CN108977689A

CN108977689A - 一种亚稳β钛合金板材及其加工方法

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Publication number: CN108977689A
Application number: CN201810804536.7A
Authority: CN
Inventors: 陈荣; 谭成文; 聂志华; 于晓东; 惠松骁; 叶文君; 肖俊峰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2018-12-11
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: CN108977689B

Abstract

本发明涉及一种亚稳β钛合金板材及其加工方法，属于钛合金板材制备技术领域。本发明通过向合金中加入0.05～0.2wt.％的硼元素，使得合金铸锭可以省却开坯锻造过程，直接在相变温度以上进行轧制，同时经过单一火次和3～5道次轧制即可得到合金中间板材，然后在相变温度以上进行短时固溶处理，获得合金板材。本发明相比现有技术可显著缩短板材的加工流程，降低加工成本。

Description

一种亚稳β钛合金板材及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种亚稳β钛合金板材及其加工方法，属于钛合金板材制备技术领域，该方法加工的亚稳β钛合金板材微观组织均匀，且该方法流程短，加工成本低，效率高。

背景技术

亚稳β型钛合金是一类具有高强度、强耐蚀、加工性能优异的轻质结构材料，广泛应用于航空航天、舰船、武器装甲、化工、运动装备等领域，其中板材是该类合金最重要的产品，占所有产品的80％左右。

对于亚稳β型钛合金板材而言，目前的生产方式主要为首先在β相区对铸锭进行多次墩拔的开坯锻造，然后在两相区进行多火次多道次的热轧，最后进行热处理以获得所需性能的板材。由于钛合金铸态组织中β晶粒异常粗大(最大可达厘米级别)，且无法通过热处理细化组织，使得合金铸锭在直接进行轧制时会出现开裂、轧后组织不均匀等缺陷，通常需要经过多次锻造以细化β晶粒。同时由于β晶粒在高温单相区容易长大而造成加工性能恶化、轧后组织不均匀，亚稳β型合金一般选择两相区进行轧制。但由于相变点较低(通常在900℃以下)，该类合金在两相区变形抗力较大、塑性不足，使得合金单一火次和单一道次变形量较低，通常需要经过多火次多道次的轧制才能得到所需要尺寸的板材。复杂的热变形工艺增加亚稳β型钛合金板材的加工成本，从而影响了合金板材的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种短流程加工的亚稳β钛合金板材及其加工方法。

本发明的一种短流程加工的亚稳β钛合金板材，该钛合金板材成分中含有0.05～0.2wt％的硼元素，也就是说以该钛合金板材的总质量为100％计算，钛合金板材中硼元素的质量含量为0.05％-0.2％。

本发明的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，该方法的步骤包括：

(1)熔炼铸锭

将原材料通过分层布料或混料的方式进行混合，压制为电极，利用氩弧焊接将电极进行连接，利用真空自耗电弧熔炼炉进行2～3次熔炼，得到钛合金铸锭。

(2)板材轧制

将步骤(1)得到的钛合金铸锭进行扒皮，然后切取板坯。将板坯进行保温处理，然后利用热轧设备在一火次下经过3～5个道次轧制，得到中间板材。然后利用马弗炉对板材进行20min～1h的固溶处理，冷却方式为水淬(WQ)或者空冷(AC)，得到组织均匀的钛合金板材。

所述的步骤(1)中的原材料包括制备亚稳β钛合金的原料和含硼中间合金或硼粉。

所述含硼中间合金为AlTiB或FeB，其中AlTiB中Al元素的质量分数不超过10％，FeB中硼元素的质量分数不低于18％。当亚稳β钛合金成分中含有Fe元素时，优选FeB；当亚稳态β钛合金成分中含Al元素时，优选AlTiB；当亚稳β钛合金成分中既不含有Al元素也不含有Fe元素时，选择硼粉。

所述的步骤(1)中钛合金铸锭中硼的质量分数为0.05～0.2wt.％(质量分数)。

所述的步骤(2)中板坯的保温处理时间根据板坯厚度确定，具体为1.0～2.0min/mm；保温处理温度为T_β～T_β+100℃，T_β为钛合金相变温度。

所述的步骤(2)中轧制每道次变形量不低于10％，轧制总变形量不低于50％；固溶处理温度为T_β～T_β+50℃,T_β为钛合金相变温度。

有益效果

与现有的技术相比，本发明具有以下的优势：目前通常的亚稳β型钛合金热轧板材的加工通常包括在高温下(1000～1200℃)对合金铸锭进行多次墩拔的开坯锻造，然后在低于相变点的温度下进行多火次多道次的热轧。而本发明通过向合金中加入0.05～0.2wt.％的硼元素，使得合金铸锭可以省却开坯锻造过程，直接在相变温度以上进行轧制，同时经过单一火次和3～5道次轧制即可得到合金中间板材，然后在相变温度以上进行短时固溶处理，获得合金板材。本发明相比现有技术可显著缩短板材的加工流程，降低加工成本。同时，相对传统工艺在相变点以下轧制，本发明的轧制温度和固溶处理温度在相变点以上，选择范围较宽，使得生产上易于操作。本发明通过向合金中添加微量的硼元素，在不影响其力学性能的前提下，有效缩短合金板材的加工流程。

附图说明

图1为制备亚稳态β型钛合金热轧板材的传统加工工艺流程；

图2为本发明中制备亚稳态β型钛合金热轧板材的短流程加工工艺流程；比图1可知，本发明的工艺流程明显少于传统工艺，加工成本低，效率高。

图3a为实施例1中总变形量为50％的直接轧制2A2F10B合金板材经850℃/1h/WQ固溶处理后纵截面的显微组织；

图3b为实施例1中总变形量为50％的直接轧制2A2F合金板材经850℃/1h/WQ固溶处理后纵截面的显微组织；

图4a为实施例2中总变形量为70％的直接轧制2A2F10B合金板材经850℃/1h/WQ固溶处理后纵截面的显微组织；

图4b为实施例2中总变形量为70％的直接轧制2A2F合金板材经850℃/1h/WQ固溶处理后纵截面的显微组织；

图5a为实施例3中总变形量为85％的直接轧制2A2F10B合金板材经850℃/1h/WQ固溶处理后纵截面的显微组织；

图5b为实施例3中总变形量为85％的直接轧制2A2F合金板材经850℃/1h/WQ固溶处理后纵截面的显微组织。

具体实施方式

以下通过实施例和附图阐述本发明具体实施方式。

实施例1

S1.合金铸锭熔炼：

按照Ti-2(wt.％)Al-9.2(wt.％)Mo-2(wt.％)Fe-0.1(wt.％)B合金(2A2F10B)成分要求，取相应重量的AlMo55、MoFe50、FeB20、Ti-32Mo中间合金和0级海绵钛，利用分层布料的方式压制电极，然后利用真空自耗电弧熔炼设备进行两次熔炼得到32Kg的合金铸锭，以确保成分均匀。然后将铸锭表面扒皮，并利用化学法测试铸锭化学成分(表1)。通过淬火金相法测定其相变点为815±5℃。

表1 2A2F10B合金铸锭化学成分(质量含量)

Al	Mo	Fe	B	Ti
					2.03	9.32	2.09	0.096	余量

S2.板材轧制：

从步骤S1得到的铸锭上取115mm(长)×80mm(宽)×20mm(厚)的轧制板坯。将板坯在900℃的加热炉中保温20min，然后送入热轧机中进行4道次单向热轧，各道次变形量分别为20％、10％、10％、10％，空冷至室温后进行表面喷砂处理得到厚度为10mm的热轧中间板材，板材边缘光滑无裂纹。将中间板材在850℃下进行30min固溶处理，并水淬，得到合金板材。观察板材纵截面显微组织，并与相同工艺下制备的Ti-2(wt.％)Al-9.2(wt.％)Mo-2(wt.％)Fe合金(2A2F)板材组织进行对比，如附图3a和附图3b所示可知，采用本发明方法得到的板材组织明显更为均匀。

实施例2

S1.合金铸锭熔炼：

按照Ti-2(wt％)Al-9.2(wt％)Mo-2(wt％)Fe-0.1(wt％)B合金成分要求，取相应重量的AlMo55、MoFe50、FeB20、Ti-32Mo中间合金和0级海绵钛，利用分层布料的方式压制电极，然后利用真空自耗电弧熔炼设备进行两次熔炼得到32Kg的合金扁形铸锭，以确保成分均匀。然后将铸锭表面扒皮，并利用化学法测试铸锭化学成分(表2)。通过淬火金相法测定其相变点为815±5℃。

表2 2A2F10B合金铸锭化学成分(质量含量)

Al	Mo	Fe	B	Ti
					2.12	9.26	2.04	0.098	余量

S2.板材轧制：

从步骤S1所示的铸锭上取115mm(长)×80mm(宽)×20mm(厚)的轧制板坯。将板坯在900℃的加热炉中保温20min，然后送入热轧机中进行4道次单向热轧，各道次变形量分别为25％、20％、15％、10％，空冷至室温后进行表面喷砂处理得到厚度为6mm的热轧中间板材，板材边缘光滑无裂纹。将中间板材在850℃下进行30min固溶处理，并水淬得到合金板材。观察板材纵截面显微组织，并与相同工艺下制备的Ti-2(wt％)Al-9.2(wt％)Mo-2(wt％)Fe合金板材纵截面组织进行对比，如附图4a和附图4b所示可知，采用本发明方法得到的板材显微组织中晶粒均匀细小，而2A2F合金板材组织中晶粒尺寸则较大，组织均匀性也差于2A2F10B合金。

实施例3

S1.合金铸锭熔炼：

按照Ti-2(wt％)Al-9.2(wt％)Mo-2(wt％)Fe-0.1(wt％)B合金成分要求，取相应重量的AlMo55、MoFe50、FeB20、Ti-32Mo中间合金和0级海绵钛，利用分层布料的方式压制电极，然后利用真空自耗电弧熔炼设备进行两次熔炼得到32Kg的合金扁形铸锭，以确保成分均匀。然后将铸锭表面扒皮，并利用化学法测试铸锭化学成分(表3)。通过淬火金相法测定其相变点为815±5℃。

表32 2A2F10B合金铸锭化学成分(质量含量)

Al	Mo	Fe	B	Ti
					2.07	9.21	2.02	0.11	余量

S2.板材轧制：

从步骤S1所示的铸锭上取115mm(长)×80mm(宽)×20mm(厚)的轧制板坯。将板坯在900℃的加热炉中保温20min，然后送入热轧机中进行4道次单向热轧，各道次变形量分别为40％、20％、15％、10％，空冷至室温后进行表面喷砂处理得到厚度为3mm的热轧中间板材，中间板材边缘光滑，且未出现明显裂纹。将板材在850℃下进行30min固溶处理，并水淬，得到合金板材。观察板材纵截面显微组织，并与相同工艺下制备的Ti-2Al-9.2Mo-2Fe合金板材纵截面显微组织进行对比，如附图5a和附图5b所示。可知，采用本发明方法得到的板材显微组织中晶粒尺寸细小，组织均匀性明显优于2A2F合金板材。从板材上沿着轧制方向取板状拉伸样品，根据GB/T228.1-2010测试其拉伸力学性能，并对比传统板材制备工艺得到的2A2F合金板材的拉伸力学性能，见表4所示，可知本发明方法制备得到的合金拉伸力学性能与传统板材制备工艺得到的相同合金板材相当。

表4本发明制备的2A2F10B合金板材与传统板材制备工艺制得的2A2F合金板材的拉伸力学性能

合金	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断裂伸长率(％)
				2A2F10B	868	689	34
2A2F	850	680	35

Claims

1.一种短流程加工的亚稳β钛合金板材，其特征在于：该钛合金板材成分中含有0.05～0.2wt％的硼元素。

2.根据权利要求1所述的一种亚稳β钛合金板材的短流程制备加工方法，其特征在于该方法的步骤包括：

(1)将原材料进行混合，压制为电极，并将电极进行连接，然后进行2～3次熔炼，得到钛合金铸锭；

(2)将步骤(1)得到的钛合金铸锭进行扒皮，然后切取板坯，将板坯进行保温处理，然后利用热轧设备在一火次下经过3～5个道次轧制，得到中间板材，然后对板材进行固溶处理，得到钛合金板材。

3.根据权利要求2所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中固溶处理时间为20min～1h。

4.根据权利要求2所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中固溶处理中冷却方式为水淬或者空冷。

5.根据权利要求2所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述的步骤(1)中的原材料包括制备亚稳β钛合金的原料和含硼中间合金或硼粉。

6.根据权利要求5所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述含硼中间合金为AlTiB或FeB，其中AlTiB中Al元素的质量分数不超过10％，FeB中硼元素的质量分数不低于18％。

7.根据权利要求5所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：当亚稳β钛合金成分中含有Fe元素时，步骤(1)中的原材料包括制备亚稳β钛合金的原料和FeB。

8.根据权利要求5所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：当亚稳态β钛合金成分中含Al元素时，步骤(1)中的原材料包括制备亚稳β钛合金的原料和AlTiB。

9.根据权利要求5所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：当亚稳β钛合金成分中既不含有Al元素也不含有Fe元素时，步骤(1)中的原材料包括制备亚稳β钛合金的原料和硼粉。

10.根据权利要求2所述的一种亚稳β钛合金板材的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)中板坯的保温处理时间根据板坯厚度确定，具体为1.0～2.0min/mm；保温处理温度为T_β～T_β+100℃，T_β为钛合金相变温度；轧制每道次变形量不低于10％，轧制总变形量不低于50％；固溶处理温度为T_β～T_β+50℃,T_β为钛合金相变温度。