TWI688440B - 極薄鈦板片及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明有關於一種極薄鈦板片及其製作方法。此製作方法係先提供鈦板堆疊體與二個鈦導塊，且鈦板堆疊體係放置於鈦導塊之間。然後，對鈦板堆疊體與每一個鈦導塊之界面進行銲接製程，以形成複合鈦胚。接著，對複合鈦胚進行熱軋製程，以形成熱軋複合鈦板。於移除熱軋複合鈦板之鈦導塊後，即可製得本發明之極薄鈦板片。所製得之極薄鈦板片具有不大於6公釐之厚度與良好之機械性質。
Description
本發明係有關一種鈦板片，特別是提供一種具有良好機械性質之極薄鈦板片。
鈦合金具有比強度大、耐蝕性好與無磁性等優越性質，故廣泛應用於工業與航太領域中。隨著後端應用之多樣化，鈦合金板片之尺寸要求亦越趨多樣。其中，尤以極薄鈦板片之需求更為顯著。其原因在於，一般常見之鈦合金(Ti-6Al-4V)於低溫時具有較高之變形阻抗，故於熱軋製程冷卻後，極薄鈦板片具有較差之延展性，而使得解捲整平之過程中，鈦帶易產生嚴重之脆性斷帶破壞，而無法有效製得極薄鈦板片。再者，當鈦板之厚度縮減時，其變形阻抗亦隨之升高，而難以進一步減薄鈦板，故無法有效製得厚度滿足需求之極薄鈦板片。
為了解決前述難以進一步減薄鈦板厚度之缺陷，現有技術係將薄鈦板放置於兩片碳鋼板之間，以利用碳鋼包裹式軋延來製作極薄鈦板片。其中，熱軋製程之軋輥係施力於碳鋼板上，藉此減薄包裹於碳鋼板之間的薄鈦片。
然而，隨著熱軋製程之進行，碳鋼板與薄鈦板之變形所產生的熱能易累積於心部之薄鈦板，加以鈦合金之熱傳係數較低，而倍增蓄熱效果，進而提高鈦薄板之溫度，並使其軟化或液化，或者薄鈦板由碳鋼板穿出，而導致軋延失敗。其次，當熱軋製程之軋輥施加軋延力時，軟化之鈦板易產生滑移與流變，而產生不均勻之軋延，進而導致碳鋼板之表面產生嚴重之皺摺紋路缺陷。
另外，當以自動化產線進行前述之包裹式軋延時，由於前述之蓄熱效果不易控制，故自動化產線無法有效利用軋速來控制薄鈦板之溫度的均勻性，而難以避免薄鈦板之心部於軋延時升溫。據此，現有技術之包裹式軋延無法有效製得極薄鈦板片。
有鑑於此，亟須提供一種極薄鈦板片及其製作方法，以改進習知難以製作極薄鈦板片的缺陷。
因此，本發明之一態樣是在提供一種極薄鈦板片的製作方法，此製作方法藉由鈦導塊拘束鈦堆疊體之鈦板，而可藉由熱軋製程製得極薄鈦板片。
本發明之另一態樣是提供一種極薄鈦板片，其係利用前述之製作方法所製得。
根據本發明之一態樣，提出一種極薄鈦板片的製作方法。此製作方法係先提供鈦板堆疊體與二個鈦導塊。鈦板堆疊體包含複數個鈦板，其中鈦板係沿著一熱軋製程之
軋延力的施加方向堆疊，且沿著熱軋製程之軋延方向，鈦板堆疊體係位於此些鈦導塊之間。然後，對鈦板堆疊體與每一個鈦導塊之界面進行銲接製程，以形成複合鈦胚。接著，對複合鈦胚進行熱軋製程，以形成熱軋複合鈦板。之後，移除熱軋複合鈦板之鈦導塊，即可製得極薄鈦板片。
依據本發明之一實施例，前述之每一個鈦導塊的材料可獨立地為強度至少為Gr.2之純鈦或強度為Gr.5之鈦合金。
依據本發明之另一實施例，前述之銲接製程係先對每一個鈦導塊進行開槽加工步驟，以形成複數個凹槽。然後，對每一個凹槽進行填料步驟，以銲黏鈦板堆疊體與每一個鈦導塊。
依據本發明之又一實施例，於進行前述之銲接製程前，此製作方法可對鈦板堆疊體中之鈦板的每一相鄰二者進行隔離製程。
依據本發明之再一實施例，前述之隔離製程係形成一隔離膜於鈦板之每一相鄰二者之間。
依據本發明之又另一實施例，前述熱軋製程之每一道次的軋延比係不大於25%。
依據本發明之再另一實施例，於移除前述之鈦導塊後，此製作方法可對極薄鈦板片之至少一者進行整平退火製程。
依據本發明之再另一實施例，前述整平退火製程之退火溫度為650℃至800℃。
依據本發明之再另一實施例，前述之整平退火製程係藉由設置極薄鈦板片之至少一者於兩鋼板之間來進行，且整平退火製程之持溫時間(th)如下式(I)所示：
tt=[(TS×1.5)+(TT×1)]×1分鐘 (I-1)
其中，tt代表厚度因子時間，且如式(I-1)所示；TS代表此兩鋼板之總厚度；且TT代表極薄鈦板片之至少一者的總厚度。
根據本發明之另一態樣，提出一種極薄鈦板片，其係藉由前述之製作方法所製得，且極薄鈦板片之厚度不大於6公釐。
應用本發明極薄鈦板片及其製作方法，其係利用兩鈦導塊拘束鈦堆疊體，而可利用熱軋製程製得厚度不大於6公釐之極薄鈦板片。其中，於熱軋製程時，特定之每道次軋延比可有效避免鈦堆疊體之鈦板因軋延變形所產生之熱能而擴散接合，故可輕易地分離熱軋製程所製得之極薄鈦板片。另外，藉由熱軋製程之特定軋延參數，差排組織可植入並破壞鈦板之長軸晶粒組織，而可於進一步進行之整平退火製程中，使得差排重新排列，進而製得等軸細緻之α相晶粒組織。
100‧‧‧方法
110/120/130/140/150‧‧‧操作
200‧‧‧複合鈦胚
200a/200b‧‧‧方向
210‧‧‧鈦板堆疊體
211‧‧‧鈦板
220‧‧‧鈦導塊
220a‧‧‧銲接部
θ‧‧‧角度
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極薄鈦板片的製作方法之流程示意圖。
〔圖2A〕係繪示依照本發明之一些實施例之複合鈦胚的立體示意圖。
〔圖2B〕係繪示依照本發明之一些實施例之複合鈦胚的側視示意圖。
〔圖3〕係顯示依照本發明之一些實施例之鈦板經隔離製程後之光學顯微鏡照片。
〔圖4〕係顯示依照本發明之實施例所製得之極薄鈦板片的金相組織照片。
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「厚度」係指平行於熱軋製程之軋延力的施加方向，所量測之板材尺寸。
請參照圖1、圖2A與圖2B，其中圖1係繪示依照本發明之一實施例之極薄鈦板片的製作方法之流程示意圖，圖2A係繪示依照本發明之一些實施例之複合鈦胚的立
體示意圖，且圖2B係繪示依照本發明之一些實施例之複合鈦胚的側視示意圖。
於方法100中，鈦板堆疊體210與兩個鈦導塊220係先提供，並對鈦板堆疊體210與每一個鈦導塊220之界面進行銲接製程，以形成複合鈦胚200，如操作110與操作120所示。此鈦板堆疊體210包含複數片鈦板211，且此些鈦板211係沿著後續所進行之熱軋製程的軋延力之施加方向200a堆疊。其次，沿著熱軋製程之軋延方向200b，鈦板堆疊體210係位於兩個鈦導塊220之間，其中軋延方向200b係指複合鈦胚200進入熱軋製程的軋輥之間，以進行熱軋製程的方向。
在一些實施例中，鈦板211之主要成分可為Ti-6Al-4V，且剩餘部分為不可避免之雜質。在一些實施例中，每一個鈦導塊220之材料可獨立地為純鈦(強度至少為Gr.2)或鈦合金(強度為Gr.5)，而可與鈦堆疊體210之鈦板211具有較小之變形阻抗差異，進而可避免複合鈦胚200於進行熱軋製程時軋裂。較佳地，鈦導塊220之材料具有良好之銲接性質。
在一些具體例中，鈦導塊220之厚度可為90公釐至190公釐，而每一片鈦板211之厚度可為5公釐至90公釐，且鈦板211之最大堆疊厚度(即鈦板堆疊體210之最大厚度)為190公釐。可理解的是，鈦板211之最大堆疊厚度即為鈦導塊220之最大厚度。較佳地，為有助於後續熱軋製程之軋輥的軋延，鈦導塊220之厚度係相等於鈦板堆疊體210之
厚度。換言之，操作人員可先堆疊鈦板211，以形成鈦板堆疊體210。然後，依據所形成之鈦板堆疊體210的厚度，選擇具有匹配厚度的鈦導塊220。
在一些實施例中，當進行銲接製程時，於相鄰於鈦板堆疊體210之位置，每一個鈦導塊220可先進行開槽加工步驟，以形成複數個凹槽於鈦板堆疊體210與其兩側的鈦導塊220之間。然後，進行填料步驟，以填補每一個凹槽，而可銲黏鈦板堆疊體210與每一個鈦導塊220，進而形成複合鈦板200。其中，開槽加工步驟可為K槽加工、V槽加工或其他適當之開槽加工步驟。相較於K槽加工，由於V型開槽易導致應力殘留，而易導致複合鈦胚於進行熱軋製程後，產生大於3公釐之變形量，故開槽加工步驟較佳係K槽加工。其中，為確保複合鈦胚於銲接製程後具有不大於3公釐之變形量，K槽加工所形成之凹槽係上下對稱的。換言之，通過複合鈦胚200之中心且垂直於施加方向200a的虛擬平面係複合鈦胚200之對稱面。舉例而言，在一些具體例中，K槽加工之加工角度θ可為45°至60°。當加工角度θ為45°至60°時，後續銲料之填補量可被有效地節約，且電極可輕易地深入凹槽，而可確保凹槽被完整地填覆。
前述之填料步驟係藉由填入銲料至凹槽中，以分別形成複數個銲接部220a，而可銲黏鈦板堆疊體210與每一個鈦導塊220。在一些具體例中，填料步驟可藉由熔化性電極惰性氣體保護銲接(metal inert gas welding；MIG)之自動銲接方式來進行。在此些具體例中，MIG銲接方式
之電流可設定為130安培至260安培，電壓可為20伏特至26伏特，保護氣體可為氬氣，且保護氣體之流量可為20l/min至30l/min。
於銲黏鈦堆疊體210與鈦導塊220後，對所形成之複合鈦胚200進行熱軋製程，以形成熱軋複合鈦胚，如操作130所示。當進行熱軋製程時，複合鈦胚200係先加熱至900℃至1000℃，以使複合鈦胚200於兩相區(α相與β相)進行熱軋，而可藉由每道次不大於25%之軋延裁減比植入差排至鈦板211之長軸晶粒組織中。
其次，當每道次之裁減軋延比不大於25%時，軋延所產生之熱能不易累積於鈦板堆疊體210之中心，而不易導致鈦板211復熱，進而可避免鈦板堆疊體210之中心溫度升高，故可避免熱軋製程後之鈦板211的表面冷卻形成費德曼組織(非等軸組織)。
在一些具體例中，為確保複合鈦胚200具有均勻之內部溫度，複合鈦胚200之加熱持溫時間可為[胚厚(公釐)*1.5分鐘]±30分鐘。另外，熱軋製程之軋延溫度可為650℃至900℃，且總裁減軋延比可為50%至120%。
當進行熱軋製程時，鈦板堆疊體210中之每一個鈦板211較佳具有相同之材質與厚度。當每一個鈦板211具有相同之材質與厚度時，每一個鈦板211可具有相同之變形阻抗，而可較易達成一致之變形量，進而製得極薄鈦板片。
在一些實施例中，於進行前述之銲接製程前，可對鈦板堆疊體210之鈦板211中的每一相鄰二者進行隔離
製程，以於進行高溫之熱軋製程時，避免鈦板211產生擴散接合。在此些實施例中，隔離製程可包含但不限於形成隔離膜於每一個相鄰之兩鈦板211間、其他適當之隔離方法，或上述方法之任意組合。在一些具體例中，隔離膜可藉由塗佈隔離劑於每一個相鄰的兩個鈦板211之間，或者對每一個鈦板進行氧化步驟來形成。在此些具體例中，前述之隔離劑可包含但不限於液體狀玻璃粉、抗氧化劑、其他適當之隔離劑，或上述材料之任意組合。其次，前述鈦板211之氧化步驟可藉由加熱鈦板211來進行，以於鈦板211之表面形成氧化膜。舉例而言，鈦板211可放置於溫度為450℃之加熱爐，且持溫時間為[鈦板211之厚度(公釐)*1.5分鐘]。如圖3所示，經加熱後之鈦板211的表面具有厚度為79μm之氧化膜，而可有效避免鈦板211擴散接合。
在一些實施例中，本發明之複合鈦胚(為便於理解，以下稱之為組合鈦胚)亦可由複數個如圖2A所述之複合鈦胚200所組成，且此些複合鈦胚200係沿著軋延力之施加方向200a堆疊，其中相鄰之鈦導塊220係彼此銲黏，以使此些複合鈦胚200結合為組合鈦胚。相同地，為避免銲接後之組合鈦胚具有過大之變形量，組合鈦胚須具有上下對稱之結構。舉例而言，於組合鈦胚係由兩個複合鈦胚200組成之情況下，位於上層之複合鈦胚200的鈦導塊220與下層之複合鈦胚200的鈦導塊220之間須銲接，且此兩個複合鈦胚200之界面為其對稱面。換言之，上層之複合鈦胚200與下層之複合鈦胚200係彼此對稱的。惟須注意的是，組合鈦胚之鈦
導塊220間須具有良好之銲接強度，以避免於熱軋製程時，所施加之軋延力造成鈦導塊220由界面之銲接處崩開，而導致鈦板堆疊體210之鈦板211崩解。
請繼續參照圖1。於進行熱軋製程後，移除熱軋複合鈦板之鈦導塊，即可製得本發明之極薄鈦板片，如操作140與操作150所示。其中，本發明藉由堆疊多片鈦板、鈦導塊之拘束力與熱軋製程之特定軋延比，所製得之極薄鈦板片具有不大於6公釐之厚度。
在一些具體例中，由於極薄鈦板片之厚度極薄，故於進行熱軋製程且移除鈦導塊之拘束後，極薄鈦板片之變形阻抗將釋放，而使極薄鈦板片之堆疊體的整體回彈增厚約2.5公釐。據此，在此些具體例中，所製得之每一片極薄鈦板片的厚度(公釐)約為[(設定厚度+2.5)/N]。其中，設定厚度係依據熱軋製程之總軋延比所計算而得之厚度，而N代表鈦板堆疊體之鈦板數量。
在一些實施例中，若鈦板曾進行隔離製程，於移除鈦導塊後，隔離劑所形成之隔離層或氧化步驟所形成之氧化層將有助於極薄鈦板片之分離，而可免除切割分離之步驟。其次，基於後端應用之需求，極薄鈦板片表面之隔離層或氧化層可選擇性地藉由噴砂及/或酸洗步驟來移除。可理解的是，在其他實施例中，若鈦板未進行隔離製程，由於前述熱軋製程中之每道次的軋延比不大於25%，故鈦堆疊體之鈦板不易形成擴散接合。據此，於移除鈦導塊後，極薄鈦板片仍可輕易分離。
在一些實施例中，由於所製得之極薄鈦板片具有不大於3公釐之變形量，故所製得之極薄鈦板片可選擇性地進一步進行整平退火製程，以消除此變形量。在一些實施例中，整平退火製程可採用重力整平之方式，或者其他適當之方式進行。其次，當進行退火整平製程時，藉由退火溫度與整平之作用力(例如：重力整平所施加之重力)，極薄鈦板片之長軸晶粒組織中的差排可重新排列，而使扁平之長軸晶粒組織球化且細化，進而形成等軸細緻的α相晶粒組織，因此具有良好之機械性質。
舉例而言，重力整平之整平退火製程可採用厚度為25公釐至65公釐之上鋼板與厚度為25公釐至30公釐之下鋼板進行，且一或多片極薄鈦板片係設置於上鋼板與下鋼板之間，而可藉此重力整平此或此些極薄鈦板片。在一些具體例中，重力整平之整平退火製程係於650℃至800℃之退火溫度下進行。在此些具體例中，持溫時間(th)如下式(I)所示：
tt=[(TS×1.5)+(TT×1)]×1分鐘 (I-1)
其中，tt代表厚度因子時間，且如式(I-1)所示；TS代表上鋼板與下鋼板之總厚度；且TT代表上下鋼板所夾持之極薄鈦板片的總厚度。
如此一來，熱軋製程所引起之微小變形量可有效地被消除，而製得具有極薄厚度與良好機械性質且平整之極薄鈦板片。
當整平退火製程之持溫時間滿足式(I)時，所製得之極薄鈦板片可具有良好之平整性與機械性質。惟可理解的是，若持溫時間過長時，雖然極薄鈦板片可具有更佳之平整性，惟其將過於軟化，而降低機械強度。
在一些應用例中，本發明之極薄鈦板片的製作方法可藉由鈦導塊之拘束力與熱軋製程之軋延力製得厚度不大於6公釐之極薄鈦板片，且移除鈦導塊後，鈦堆疊體之鈦板可輕易地分離，而不須再進行額外之切割分離製程。其次，藉由熱軋製程之軋延比，差排可被植入至鈦板之長軸晶粒組織中，而可藉由退火正平製程，使差排重新排列，進而形成球化且細化，並形成等軸細緻的α相晶粒組織。
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。
首先，依據前述之說明，堆疊複數片鈦板，並以K槽加工與MIG銲接方式銲黏鈦板所堆疊之鈦堆疊體與兩個鈦導塊，以形成實施例之複合鈦胚，其中每一片鈦板之表面塗佈抗氧化劑，鈦堆疊體係設於鈦導塊之間，且K槽加工之角度為45°。然後，對複合鈦胚進行熱軋製程，其中複合鈦胚之入爐溫度為900℃至1000℃，軋延溫度為650℃至900℃，每道次之軋延比不大於25%，且總軋延比為50%至120%。
於進行熱軋製程後，移除熱軋複合鈦胚之鈦導塊，並對每一片極薄鈦板片進行整平退火製程，即可製得實
施例之極薄鈦板片。其中，退火溫度為650℃至800℃，上鋼板之厚度為25公釐至65公釐，下鋼板之厚度為25公釐至30公釐，且持溫時間如前述之式(I)所示。
請參照圖4，其係顯示依照本發明之實施例所製得之極薄鈦板片的金相組織照片，其中比例尺規代表20μm。如圖4所示，實施例所製得之極薄鈦板片具有等軸細緻的α相組織。據此，於垂直於熱軋製程之軋延方向的方向(即T向(Transverse Direction))上，所製得之極薄鈦板片具有956MPa之降伏強度(Yield Strength；YS)、1052MPa之抗拉強度(Tensile Strength；TS)與12.4%之伸長率(Elongation；EL)；於平行於熱軋製程之軋延方向的方向(即L向(Longitudinal Direction))上，所製得之極薄鈦板片具有849MPa之降伏強度、943MPa之抗拉強度與12.2%之伸長率。
據此，本發明之極薄鈦板片的製作方法係藉由鈦導塊提供拘束力，以限制鈦板，而可藉由熱軋製程製得厚度不大於6公釐之極薄鈦板片。其次，藉由對鈦堆疊體之鈦板進行隔離製程，於進行熱軋製程時，鈦板不易因軋延變形所產生之熱能而擴散接合，且於移除鈦導塊後，所形成之極薄鈦板片可輕易分離，故不須進行額外之切割分離製程。再者，於熱軋製程中，藉由每道次之特定軋延比，差排組織可被植入至鈦板之長軸晶粒組識中，而可進一步對極薄鈦板片進行整平退火製程，以藉由退火製程之退火溫度與整平所施加之作用力使差排重新排列，並球化晶粒組織，而可形成等
軸細緻之α相組織，進而提升所製得極薄鈦板片之機械性質。
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
110/120/130/140/150‧‧‧操作
Claims (10)
- 一種極薄鈦板片的製作方法，包含：提供一鈦板堆疊體與二個鈦導塊，其中該鈦板堆疊體包含複數個鈦板，該些鈦板係沿著一熱軋製程之一軋延力之一施加方向堆疊，且沿著該熱軋製程之一軋延方向，該鈦板堆疊體係位於該些鈦導塊之間；對該鈦板堆疊體與每一該些鈦導塊之一界面進行一銲接製程，以形成一複合鈦胚；對該複合鈦胚進行該熱軋製程，以形成一熱軋複合鈦板；以及移除該熱軋複合鈦板之該些鈦導塊，以獲得該些極薄鈦板片。
- 如申請專利範圍第1項所述之極薄鈦板片的製作方法，其中每一該些鈦導塊之一材料獨立地為一強度至少為Gr.2之純鈦或一強度為Gr.5之鈦合金。
- 如申請專利範圍第1項所述之極薄鈦板片的製作方法，其中該銲接製程包含：對每一該些鈦導塊進行一開槽加工步驟，以形成複數個凹槽；以及對每一該些凹槽進行一填料步驟，以銲黏該鈦板堆疊體與每一該些鈦導塊。
- 如申請專利範圍第1項所述之極薄鈦板片的製作方法，於進行該銲接製程前，更包含：對該鈦板堆疊體中之該些鈦板之每一相鄰二者進行一隔離製程。
- 如申請專利範圍第4項所述之極薄鈦板片的製作方法，其中該隔離製程包含：形成一隔離膜於該些鈦板之每一該相鄰二者之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之極薄鈦板片的製作方法，其中該熱軋製程之每一道次之一軋延比係不大於25%。
- 如申請專利範圍第1項所述之極薄鈦板片的製作方法，於移除該些鈦導塊後，更包含：對該些極薄鈦板片之至少一者進行一整平退火製程。
- 如申請專利範圍第7項所述之極薄鈦板片的製作方法，其中該整平退火製程之一退火溫度為650℃至800℃。
- 如申請專利範圍第8項所述之極薄鈦板片的製作方法，其中該整平退火製程係藉由設置該些極薄鈦 板片之該至少一者於兩鋼板之間來進行，且該整平退火製程之一持溫時間(th)如下式(I)所示：
- 一種極薄鈦板片，藉由如申請專利範圍第1至9項中之任一項所述之製作方法所製得，其中該極薄鈦板片之一厚度不大於6公釐。
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