TWI645917B - 鈦合金盤元的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種鈦合金盤元的製造方法，其係藉由對鈦-6鋁-4釩合金在高於β相轉變溫度下進行連續軋延步驟，接著在低於β相轉變溫度下進行盤元軋延步驟及眼模抽線步驟，以在單次製程中獲得大量且具有等軸α相顯微組織的鈦合金盤元。

Description

鈦合金盤元的製造方法

本發明是關於一種鈦合金盤元的製造方法，特別是關於一種鈦-6鋁-4釩合金盤元的製造方法。

鈦合金具有比強度高、耐蝕性佳、彈性模數低、耐熱性佳、低溫性質佳、生物相容性高、熱傳係數低、無磁性以及氧化膜強度高且色彩鮮豔的特性，因此鈦合金被廣泛用於民生、石化、航太、軍事及醫療產業中。

然而，由於鈦合金材料之變形阻抗、熱加工性及組織性能的影響，鈦合金在軋延過程中的溫度下降會導致變形阻抗迅速上升，進而增加軋延的困難度。再者，由於鈦合金的熱傳係數低，若軋延溫度控制不當，鈦合金材料會因軋延熱導致溫度上升，甚至超過相轉變溫度，而形成不均勻組織。

鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金係美國研發出的第一種鈦合金。由於鈦-6鋁-4釩合金在高溫下具有較高比強度及抗腐蝕的性質，故適合作為航太材料。再者，超低間隙(extra low interstitial，ELI)元素的鈦-6鋁-4釩合金之楊 氏係數(Young’s modulus)低且具有良好的生物相容性，故為良好的生醫植入材料。

鈦-6鋁-4釩合金係典型的(α+β)雙相(低溫α相的六方最密堆積以及高溫β相的體心立方堆積)結構。由於α相及β相之間的介面限制會阻礙差排的移動，因此，鈦-6鋁-4釩合金須藉由製程控制，獲得適當的顯微組織，以優化其機械性質並提升等向性。然而，鈦-6鋁-4釩合金若在溫度高於β相轉變溫度(T_β)時進行軋延，無法獲得生醫與航太規範所要求之顯微組織，而在兩相區時(即，溫度低於β相轉變溫度時)的強度高，不易進行加工。

習知一種鈦-6鋁-4釩合金的製造方法係藉由控制鈦-6鋁-4釩合金胚的鍛造、軋延與拉拔變形的溫度，以及拉拔道次的變形量及速度，以製造醫用高強度的鈦合金絲。然而，此習知方法須經過多火次鍛造，並控制鍛造溫度在兩相區，以將線徑約為70mm的鈦胚軋延成線徑約為8mm的盤元。再者，此習知方法不僅須進行控溫軋延且控溫精度需在±5℃以內，且須加裝冷卻裝置，以確保材料溫度恆定。接著，再進行十道次以上的眼模抽線，以獲得所需線徑。因此，此習知方法雖然可製造高強度的生醫鈦合金絲材，但加工步驟繁複，且生產效率較低。

有鑑於此，亟須提供一種鈦合金盤元的製造方法，以獲得均勻顯微組織，並提高盤元生產效率。

本發明之一態樣是提供一種鈦合金盤元的製造方法，藉由兩階段的軋延步驟搭配眼模抽線步驟，以獲得具有等軸α相顯微組織的鈦合金盤元。

根據本發明之一態樣，提供一種鈦合金盤元的製造方法。首先，提供鈦合金鑄胚。鈦合金鑄胚為鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金，且此鈦合金鑄胚具有β相轉變溫度(T_β)。接著，對鈦合金鑄胚進行第一加熱步驟，以獲得高溫合金鑄胚。高溫合金鑄胚之溫度為大於β相轉變溫度。然後，對高溫合金鑄胚進行連續軋延步驟，以獲得第一盤元。

接著，對第一盤元進行第二加熱步驟，以獲得高溫第一盤元。高溫第一盤元之溫度為大於或等於(T_β-200)℃且小於β相轉變溫度。然後，對高溫第一盤元進行盤元軋延步驟，以獲得第二盤元。盤元軋延步驟之總裁減量為大於30%。

接著，對第二盤元進行第三加熱步驟，以獲得高溫第二盤元。然後，對高溫第二盤元進行眼模抽線步驟，以獲得鈦合金盤元。鈦合金盤元之顯微組織為等軸α相。

根據本發明之一實施例，基於上述之鈦合金鑄胚為100wt%，鈦合金鑄胚包含5.5wt%至6.75wt%的鋁、3.5wt%至4.5wt%的釩、小於0.4wt%的鐵、小於0.2wt%的氧、小於0.08wt%的碳、小於0.05wt%的氮、小於0.015wt%的氫，且其餘成分為鈦。

根據本發明之一實施例，上述盤元軋延步驟之每一道次的裁減量為大於或等於30%。

根據本發明之一實施例，上述盤元軋延步驟係進行2道次至6道次。

根據本發明之一實施例，上述盤元軋延步驟之總裁減量為50%至75%。

根據本發明之一實施例，上述高溫第二盤元之溫度為(T_β-400)℃且小於β相轉變溫度。

根據本發明之一實施例，上述眼模抽線步驟係進行2道次以上。

根據本發明之一實施例，上述眼模抽線步驟之每一道次的裁減量為10%至15%。

根據本發明之一實施例，在上述眼模抽線步驟每進行2道次至3道次後，鈦合金盤元的製造方法更包含對鈦合金盤元進行退火步驟。

根據本發明之一實施例，上述退火步驟之退火溫度為650℃至850℃。

應用本發明之鈦合金盤元的製造方法，藉由對鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金進行連續軋延步驟、盤元軋延步驟及眼模抽線步驟，以在單次製程中獲得大量且具有等軸α相的鈦合金盤元。

100‧‧‧方法

110‧‧‧提供鈦合金鑄胚

120‧‧‧對鈦合金鑄胚進行第一加熱步驟，以獲得高溫合金鑄胚

130‧‧‧對高溫合金鑄胚進行連續軋延步驟，以獲得第一盤元

140‧‧‧對第一盤元進行第二加熱步驟，以獲得高溫第一盤元

150‧‧‧對高溫第一盤元進行盤元軋延步驟，以獲得第二盤元

160‧‧‧對第二盤元進行第三加熱步驟，以獲得高溫第二盤元

170‧‧‧對高溫第二盤元進行眼模抽線步驟，以獲得鈦合金盤元

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： [圖1]係繪示根據本發明一實施例之鈦合金盤元的製造方法的流程圖。

[圖2A]及[圖2B]係分別顯示實施例一之鈦合金盤元之表面及心部的顯微組織。

[圖3A]及[圖3B]係分別顯示比較例一之第一盤元之表面及心部的顯微組織。

[圖4A]及[圖4B]係分別顯示比較例一之鈦合金盤元之表面及心部的顯微組織。

[圖5A]及[圖5B]係分別顯示比較例二之鈦合金盤元之表面及心部的顯微組織。

[圖6A]及[圖6B]係分別顯示比較例三之鈦合金盤元之表面及心部的顯微組織。

承上所述，本發明提供一種鈦合金盤元的製造方法，藉由兩階段的軋延步驟搭配眼模抽線步驟，以獲得具有等軸α相顯微組織的鈦合金盤元。

本發明所述之盤元的「線徑」係指盤元的直徑。

請參閱圖1，其係繪示根據本發明一實施例之鈦合金盤元的製造方法100的流程圖。首先，進行步驟110，提供鈦合金鑄胚。鈦合金鑄胚為鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金。在一實施例中，基於鈦合金鑄胚為100wt%，鈦合金鑄胚包含5.5wt%至6.75wt%的鋁、3.5wt%至4.5wt%的釩、小於0.4wt%的鐵、小於0.2wt%的氧、小於0.08wt% 的碳、小於0.05wt%的氮、小於0.015wt%的氫，且其餘成分為鈦。此鈦合金鑄胚一般係具有(α+β)的雙相結構，故鈦合金鑄胚具有β相轉變溫度(T_β)，當鈦合金鑄胚溫度高於β相轉變溫度時，其顯微組織以β相為主。β相轉變溫度會隨著鈦合金鑄胚的組成不同而有所差異。在一實施例中，β相轉變溫度為小於或等於1000℃。在另一實施例中，β相轉變溫度為950℃至990℃。

接著，進行步驟120，對鈦合金鑄胚進行第一加熱步驟，以獲得高溫合金鑄胚。在一實施例中，高溫合金鑄胚之溫度為大於β相轉變溫度(T_β)。在一具體例中，高溫合金鑄胚之溫度為1000℃至1100℃。由於鈦-6鋁-4釩合金的變形阻抗會隨溫度下降而上升，而使軋延難度增加，故在進行後續軋延步驟之前，先將鈦合金鑄胚加熱。然後，進行步驟130，對高溫合金鑄胚進行連續軋延步驟，以獲得第一盤元。藉由步驟120將鈦合金鑄胚加熱至高於β相轉變溫度，以降低鈦合金鑄胚進行後續步驟130之軋延時的變形阻抗，進而減低軋延機的負荷，並提高軋延效率。在一實施例中，連續軋延步驟的裁減量係大於90%。在一實施例中，第一盤元的線徑為8mm至18mm。在一實施例中，步驟130係使用串列式軋機進行，故可單次生產大單重盤元，例如大於500公斤。在一實施例中，連續軋延步驟的完軋溫度為850℃至950℃。藉由較高的完軋溫度，可使第一盤元較易進行盤捲。

由於在連續軋延步驟的過程中，鑄胚會不斷復 熱，不易控制鑄胚的溫度，則鑄胚之溫度可能在連續軋延步驟時不斷上升，甚至超過β相轉變溫度，因此連續軋延步驟中無法獲得具有等軸α相之顯微組織的盤元。在一實施例中，第一盤元的顯微組織為(α+β)相的片層狀組織。

接著，進行步驟140，對第一盤元進行第二加熱步驟，以獲得高溫第一盤元。在一實施例中，高溫第一盤元之溫度為大於或等於(T_β-200)℃且小於β相轉變溫度(T_β)。在另一實施例中，高溫第一盤元之溫度為750℃至980℃。由於高溫第一盤元的溫度係低於β相轉變溫度，故高溫第一盤元係在兩相區。

然後，進行步驟150，對高溫第一盤元進行盤元軋延步驟，以獲得第二盤元。藉由將在兩相區的高溫第一盤元進行盤元軋延步驟，以對高溫第一盤元進行改質，進而使所獲得之第二盤元之心部的顯微組織轉變成等軸α相。補充說明的是，在此所述之「盤元心部」係指自盤元中心向上下外徑各延伸15%。舉例而言，若線徑為10mm，則盤元心部為盤元中心向上及向下各延伸1.5mm，即盤元中心部分約3.0mm所占的部分。在一實施例中，盤元軋延步驟的總裁減量為大於30%，較佳為50%以上，更佳為50%至75%。盤元軋延步驟的總裁減量若小於30%，無法有效破壞第一盤元的顯微組織(例如片層狀組織)，則無法使第一盤元進行再結晶而發生改質，以獲得所欲製得的顯微組織。

在一實施例中，盤元軋延步驟係進行2道次至6道次，較佳為2道次至3道次。須理解的是，每一道次的盤 元軋延步驟係包含進行步驟140的加熱及步驟150的盤元軋延。盤元軋延步驟所進行的道次係取決於欲製得之鈦合金盤元的線徑尺寸。在一實施例中，第二盤元的線徑為5mm至15mm。在另一實施例中，盤元軋延步驟之每一道次的裁減量為大於或等於30%。藉由盤元軋延步驟之每一道次的特定裁減量，以控制盤元的應變能(strain energy)，以使第二盤元之心部至距離表面四分之一處的顯微組織轉變成等軸α相。補充說明的是，在此所述之「盤元心部至距離表面四分之一處」係指由上述之盤元心部再往外延伸線徑的20%所占之部分。由於「盤元心部」及「盤元心部至距離表面四分之一處」主要皆是在步驟150的盤元軋延中轉變成在等軸α相的顯微組織，因此，以下說明書中，將上述之盤元心部及其至距離表面四分之一處合稱為心部，即下述之心部係包含自盤元中心向上及向下各延伸線徑的35%所占之部分，即盤元中心部分之整體線徑的70%。根據裁減量的不同，第二盤元之表面部分的顯微組織亦會選擇性地轉變成等軸α相。在一實施例中，盤元軋延步驟係使用熱間軋輥機進行，其中熱間軋輥機可為兩輥式軋機或三輥式軋機。在一具體例中，盤元軋延步驟係使用兩組兩輥式軋機進行，以獲得特定形貌的盤元。

接著，進行步驟160，對第二盤元進行第三加熱步驟，以獲得高溫第二盤元。在一實施例中，高溫第二盤元之溫度為(T_β-400)℃且小於β相轉變溫度(T_β)。在另一實施例中，高溫第二盤元之溫度為550℃至950℃，較佳為650 ℃至750℃。步驟160的加熱溫度可根據第二盤元之表面部分的顯微組織及後續眼模抽線步驟的耐溫狀況而調整。舉例而言，若第二盤元的顯微組織已大部分為等軸α相，則不須將第二盤元加熱至太高溫度，即可藉由後續步驟使盤元之表面的顯微組織皆轉變成等軸α相，可減少製程成本。

然後，進行步驟170，對高溫第二盤元進行眼模抽線步驟，以獲得鈦合金盤元。在一實施例中，眼模抽線步驟之每一道次的裁減量為10%至15%。在一實施例中，眼模抽線步驟係進行2道次以上，例如2道次至10道次。在一實施例中，鈦合金盤元的線徑為小於12mm，例如為2mm至12mm。藉由眼模抽線步驟，除了獲得特定線徑的鈦合金盤元以外，更可使鈦合金盤元之表面部分的顯微組織轉變為等軸α相，並可提高所製得之鈦合金盤元之形貌的精密度。補充說明的是，在此所述之盤元的「表面部分」係指由盤元之外表面向內部延伸線徑的15%所占之部分。

由於在進行多道次後的眼模抽線步驟後，盤元會有加工硬化的現象，此時若繼續進行眼模抽線，盤元可能發生斷裂，故可選擇性地在多道次的眼模抽線後進行退火，以軟化盤元。在一實施例中，當眼模抽線步驟每進行2道次至3道次後，可選擇性地進行退火步驟，以使高溫第二盤元之溫度較適合繼續進行眼模抽線。換言之，若眼模抽線步驟欲進行9道次，則可在進行3道次後，進行一次退火步驟，再繼續進行眼模抽線，經過3道次後，再進行一次退火步驟，最後再進行3道次的眼模抽線，以製得具有特定線徑的 鈦合金盤元。在一實施例中，退火步驟的退火溫度可為650℃至850℃。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，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。

實施例一

將長為145mm且寬為145mm的鈦-6鋁-4釩合金方胚加熱至1050℃，並使用串列式連續軋機將鈦合金方胚軋延成線徑為8mm的第一盤元，其中完軋溫度為930℃。接著，使用分別為垂直及水平兩對軋輥所組成的兩輥式軋機對加熱至930℃的第一盤元進行軋延步驟，進行3道次的軋延步驟後，獲得線徑為4.8mm的第二盤元，其中每一道次的裁減量為約30%至35%。然後，對加熱至700℃的第二盤元進行2道次的眼模抽線步驟，以獲得線徑為4mm的鈦合金盤元，其中眼模抽線步驟之每一道次的裁減量為12%至15%。如圖2A及圖2B所示，圖2A及圖2B係分別顯示實施例一之鈦合金盤元之表面部分及心部的顯微組織，實施例一所製得之鈦合金盤元之表面部分及心部的顯微組織均為等軸α相。

比較例一

將長為145mm且寬為145mm的鈦-6鋁-4釩合金方胚加熱至1050℃，並使用串列式連續軋機將鈦合金方胚軋延成線徑為8mm的第一盤元，其中完軋溫度為930℃。請參照圖3A及圖3B，其係分別顯示比較例一之第一盤 元之表面部分及心部的顯微組織。由圖3A及圖3B可看出第一盤元之表面部分及心部均為(α+β)相的片層狀費德曼組織。接著，對加熱至700℃的第一盤元進行9道次的眼模抽線步驟，以獲得線徑為4mm的鈦合金盤元，其中眼模抽線步驟之每一道次的裁減量為約15%。請參照圖4A及圖4B，其係分別顯示比較例一之鈦合金盤元之表面部分及心部的顯微組織，圖4A顯示比較例一所製得之鈦合金盤元之表面部分為等軸α相的顯微組織，而圖4B顯示鈦合金盤元之心部為(α+β)相的片層狀費德曼組織。

比較例二

將長為145mm且寬為145mm的鈦-6鋁-4釩合金方胚加熱至1050℃，並使用串列式連續軋機將鈦合金方胚軋延成線徑為8mm的第一盤元，其中完軋溫度為930℃。接著，使用由垂直及水平兩對軋輥所組成的兩輥式軋機對加熱至1000℃的第一盤元進行軋延步驟，經過3道次的軋延後，獲得線徑為4.8mm的第二盤元，其中每一道次的裁減量為約30%至約35%。請參照圖5A及圖5B，其係分別顯示比較例二之鈦合金盤元之表面部分及心部的顯微組織。圖5A及圖5B顯示比較例二所製得之鈦合金盤元之表面部分及心部均為(α+β)相的片層狀費德曼組織。

比較例三

將長為145mm且寬為145mm的鈦-6鋁-4釩合金方胚加熱至1050℃，並使用串列式連續軋機將鈦合金方胚軋延成線徑為8mm的第一盤元，其中完軋溫度為930 ℃。接著，使用由垂直及水平兩對軋輥所組成的兩輥式軋機對加熱至930℃的第一盤元進行軋延步驟，經過3道次的軋延後，獲得線徑為4.8mm的第二盤元，其中每一道次的裁減量為約30%至35%。請參照圖6A及圖6B，其係分別顯示比較例三之鈦合金盤元之表面部分及心部的顯微組織。圖6A顯示比較例三所製得之鈦合金盤元之表面部分為(α+β)相的片層狀費德曼組織，而圖6B顯示鈦合金盤元之心部為等軸α相的顯微組織。

如以下表一所示，其中表一係以V表示有進行此步驟，並以O及X分別表示「有」及「無」等軸α相顯微組織。實施例一依序進行第一加熱步驟、連續軋延步驟、第二加熱步驟、盤元軋延步驟、第三加熱步驟及眼模抽線步驟，以製得表面部分及心部皆為等軸α相顯微組織的鈦合金盤元。比較例一未進行第二加熱步驟及盤元軋延步驟，因此所獲得之鈦合金盤元之心部的顯微組織非等軸α相。比較例二及比較例三皆未進行第三加熱步驟及眼模抽線步驟，因此所獲得之鈦合金盤元之表面部分的顯微組織非等軸α相。另外，比較例二的第二加熱步驟之溫度係高於鈦-6鋁-4釩合金的β相轉變溫度，因此所獲得之鈦合金盤元之心部亦非等軸α相。

本發明之鈦合金盤元的製造方法係先藉由對在β相轉變溫度以上的鈦合金鑄胚進行連續軋延步驟，以在單次製程中可獲得較大量的盤元。接著，對在β相轉變溫度以下的第一盤元進行盤元軋延步驟，以改善第一盤元之心部的顯微組織，並使盤元快速減徑至接近所欲製得之線徑尺寸。然後，對第二盤元進行眼模抽線步驟，以改善第二盤元之表面的顯微組織，並製得具有特定線徑且表面及心部皆為等軸α相的鈦合金盤元。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，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。

Claims (10)

1. 一種鈦合金盤元的製造方法，包含：提供一鈦合金鑄胚，其中該鈦合金鑄胚為鈦-6鋁-4釩(Ti-6Al-4V)合金，且該鈦合金鑄胚具有一β相轉變溫度(T_β)，該β相轉變溫度為950℃至990℃；對該鈦合金鑄胚進行一第一加熱步驟，以獲得一高溫合金鑄胚，其中該高溫合金鑄胚之一溫度為大於該β相轉變溫度，該高溫合金鑄胚之該溫度為1000℃至1100℃，且該高溫合金鑄胚之一顯微組織為β相；對該高溫合金鑄胚進行一連續軋延步驟，以獲得一第一盤元；對該第一盤元進行一第二加熱步驟，以獲得一高溫第一盤元，其中該高溫第一盤元之一溫度為大於或等於(T_β-200)℃且小於該β相轉變溫度；對該高溫第一盤元進行一盤元軋延步驟，以獲得一第二盤元，其中該盤元軋延步驟之一總裁減量為大於30%；對該第二盤元進行一第三加熱步驟，以獲得一高溫第二盤元；以及對該高溫第二盤元進行一眼模抽線步驟，以獲得該鈦合金盤元，其中該鈦合金盤元之一顯微組織為等軸α相。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中基於該鈦合金鑄胚為100wt%，該鈦合金鑄胚包含5.5wt%至6.75wt%的鋁、3.5wt%至4.5wt%的釩、小於0.4wt%的鐵、小於0.2wt%的氧、小於 0.08wt%的碳、小於0.05wt%的氮、小於0.015wt%的氫，且其餘成分為鈦。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中該盤元軋延步驟之每一道次之一裁減量為大於或等於30%。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中該盤元軋延步驟係進行2道次至6道次。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中該盤元軋延步驟之一總裁減量為50%至75%。
6. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中該高溫第二盤元之一溫度為(T_β-400)℃且小於該相轉變溫度(T_β)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中該眼模抽線步驟係進行2道次以上。
8. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中該眼模抽線步驟之每一道次之一裁減量為10%至15%。
9. 如申請專利範圍第1項所述之鈦合金盤元的製造方法，更包含，在該眼模抽線步驟每進行2道次至3道次後，對該鈦合金盤元進行一退火步驟。
10. 如申請專利範圍第9項所述之鈦合金盤元的製造方法，其中該退火步驟之一退火溫度為650℃至850℃。