TWI728921B - 細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件。此方法藉由設置特定結構之堆銲於銲接區域上，並利用具有特定參數的操作流程來細化銲接之熱影響區中的粗大晶粒，以使處理後之鈦合金銲件具有均勻分布之等軸金相組織，而可滿足應用之需求。

Description

細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件

本發明係有關一種細化晶粒之方法，特別是提供一種細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件。

隨著電池技術之發展，加以電能移動載具的成長，鋰電池之需求日漸上升。其中，為使鋰電池具有良好之電性表現，作為電極之銅箔的要求日趨嚴格。為了製得具有均勻結晶性質與良好電性的銅箔，一般可使用鈦合金製得輥輪複製模，以利用電吸附之方式將銅原子堆疊為銅箔。

鈦合金輥輪複製模可藉由對鈦胚料進行旋壓法來製備，惟此方法之成本較高，且施作困難，故目前係採用鈦板銲接之方式來製備輥輪複製模。然而，複製模之表面結晶性質會影響銅原子之堆疊，加以銲接所施加之熱能易導致銲接區域的晶粒粗化，故鈦板銲接所製得之複製模無法製備具有良好結晶性質的銅箔。

為了有效細化銲接區域之粗大晶粒，一般係對銲接之熱影響區施加多道次之彎折與壓平，以利用所施加之應變能來細化粗大晶粒。然而，於多道次之壓彎整平後所進行的退火製程時，施加於銲接區域之壓彎張應力會粗化晶粒，而使所製得之鈦合金輥輪仍不具有均勻分布之細緻金相組織。

有鑑於此，亟須提供一種細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件，以改進習知細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件的缺陷。

因此，本發明之一態樣是在提供一種細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其藉由形成堆銲於銲接區域上，並藉由特定之熱鍛壓製程與退火製程來細化鈦合金銲件之晶粒尺寸，而提升所製得之鈦合金銲件之晶粒均勻性。

本發明之另一態樣是提供一種鈦合金銲件，此鈦合金銲件可藉由前述之方法所製得，且其具有細緻且均勻分佈之晶粒組織。

根據本發明之一態樣，提出一種細化鈦合金銲件之方法。首先，提供鈦合金銲件，其中鈦合金銲件具有銲接區域。然後，形成堆銲於銲接區域上。其中，堆銲之底表面完整地覆蓋銲接區域，且底表面之面積相等於銲接區域之面積。沿著垂直於底表面之方向，堆銲之頂表面之投影面積係大於且完整地覆蓋底表面之投影面積。接著，對鈦合金銲件進行加熱製程，並於進行加熱製程後，對堆銲進行熱鍛壓製程，以形成熱鍛銲件。之後，對熱鍛銲件進行空冷製程，以形成冷卻銲件，且對冷卻銲件進行退火製程，以細化鈦合金銲件之晶粒。

依據本發明之一些實施例，前述之鈦合金銲件為兩鈦合金板對接銲接形成，且銲接區域為銲道。

依據本發明之一些實施例，沿著前述之方向剖切，堆銲之剖面為倒梯形。

依據本發明之一些實施例，前述倒梯形之下底之寬度為W公釐，且倒梯形之上底之寬度為(W+3)公釐。

依據本發明之一些實施例，前述之W為2公釐至6公釐，且倒梯形之高度為3公釐至5公釐。

依據本發明之一些實施例，前述熱鍛壓製程之鍛壓溫度為650℃至900℃，且熱鍛壓製程之總裁減比為50%至60%。

依據本發明之一些實施例，於前述之空冷製程中，熱鍛銲件係冷卻至不大於200℃。

依據本發明之一些實施例，前述退火製程之退火溫度為600℃至700℃。

根據本發明之另一態樣，提出一種鈦合金銲件，此鈦合金銲件具有兩鈦板與一銲接區域，其中銲接區域位於此些鈦板之間，且此鈦合金銲件具有細緻的等軸α相組織。

依據本發明之一些實施例，前述等軸α相組織之晶粒尺寸為6號至8號。

應用本發明細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件，其係藉由設置堆銲於鈦合金銲件之銲接區域上，以使經熱鍛壓製程後之堆銲可覆蓋銲接之熱影響區，其中堆銲之頂表面的投影面積係大於底表面之投影面積。然後，藉著具有特定參數條件之熱鍛壓製程、空冷製程與退火再結晶，鈦合金銲件之熱影響區中的粗大晶粒可被細化，且形成等軸之金相組織，而可使所製得之鈦合金銲件的表面具有均勻分布且細緻的等軸金相組織，進而可獲得用以製作銅箔之鈦合金輥輪複製模。據此，可藉由此複製模表面之細緻金相組織製得具有良好結晶性質與電性之銅箔。

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。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一些實施例之細化鈦合金銲件之晶粒的方法之流程示意圖。於方法100中，鈦合金銲件係先提供，並形成堆銲於鈦合金銲件之銲接區域上，如操作110與操作120所示。本發明之鈦合金銲件的結構沒有特別之限制，其僅須由兩個鈦合金構件銲接結合而成即可。惟，可理解的是，為了接續形成堆銲於銲接區域上，此些鈦合金構件之銲接區域係曝露的。在一些具體例中，此些鈦合金構件可為強度係Gr. 1及/或Gr. 2之鈦合金材料。較佳地，此些鈦合金構件可具有相同之材料強度。舉例而言，此些鈦合金構件可為相同材料組成之鈦合金板(厚度可為6公釐至8公釐)，且此些鈦合金板係藉由對接之方式銲接結合，而形成鈦合金銲件，其中銲接區域係位於此些鈦合金板之間，且銲接區域為呈長方形之銲道。在一些具體例中，此些鈦合金構件可藉由雷射銲接、微電漿銲接、其他適當之銲接方式或上述方式之任意組合來銲接結合。其中，鈦合金構件之銲接結合可選用鈦實心線、鈦粉末、其他適當之鈦銲料或上述銲料之任意組合來進行。

於操作120中，堆銲之材料較佳係相同於前述鈦合金構件之材料。其次，為了降低形成堆銲所施加之熱能對於銲接區域之影響，堆銲較佳係採用低入熱量之方式來形成。所形成之堆銲可具有底表面與頂表面。底表面接觸並完整地覆蓋鈦合金銲件之銲接區域，且底表面之面積相等於銲接區域之面積。沿著垂直於底表面之方向，頂表面的投影面積係大於且完整地覆蓋底表面之投影面積。在一些實施例中，堆銲之頂表面所涵蓋的範圍係根據下述之方式來定義，經後述之熱鍛壓製程後，鍛壓後之堆銲須能覆蓋鈦合金銲件之熱影響區。較佳地，堆銲經熱鍛壓製程後，其可覆蓋熱影響區。更佳地，堆銲經熱鍛壓製程後，堆銲之覆蓋面積相等於熱影響區之面積。另外，低入熱量之形成方式亦有助於維持堆銲之頂表面的形狀，且可避免過高之入熱量導致堆銲之熔滴下垂的缺陷，進而可避免鈦合金銲件經後述之熱鍛壓製程後具有較差之表面均勻性。舉例而言，形成堆銲之入熱量可為0.01 KJ/cm至0.3 KJ/cm。

請參照圖2，其係繪示依照本發明之一些實施例之鈦合金銲件之剖視示意圖。鈦合金銲件200包含鈦合金板201a和201b、銲接區域202與堆銲203。其中，鈦合金板201a和201b係以對接之方式來銲接接合，而形成銲接區域202於兩鈦合金板201a和201b之間。可理解的，以對接之方式銲接係指鈦合金板201a和201b以邊對邊之方式銲接，故銲接區域202係沿著鈦合金板201a和201b之銲接邊延伸的銲道。據此，圖2係沿著垂直於鈦合金板201a和201b之銲接邊的方向剖切的剖視示意圖。為獲得較佳之銲接效果，鈦合金板201a和201b之銲接邊係彼此平行。

前述之堆銲203係位於銲接區域202上，且堆銲203之剖面形狀為倒梯形。堆銲203具有底表面203a與頂表面203b。底表面203a之寬度W係相等於銲接區域202之寬度，故底表面203a係完整地覆蓋銲接區域202(即底表面203a之面積係相等於銲接區域202之頂表面的面積)。於接續之操作中，為有效覆蓋因銲接所形成之熱影響區，以獲得晶粒細化之鈦合金銲件，頂表面203b之寬度(即寬度W、距離d ₁和距離d ₂之總和)係大於底表面203a之寬度W。換言之，頂表面203的面積須大於且完整地覆蓋底表面203a之面積。由於熱影響區係對稱地位於兩鈦合金板201a與201b之間，故距離d ₁較佳係等於距離d ₂。在一些具體例中，基於設備之操作可能性，以及降低形成堆銲之入熱量，W可為2公釐至6公釐。在一些具體例中，為了兼顧成本與入熱量，並有效地細化鈦合金銲件之晶粒，距離d ₁與距離d ₂均為1.5公釐。另外，堆銲203之高度H可為3公釐至5公釐。當堆銲203之高度H為此範圍時，後述之熱鍛壓製程可具有適當之裁減比，而可有效地細化鈦合金銲件之晶粒，並顧及製程與原料之成本。

請繼續參照圖1。較佳地，於進行操作120前，形成鈦合金銲件之兩個鈦合金構件可先經彎折、鍛壓、其他適當之成型製程或此些製程之任意組合，以使經方法100處理後之鈦合金銲件可滿足應用所需之規格與尺寸要求。換言之，於進行操作120之期間與其後，碳合金銲件較佳不再進行其他成型製程。

於進行操作120後，對鈦合金銲件進行加熱製程，並對堆銲進行熱鍛壓製程，以形成熱鍛銲件，如操作130與操作140所示。加熱製程可藉由高週波加熱來進行，以將鈦合金銲件加熱至800℃至900℃，而有助於後續進行之熱鍛壓製程。於進行熱鍛壓製程時，鍛壓溫度為650℃至900℃，且堆銲之總裁減比可為50%至60%。熱鍛壓製程之鍛壓道次沒有特別之限定，惟其總裁減比較佳為前述之範圍。於進行熱鍛壓製程時，熱能之施加有助於降低鈦合金銲件之阻抗，而使所施加之應變能可細化銲件中粗大之晶粒，並將其轉變為軋延組織。如此一來，經方法100處理後之鈦合金銲件可具有均勻之細化晶粒。當鈦合金銲件經加熱製程後之溫度，且熱鍛壓製程之總裁減比與鍛壓溫度分別為前述之範圍時，鈦合金銲件中之晶粒不易成長粗化，而可避免粗大晶粒之形成，且所製得之鈦合金銲件除可滿足規格要求，其亦具有較佳之晶粒細化效果。

接著，對熱鍛銲件進行空冷製程，以形成冷卻銲件，如操作150所示。若熱鍛銲件不以空冷之方式冷卻時，過快之冷卻速率雖可維持銲件中之軋延組織，惟於快速冷卻之過程中，所釋放之殘留應力亦容易導致熱鍛銲件變形，而無法滿足規格要求。其次，於空冷製程中，熱鍛銲件較佳係冷卻至不大於200℃。

然後，對冷卻銲件進行退火製程，以獲得具有細化晶粒之鈦合金銲件，如操作160與操作170所示。退火製程之退火溫度可為600℃至700℃。當冷卻銲件進行退火製程時，所施加之熱能可使軋延組織再結晶為等軸晶粒。當退火溫度為前述之範圍時，適當之溫度可避免再結晶之晶粒粗化，且可有效地使軋延組織再結晶。在一些具體例中，退火製程可於600℃至700℃下進行0.5小時至1.5小時。

在一些應用例中，經前述方法處理之鈦合金銲件的銲接區域與熱影響區均可具有均勻分布且細緻之等軸α相晶粒組織，其中此些等軸α相晶粒組織之晶粒尺寸至少為6號。在其他應用例中，等軸α相晶粒組織之晶粒尺寸為6號至8號。據此，所製得之鈦合金銲件表面可具有均勻的表面性質，而可滿足應用需求。

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。

實施例

實施例之鈦合金銲件係先將兩塊相同強度等級(Gr. 1或Gr. 2)之鈦合金板(厚度為6公釐至8公釐)以對接之方式銲接結合，其中銲接係採用雷射銲接製程，其功率為2.5 kW至5 kW，銲接速度為500 mm/s至1500 mm/s，保護氣體為氬氣，且流量為20 L/min至30 L/min，而兩鈦合金板之距離不大於1公釐。

然後，相似於前述圖2所繪示之剖面圖，以低入熱量(0.01 KJ/cm至0.3 KJ/cm)之方式將倒梯形之堆銲設置於鈦合金銲件之銲接區域上，其中堆銲之底表面的寬度為2公釐至6公釐，且頂表面與底表面的寬度差為3公釐，而堆銲之高度為3公釐至5公釐。

接著，以高週波加熱之方式對具有堆銲之鈦合金銲件進行加熱製程與熱鍛壓製程，以使所形成之熱鍛銲件的厚度為(t+0.2)公釐，其中t代表實施例之銲件產品的厚度，加熱製程之溫度為800℃至900℃，加熱製程之持溫時間((鍛壓前之鈦板厚度與堆銲高度的總和)*1.5)分鐘，鍛壓溫度為650℃至900℃，且總裁減比為50%至60%。

之後，空冷所形成之熱鍛銲件至不大於200℃，並進行退火製程，以使鍛壓所形成之軋延組織再結晶為等軸晶粒組織，並形成實施例之鈦合金銲件。其中，退火製程係於600℃至700℃下進行0.5小時至1.5小時。

以光學顯微鏡觀察實施例之鈦合金銲件的銲道之金相組織，其結果如圖3A與圖3B所示。

比較例

比較例之鈦合金銲件係先將兩塊相同強度等級(Gr. 1或Gr. 2)之鈦合金板(厚度為6公釐至8公釐)以對接之方式銲接結合。然後，施加應變能於銲接區域，以壓彎鈦合金銲件。接著，以銲料填滿壓彎區域，再使用壓平模具壓平鈦合金銲件。

之後，再次壓彎鈦合金銲件，並以壓平模具壓平銲件。然後，翻轉並壓彎鈦合金銲件，經壓平後，進一步進行退火製程，即可製得比較例之鈦合金銲件。

以光學顯微鏡觀察比較例之鈦合金銲件的銲道之金相組織，其結果如圖3C所示。

請參照圖3A至圖3C，其中圖3A與圖3B分別係顯示本發明之實施例之鈦合金銲件之銲道表面與銲道心部的金相組織照片，且圖3C係顯示本發明之比較例之鈦合金銲件之銲道的金相組織照片。實施例之銲道表面與心部均具有均勻分布且細緻之等軸α相晶粒組織，且其ASTM晶粒尺寸均為6號至8號。其中，相較於銲道心部(圖3B)，由於銲道表面(圖3A)受到較多之應變能，故銲道表面之晶粒細化效果更顯著。另外，由於比較例之鈦合金銲件須經過多道次之彎折壓平，故基於彎折之張應力的影響，銲件之熱影響區於退火製程後易生成粗化之晶粒金相組織，而無法滿足應用需求。

據此，藉由本發明細化鈦合金銲件之晶粒的方法與鈦合金銲件，所設置之堆銲具有頂表面之投影面積大於抵表面之面積的特定結構，而可於熱鍛壓製程後完整地覆蓋銲接之熱影響區，進而可利用熱鍛壓製程、空冷製程與退火製程有效地細化熱影響區之粗大晶粒，因此可製得表面具有均勻分布且細緻之等軸α相金相組織。據此，利用此方法處理後之鈦合金銲件可進一步獲得用以製備銅箔的鈦合金複製模，而可製得具有良好表面結晶性與電性表現的銅箔。

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 110,120,130,140,150,160,170:操作 200:鈦合金銲件 201a,201b:鈦合金板 202:銲接區域 203:堆銲 203a:底表面 203b:頂表面 W:寬度 H:高度 d1,d2:距離

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些實施例之細化鈦合金銲件之晶粒的方法之流程示意圖。 圖2係繪示依照本發明之一些實施例之鈦合金銲件之剖視示意圖。 圖3A係顯示本發明之實施例之鈦合金銲件之銲道表面的金相組織照片。 圖3B係顯示本發明之實施例之鈦合金銲件之銲道心部的金相組織照片。 圖3C係顯示本發明之比較例之鈦合金銲件之銲道的金相組織照片。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:方法

110,120,130,140,150,160,170:操作

Claims (10)

1. 一種細化鈦合金銲件之晶粒的方法，包含： 提供該鈦合金銲件，其中該鈦合金銲件具有一銲接區域； 形成一堆銲於該銲接區域上，其中該堆銲之一底表面完整地覆蓋該銲接區域，該底表面之一面積相等於該銲接區域之一面積，且沿著垂直於該底表面之一方向，該堆銲之一頂表面之一投影面積係大於且完整地覆蓋該底表面之一投影面積； 對該鈦合金銲件進行一加熱製程； 於進行該加熱製程後，對該堆銲進行一熱鍛壓製程，以形成一熱鍛銲件； 對該熱鍛銲件進行一空冷製程，以形成一冷卻銲件；以及 對該冷卻銲件進行一退火製程，以細化該鈦合金銲件之該晶粒。
2. 如請求項1所述之細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其中該鈦合金銲件為兩鈦合金板對接銲接形成，且該銲接區域為一銲道。
3. 如請求項1所述之細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其中沿著該方向剖切，該堆銲之一剖面為一倒梯形。
4. 如請求項3所述之細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其中該倒梯形之一下底之寬度為W公釐，且該倒梯形之一上底之寬度為(W+3)公釐。
5. 如請求項4所述之細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其中W為2公釐至6公釐，且該倒梯形之一高度為3公釐至5公釐。
6. 如請求項1所述之細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其中該熱鍛壓製程之一鍛壓溫度為650℃至900℃，且該熱鍛壓製程之一總裁減比為50%至60%。
7. 如請求項1所述之細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其中於該空冷製程中，該熱鍛銲件係冷卻至不大於200℃。
8. 如請求項1所述之細化鈦合金銲件之晶粒的方法，其中該退火製程之一退火溫度為600℃至700℃。
9. 一種鈦合金銲件，藉由如請求項1至8中之任一項的方法所製成，其中該鈦合金銲件具有兩鈦板與一銲接區域，該銲接區域位於該些鈦板之間，且該鈦合金銲件具有細緻的等軸α相組織。
10. 如請求項9所述之鈦合金銲件，其中該些等軸α相組織之晶粒尺寸為6號至8號。

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