金胚之一β相轉變溫度(Tβ)為1000℃；對該鈦合金胚進行一加熱步驟，其中該加熱步驟之一加熱溫度(Th)係大於或等於850℃且小於1000℃；以及對該鈦合金胚進行一單次軋延步驟，以製得該鈦合金塊體材料，其中該鈦合金塊體材料係鈦合金盤元或鈦合金棒材，該單次軋延步驟之一軋延速度為20公尺/秒至40公尺/秒，且該鈦合金塊體材料之一完軋溫度(Tf)係大於或等於750℃且小於1000℃。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金塊體材料之製造方法，其中基於該鈦合金胚之總重量為100重量百分比(wt%)，該鈦合金胚包含5.5wt%至6.75wt%之鋁、3.5wt%至4.5wt%之釩、小於0.4wt%之鐵、小於0.2wt%之氧、小於0.08wt%之碳、小於0.05wt%之氮、小於0.015wt%之氫，且其餘為鈦。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金塊體材料之製造方法，其中相對於該鈦合金胚，該鈦合金塊體材料之一斷面縮減率大於90%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金塊體材料之製造方法，其中該鈦合金胚之一長度至少為5公尺。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金塊體材料之製造方法，其中該加熱溫度係大於或等於900℃且小於1000℃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金塊體材料之製造方法，其中該完軋溫度係大於或等於800℃且小於1000℃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金塊體材料之製造方法，其中該單次軋延步驟之一軋延速度為30公尺/秒至40公尺/秒。
  8. 一種鈦合金塊體材料，藉由如申請專利範圍第1至7項中之任一項所述之方法製得，其中該鈦合金塊體材料不包含β相組織。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之鈦合金塊體材料，其中該鈦合金塊體材料之一缺陷深度不大於0.15公釐。
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