CN112692060B - 一种钛合金板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金板材的制备方法，包括以下步骤：热连轧；第一次退火；分板；焊接；热轧；第二次退火；冷轧；第三次退火；该制备方法从钛合金大板坯开始，通过卷式和板式生产的有效结合，综合考虑了加热温度、热处理制度、保温时间等工艺的有效耦合，提高了成材率，缩短了生产周期，达到了快速批量生产的效果。同时采用叠轧工艺和一个冷轧轧程的合理匹配，对尺寸精度进行了优化控制，厚度公差小；实现了α+β型钛合金薄规格板材的批量、高效和稳定生产，对工业化批量交付具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种钛合金板材的制备方法。
背景技术
随着航空航天、船舶、汽车等工业技术的快速发展，对钛合金薄板提出了更高的要求。由于钛合金比强度高，加工变形抗力大，易产生加工硬化和时效效应，对设备和操作的要求高，特别是板材的晶粒度、表面质量生产控制难度大，工艺可控性和批量生产稳定性较差。
相关工艺中常在板材轧制的中间工序进行一次淬火处理以细化晶粒，但由于中间工序板材的厚度较薄，在急冷时易发生严重扭曲变形，使得后续的整形、打磨、切割等工作量大大增加，可操作性和稳定性控制难度增大，严重制约了工艺的灵活性和实用性，且经常造成表面氧化层去除不完全，影响最终板材的形状尺寸和表面质量。此外，传统的钛合金板材多采用热轧的方法进行最终产品的成形，由于钛合金的比热容小，导热性差，热轧时温度损失快，工艺塑性变差，对现场工艺操作和轧制设备的要求较高，且不均匀冷却产生的残余应力，会导致板材发生变形和开裂，对最终板材的组织细化和表面质量产生不利影响，不利于进行大规模工业化生产。
因此，需要一种全新的钛合金薄规格板材制备方法，该方法能提高成材率，缩短生产周期，以实现批量、高效、稳定的工业化生产。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种钛合金板材的制备方法，该方法能提高成材率，缩短生产周期，可快速、高效地实现批量稳定性生产。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：上述钛合金板材的制备方法，包括以下步骤：
S1、热连轧：加热钛合金大板坯，然后进行热连轧得到钛合金热轧卷；
S2、第一次退火：加热所述钛合金热轧卷，冷却，得钛合金带卷；
S3、首次分板：将所述钛合金带卷第一次表面处理后首次分板，得钛合金型材；
S4、焊接：将所述钛合金型材组坯焊接，得叠轧钛合金；
S5、热轧：加热所述叠轧钛合金后，将叠轧钛合金换向轧制，得热轧钛合金；
S6、第二次退火：将所述热轧钛合金第二次退火后，再次分板，进行第二次表面处理，得单板钛合金；
S7、冷轧：将所述单板钛合金冷轧，得冷轧钛合金；
S8、第三次退火：将所述冷轧钛合金进行第三次退火后，进行第三次表面处理，即得所述钛合金板材；
其中，所述钛合金大板坯为α+β型系列钛合金大板坯。
根据本发明的一些实施方式，所述α+β型系列钛合金大板坯包括TC4双相钛合金大板坯或Gr.38钛合金大板坯。
根据本发明的一些实施方式，所述α+β型系列钛合金大板坯的厚度为160～180mm，钛合金大板坯的宽度为1100～1200mm。
根据本发明的一些实施方式，所述TC4双相钛合金大板坯的相变点为990～1000℃。
根据本发明的一些实施方式，所述Gr.38钛合金大板坯的相变点为955～965℃。
根据本发明的一些实施方式，所述热连轧包括粗轧和精轧。
根据本发明的一些实施方式，所述粗轧方法为：将所述钛合金大板坯轧制为钛合金中间坯；其中，所述轧制温度为相变点以下30～50℃，所述钛合金中间坯的厚度为40～50mm。
根据本发明的一些实施方式，所述精轧方法为，将所述钛合金中间坯轧制为所述钛合金热轧卷；其中，所述精轧的出口温度大于800℃。
根据本发明的一些实施方式，所述热连轧过程中加热温度为相变点下30℃～相变点上30℃。
α+β型钛合金在温度为相变点上下30℃左右加热，轧制温度为相变点以下30～50℃，是根据材料的变形抗力决定的，同时结合钢厂的实际设备能力，考虑输送中温降、轧制中温升等因素所设定的；出口温度大于800℃，是由于该系列钛合金材料强度高，在温度低的条件下较难卷取成卷。
根据本发明的一些实施方式，所述第一次退火过程中加热温度为相变点下20℃～相变点上20℃，加热时间为10～30min。
根据本发明的一些实施方式，所述冷却方式为强制水冷或风冷。
根据本发明的一些实施方式，所述冷却后的温度不大于80℃。
将热轧带卷进行加热和保温的目的是为了改善热轧过程中持续顺轧导致的条带状组织，在相变点上下20℃左右加热，以及保温后强制水冷或风冷，就是为了淬火实现组织的均匀化处理，为后续冷轧的组织性能调控提供基础。其退火方式是开卷后在线运动退火，再收卷卷取，不是整卷静止式退火。只有这样才能实现带卷的强制水冷或风冷，使带卷温度快速降低至80℃及以下，以完成淬火处理过程。
根据本发明的一些实施方式，所述第一次表面处理为整卷抛丸酸洗和表面修磨处理。
将退火后的带卷进行整卷抛丸酸洗、表面修磨处理，去除热轧带卷表面的氧化层、吸气层以及夹杂等表面缺陷。
根据本发明的一些实施方式，所述钛合金型材的规格为：4.5～6.0mm(厚度)×1100～1200mm(宽度)×1000～1100mm(长度)。
根据本发明的一些实施方式，所述焊接方式为：将规格尺寸相同的钛合金型材两两进行组坯焊接，两块板材对齐重叠放置且四边均为焊缝连接；其中，单边焊缝数量为3～6条，2条位于两端端部，其余焊缝均匀分布于两端的焊缝之间，焊缝之间的间距为排气孔。
根据本发明的一些实施方式，所述热轧过程中加热温度为相变点以下50～80℃，加热时间为15～30min。
叠轧层在温度为相变点以下50～80℃，得到了两相区加工组织。
根据本发明的一些实施方式，所述热轧钛合金的宽度为1000～1100mm，厚度为3.0～5.5mm。
根据本发明的一些实施方式，所述第二次退火过程中退火温度为750～850℃，退火时间30～60min。
退火温度为750～850℃，是在去应力的同时，发生一定的再结晶。
根据本发明的一些实施方式，所述单板钛合金的厚度为1.5～2.7mm。
根据本发明的一些实施方式，所述第二次表面处理为第一次碱酸洗。
根据本发明的一些实施方式，所述第一次碱酸洗包括第一次碱洗和第一次酸洗。
根据本发明的一些实施方式，所述第一次碱酸洗需用到碱洗液Ⅰ和酸洗液Ⅰ。
根据本发明的一些实施方式，所述碱洗液Ⅰ为NaOH和NaNO3的混合溶液；优选地，所述NaOH在碱洗液Ⅰ中的质量分数为75～85％，所述NaNO3在碱洗液Ⅰ中的质量分数为15～25％。
根据本发明的一些实施方式，所述第一次碱洗的温度为45～55℃，所述第一次碱洗的时间为10～20min。
根据本发明的一些实施方式，所述酸洗液Ⅰ为氢氟酸和硝酸的混合溶液。
根据本发明的一些实施方式，所述酸洗液Ⅰ在第一次酸洗过程中会将钛合金表面减薄0.06～0.08mm。
碱酸洗去除表面氧化、夹杂等缺陷。
根据本发明的一些实施方式，所述冷轧钛合金的厚度为1.0～2.0mm，厚度公差在±0.1mm以内。
根据本发明的一些实施方式，所述第三次退火过程中退火温度为650～800℃，退火时间4～12h。
退火温度650～800℃，主要是为了真空蠕变以矫正成品板形，同时长时间的保温使得晶粒发生一定长大，以得到期望的等轴组织。
根据本发明的一些实施方式，所述第三次表面处理为第二次碱酸洗处理。
根据本发明的一些实施方式，所述第二次碱酸洗包括第二次碱洗和第二次酸洗。
根据本发明的一些实施方式，所述第二次碱酸洗需用到碱洗液Ⅱ和酸洗液Ⅱ。
根据本发明的一些实施方式，所述碱洗液Ⅱ为NaOH和NaNO3的混合溶液；优选地，所述NaOH在碱洗液Ⅱ中的质量分数为75～85％，所述NaNO3在碱洗液Ⅱ中的质量分数为15～25％。
根据本发明的一些实施方式，所述第二次碱洗的温度为45～55℃，所述第二次碱洗的时间为5～15min。
根据本发明的一些实施方式，所述酸洗液Ⅱ为氢氟酸和硝酸的混合溶液。
根据本发明的一些实施方式，所述酸洗液Ⅱ在第二次酸洗过程中会将钛合金表面减薄0.04～0.06mm。根据本发明实施方式的钛合金板材的制备方法，至少具有如下有益效果：本发明利用钛合金大板坯，通过卷式和板式生产的有效结合，综合考虑了加热温度、热处理方式和保温时间等工艺的有效耦合，提高了成材率，缩短了生产周期，达到了快速批量生产的效果。同时采用叠轧工艺和一个冷轧工艺的合理匹配，对尺寸精度进行了优化控制，厚度公差小；实现了α+β型钛合金薄规格板材的批量、高效和稳定生产，对工业化批量交付具有重要意义。
附图说明
图1为实施例一所制得钛合金板材金相组织结构图；
图2为实施例一所制得钛合金板材金相组织结构图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。
本发明的实施例一：一种钛合金板材的制备方法：包含以下步骤：
S1：将TC4双相钛合金大板坯(厚度为160mm，宽度为1100mm)先在970℃下中保温260min，然后进行热连轧，得到所需厚度TC4钛合金热轧卷；其中，热连轧包括粗轧和精轧；粗轧方法为：先将大板坯轧至中间坯，中间坯的轧制温度为930℃，中间坯的厚度为42mm；精轧方法为：通过7机架将中间坯厚度轧制至4.5mm，精轧的出口温度830℃。
S2：将TC4钛合金热轧卷在1000℃左右保温18min后，强制水冷至75℃后，卷取，得到TC4钛合金带卷。
S3：将TC4钛合金带卷先进行整卷抛丸酸洗以去除表面氧化皮、再表面修磨处理以去除局部夹杂等缺陷，卷式切边后进行首次分板，得TC4钛合金型材；其中，分板规格为：4.5mm(厚度)×1100mm(宽度)×1080mm(长度)。
S4：将首次分板后的规格尺寸相同的TC4钛合金型材，两两进行组坯焊接，两块钛合金型材对齐重叠放置，且四边均为焊缝连接，得叠轧TC4钛合金；其中，单边焊缝数量为4条，其中2条位于两端端部，其余焊缝均匀分布于两端的焊缝之间，焊缝之间的间距为排气孔。
S5：将叠轧TC4钛合金在925℃下保温20min；加热结束后，以1080mm为宽，将叠轧钛合金进行一火换向轧制，得热轧TC4钛合金；其中，热轧下线厚度3.0mm。
S6：将热轧TC4钛合金进行第二次退火处理，退火后切四边，切边完成后，选用质量分数为80％NaOH和质量分数为20％NaNO3混合溶液在50℃下处理15min，再用氟化氢和硝酸混合溶液对将处理后的基材表面减薄0.08mm，得单板TC4钛合金；其中，退火温度840℃，保温时间40min；单板钛合金厚度为1.5mm。
S7：将单板TC4钛合金冷轧，得冷轧TC4钛合金；其中，冷轧钛合金的下线厚度为1.0mm，厚度公差在±0.08mm。
S8：将冷轧TC4钛合金同时进行成品退火和压校处理，处理完成后，选用质量分数为80％NaOH和质量分数为20％NaNO3混合溶液在50℃下处理10min，再用氟化氢和硝酸混合溶液对将处理后的基材表面减薄0.06mm，即得钛合金板材；其中，退火温度700℃，保温时间8h。
本发明的实施例二：一种钛合金板材的制备方法：包含以下步骤：
S1：将Gr.38钛合金大板坯(厚度为165mm，宽度为1150mm)先在950℃下保温280min，然后进行热连轧，得到所需厚度Gr.38钛合金热轧卷；其中，热连轧包括粗轧和精轧；粗轧方法为：先将大板坯轧至中间坯，中间坯的轧制温度为900℃，中间坯的厚度为48mm；精轧方法为：通过7机架将中间坯厚度轧制至6.0mm，精轧的出口温度810℃。
S2：将Gr.38钛合金热轧卷在965℃左右保温22min后，强制水冷至68℃后，卷取，得到Gr.38钛合金带卷。
S3：将Gr.38钛合金带卷先进行整卷抛丸酸洗以去除表面氧化皮、再表面修磨处理以去除局部夹杂等缺陷，卷式切边后进行首次分板，得Gr.38钛合金型材；其中，分板规格为：6.0mm(厚度)×1150mm(宽度)×1100mm(长度)。
S4：将首次分板后的规格尺寸相同的Gr.38钛合金型材，两两进行组坯焊接，两块钛合金型材对齐重叠放置，且四边均为焊缝连接，得叠轧Gr.38钛合金；其中，单边焊缝数量为5条，其中2条位于两端端部，其余焊缝均匀分布于两端的焊缝之间，焊缝之间的间距为排气孔。
S5：将叠轧Gr.38钛合金在905℃下保温18min；加热结束后，以1100mm为宽，将叠轧钛合金进行一火换向轧制，得热轧Gr.38钛合金；其中，热轧下线厚度5.4mm。
S6：将热轧Gr.38钛合金进行第二次退火处理，退火后切四边，切边完成后，选用质量分数为80％NaOH和质量分数为20％NaNO3混合溶液在48℃下处理12min，再用氟化氢和硝酸混合溶液对将处理后的基材表面减薄0.08mm，得单板Gr.38钛合金；其中，退火温度820℃，保温时间45min；单板钛合金厚度为2.7mm。
S7：将单板Gr.38钛合金冷轧，得冷轧Gr.38钛合金；其中，冷轧钛合金的下线厚度为2.0mm，厚度公差在±0.07mm。
S8：将冷轧Gr.38钛合金同时进行成品退火和压校处理，处理完成后，选用质量分数为80％NaOH和质量分数为20％NaNO3混合溶液在48℃下处理10min，再用氟化氢和硝酸混合溶液对将处理后的基材表面减薄0.05mm，即得钛合金板材；其中，退火温度680℃，保温时间8h。
上述实施例一和实施例二中抛丸酸洗等操作均采用常规方式及参数即可。本发明实施例一和实施例二的性能测试结果如表1所示，其中具体检测在万能力学试验机上进行，采用板式拉伸，具体检测方法：执行ASTME8标准技术要求。
表1实施例一和实施例二的性能测试结果
从表1中得知，本发明实施例一与实施例二所制得钛合金板材性能远优于参考标准。
本发明实施例一的金相图谱见图1，从图1中得知实施例一制得的钛合金板材各相均匀分布；本发明实施例二的金相图谱见图2，从图2中得知实施例一制得的钛合金板材各相均匀分布。
综上所述，本发明提供的钛合金板材的制备方法，从钛合金大板坯开始，通过卷式和板式生产的有效结合，综合考虑了加热温度、热处理制度、保温时间等工艺的有效耦合，提高了成材率，缩短了生产周期，达到了快速批量生产的效果。同时采用叠轧工艺和一个冷轧轧程的合理匹配，对尺寸精度进行了优化控制，厚度公差小；实现了α+β型钛合金薄规格板材的批量、高效和稳定生产，对工业化批量交付具有重要意义。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种钛合金板材的制备方法，其特征在于：由以下步骤组成：
S1、热连轧：加热钛合金大板坯，然后进行热连轧得到钛合金热轧卷；
所述热连轧过程中加热温度为相变点下30℃～相变点上30℃；
轧制温度为相变点以下30～50℃；
S2、第一次退火：加热所述钛合金热轧卷，冷却，得钛合金带卷；
所述第一次退火过程中加热温度为相变点下20℃～相变点上20℃，加热时间为10～30min；
S3、首次分板：将所述钛合金带卷第一次表面处理后首次分板，得钛合金型材；
S4、焊接：将所述钛合金型材组坯焊接，得叠轧钛合金；
S5、热轧：加热所述叠轧钛合金后，将叠轧钛合金换向轧制，得热轧钛合金；
所述热轧过程中加热温度为相变点以下50～80℃，加热时间为15～30min；
S6、第二次退火：将所述热轧钛合金第二次退火后，再次分板，进行第二次表面处理，得单板钛合金；
所述第二次退火过程中退火温度为750～850℃，退火时间30～60min；
S7、冷轧：将所述单板钛合金冷轧，得冷轧钛合金；
S8、第三次退火：将所述冷轧钛合金进行第三次退火后，进行第三次表面处理，即得所述钛合金板材；
所述第三次退火过程中退火温度为650～800℃，退火时间4～12h；
其中，所述钛合金大板坯为α+β型系列钛合金大板坯。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述热连轧包括粗轧和精轧。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述粗轧方法为：将所述钛合金大板坯轧制为钛合金中间坯；其中，所述轧制温度为相变点以下30~50℃，所述钛合金中间坯的厚度为40~50mm。
4.根据权利要求3所述的一种钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述精轧方法为，将所述钛合金中间坯轧制为钛合金热轧卷；其中，所述精轧的出口温度大于800℃。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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