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CN120055073A - 一种舰船用ta24钛合金冷轧管材的制造方法 - Google Patents

一种舰船用ta24钛合金冷轧管材的制造方法 Download PDF

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CN120055073A
CN120055073A CN202510483863.7A CN202510483863A CN120055073A CN 120055073 A CN120055073 A CN 120055073A CN 202510483863 A CN202510483863 A CN 202510483863A CN 120055073 A CN120055073 A CN 120055073A
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Abstract

本发明公开了一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，该方法包括：一、TA24钛合金铸锭锻造制备棒坯；二、棒坯钻孔后包套进行热挤压得到挤压管坯；步骤三、将挤压管坯整形轧制，内外表面处理和热处理得到轧制管坯；四、冷轧、中间道次热处理和内表面喷砂处理及酸洗处理；五、冷轧得到成品尺寸管材；六、成品热处理、矫直和超声波探伤得到TA24钛合金冷轧管材。本发明通过对棒坯化学成分、挤压和冷轧工艺、热处理制度及表面处理进行严格控制，解决冷轧加工裂纹及开裂问题，保证冷轧过程的顺利进行，制备得到力学性能优异及表面质量稳定的TA24钛合金冷轧管材，满足舰船使用要求，且质量稳定，可操作性强，适宜推广。

Description

一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法。
背景技术
TA24(又称Ti75)是一种近α型钛合金，名义化学成分为Ti-3Al-2Mo-2Zr，是我国自主研制的首个730MPa级船用钛合金，具有中强、高韧、耐腐蚀、抗氢脆、可焊等特点，综合性能优于国内外同级别船用钛合金，在船舶、石油、化工等领域具有广泛的应用前景。在舰船领域，TA24应用于动力装置设备、船舶焊接结构件、往复式盐水泵、通海系统、海水四通、接管和舷侧双座、双球阀阀杆等，并在某潜艇二回路系统中实艇应用。
TA24钛合金的熔炼、锻造、棒材、板材加工技术已趋成熟，对管材、管材的需求量也逐渐增加。目前，国内对TA24钛合金的锻造、棒材等相关研究和文献较多，但管材制造技术的文献较少，且全部为热加工，冷轧管材几乎没有，这是由于TA24钛合金强度较高，冷加工性能较差，通过冷轧加工管材的难度较大。
目前TA24钛合金管材的加工主要生产方式为热挤压、锻造棒材钻孔、及斜轧穿孔法，三种方法均为热加工为管坯后机加至成品尺寸，且各自存在局限性。棒材钻孔法可机加制备大部分外径和壁厚的管材且性能较好，但管材长度短，成材率低，成本高；挤压法生产的TA24管材性能较好，但生产较长及薄壁管材时机加难度大，且成本较高；斜轧穿孔法难度小，成本低，但只能生产外径较大(一般外径≥70mm)且壁厚较厚的管材，且性能不好控制，机加难度大，表面质量较差。
因此，需要开发出一种TA24钛合金管材的冷轧制造工艺，以获得力学性能优异且长度合格的TA24钛合金管材，且工艺相对简单，成本较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法。该方法通过对棒坯的化学成分及金相组织进行限定，保证棒坯良好的塑性加工性能，结合对棒坯包套挤压限定制备得到性能良好的挤压管坯，再对管坯进行冷轧并严格控制冷轧的工艺参数及轧后热处理制度，保证了冷轧过程的顺利进行，制备得到力学性能优异及表面质量稳定的TA24钛合金冷轧管材，解决了TA24钛合金冷轧管材冷加工难度大、加工过程易出现表面裂纹甚至易开裂的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选择经三次真空电弧炉熔炼得到的TA24钛合金铸锭作为原料进行锻造制备棒坯；所述棒坯的化学成分满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，金相组织为等轴加拉长的加工组织，无原始β晶界；
步骤二、将步骤一中制备的棒坯先钻孔，然后包套，经加热保温后使用挤压机进行挤压，制备得到挤压管坯；
步骤三、将步骤二中得到的挤压管坯使用轧管机进行整形轧制，然后进行内外表面处理，以去除表面缺陷，再进行热处理，得到轧制管坯；
步骤四、对步骤三中得到的轧制管坯使用LG型两辊轧机或LD型多辊轧机进行冷轧，并进行中间道次热处理，对经热处理后的轧制管坯进行内表面喷砂处理及酸洗处理，以去除内壁缺陷，得到半成品管坯；
步骤五、对步骤四中得到的半成品管坯使用LG型两辊轧机或LD型多辊轧机进行冷轧，得到成品尺寸管材；
步骤六、对步骤五中得到的成品尺寸管材进行成品热处理，再经矫直和超声波探伤，得到TA24钛合金冷轧管材。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤一中所述棒坯的元素组成及质量含量符合GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，并控制氧元素质量含量为0.07％～0.11％。通过限定棒坯中氧元素含量，避免氧元素含量太低而使得产物管材的强度不满足标准要求，同时避免氧元素含量太高导致后续轧制时易开裂，探伤合格率降低。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤二中所述包套采用内钢皮外铜皮的双包套形式，其中钢皮采用软钢，厚度为0.5mm～0.8mm，铜皮采用紫铜，厚度为0.7mm～1.2mm，所述加热的温度为(Tβ-30)℃～(Tβ-80)℃，其中Tβ为相变点温度，单位为℃，所述挤压机为20MN～45MN卧式挤压机，挤压采用的挤压比为5～15。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤三中所述整形轧制的变形量不超过35％，所述内外表面处理的方法为：使用镗床或者车床对整形轧制后管坯的内孔单边镗孔0.4mm～0.7mm，使用无心车床、磨床或刨床对整形轧制后管坯的外表面进行车削或者打磨，将缺陷去除干净。本发明采用小变形量整形轧制结合表面处理以将挤压管坯的内外表面缺陷去除干净，避免仅采用表面处理导致轧制管坯局部缺陷无法完全去除，在后续冷轧时缺陷扩大的现象。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤四中所述冷轧的变形量为25％～55％，车速不超过60次/min，轧制送进量不超过4mm/次。本发明基于TA24钛合金特性，控制冷轧的轧制参数，避免变形量过大导致成品尺寸管材开裂，同时避免变形量过小而变形不均匀、无法破碎组织。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤三中和步骤四中所述热处理均为真空退火，且真空退火的保温温度为600℃～800℃，其中真空退火前累计冷轧变形量大于30％时保温温度为700℃～800℃，累计冷轧变形量不超过30％时保温温度为600℃～690℃。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤四中所述内表面喷砂处理采用50目～100目砂粒，气压为0.5MPa～1.0MPa，喷砂时间不少于2min，以内表面均匀、无肉眼可见横纵微裂纹及其他缺陷为准。采用喷砂工艺以去除半成品管坯内表面缺陷，提高产品TA24钛合金冷轧管材的探伤合格率。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤五中所述冷轧的变形量为30％～50％，车速不超过50次/min，轧制送进量不超过3mm/次。本发明基于TA24钛合金特性，控制冷轧的轧制参数，避免变形量过大导致半成品管坯开裂，同时避免变形量过小而变形不均匀、无法破碎组织。
上述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤六中所述成品热处理为真空退火，且真空退火的保温温度为650℃～780℃，矫直使用六辊以上多辊矫直机，矫直方法为冷矫或者温矫，温矫温度为300℃～520℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过对原料TA24钛合金铸锭制备的棒坯的化学成分及金相组织进行限定，保证棒坯具有良好的塑性加工性能，结合对棒坯包套挤压并限定工艺参数，制备得到性能良好的挤压管坯，再对管坯进行冷轧并严格控制冷轧的工艺参数包括变形量、车速、送进量及轧后热处理制度，保证了冷轧过程的顺利进行，有效解决了TA24钛合金冷轧管材冷加工难度大、加工过程易出现表面裂纹甚至易开裂的缺陷，避免成品管材性能检测不合格、探伤合格率低等难题，制备得到力学性能优异及表面质量稳定的TA24钛合金冷轧管材，满足舰船使用要求。
2、本发明采用冷轧加工方式制造TA24钛合金冷轧管材，通过控制冷轧工艺参数进行大变形以破碎晶粒，并结合轧后热处理，使得TA24钛合金冷轧管材的组织细小均匀，其力学性能更优异、稳定。
3、本发明对轧制管坯进行内表面喷砂处理及酸洗处理，以去除加工过程中产生的内表面缺陷，提高了TA24钛合金冷轧管材的表面质量，从而提高了成品TA24钛合金冷轧管材的超声波探伤合格率。
4、相较于现有热加工后机加制造薄壁管材的机加难度大且大部分材料被车为屑子而损耗巨大的难题，本发明直接采用冷轧工艺至成品管材尺寸，尺寸精度高且无需进行大量车削，大幅提高成材率，降低成本，同时本发明的制造方法简单，不需要特殊设备，制造成本低，易于实现工业化生产。
5、相较于现有热加工方式受限于成品尺寸的难题，本发明采用冷轧生产方式制备得到外径6mm～114mm、壁厚1mm～10mm、长度3m～10m的TA24钛合金冷轧管材，极大地扩大了TA24钛合金冷轧管材的可生产规格范围，拓宽了其应用领域。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、选择经三次真空电弧炉熔炼得到的TA24钛合金铸锭作为原料进行锻造制备直径Φ178mm的棒坯；所述棒坯的化学成分即元素组成及质量含量满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，其中氧元素质量含量为0.10％～0.11％，相变点为945℃～950℃，金相组织为等轴加拉长的加工组织，无原始β晶界；
步骤二、将步骤一中制备的棒坯先钻孔，然后包套，包套采用内钢皮外铜皮的双包套形式，其中钢皮采用软钢，厚度为0.7mm～0.8mm，铜皮采用紫铜，厚度为1.0mm～1.2mm，得到包套体，将包套体加热至900℃±15℃后使用25MN卧式挤压机进行挤压，采用的挤压比为14～15，制备得到尺寸(外径×壁厚)Φ68±2mm×9±1mm的挤压管坯；
步骤三、将步骤二中得到的挤压管坯使用轧管机进行整形轧制，变形量为18％～20％，然后进行内外表面处理，使用镗床或者车床对整形轧制后管坯的内孔单边镗孔0.4mm～0.5mm，使用无心车床、磨床或刨床对整形轧制后管坯的外表面进行车削或者打磨，将缺陷去除干净，再进行真空退火，保温温度为620℃±15℃，得到轧制管坯；
步骤四、对步骤三中得到的轧制管坯使用LG60轧机进行4道次冷轧，冷轧的变形量为27％～52％，车速为20次/min～60次/min，轧制送进量为2mm/次～4mm/次，每道次冷轧后均进行真空退火，其中真空退火前累计冷轧变形量大于30％时保温温度为700℃～780℃，累计冷轧变形量不超过30％时保温温度为600℃～680℃，对经真空退火后的轧制管坯进行内表面喷砂处理，采用50目～100目砂粒，气压为0.5MPa～1.0MPa，每端喷砂时间不少于2min，喷砂后内表面均匀一致、无肉眼可见横纵微裂纹及其他缺陷，喷砂后使用HF、HNO3和水的混合酸液进行酸洗处理，以去除内壁缺陷，得到半成品管坯；
步骤五、对步骤四中得到的半成品管坯使用LD40多辊轧机进行冷轧，冷轧的变形量为32％～34％，车速为30次/min～50次/min，轧制送进量为2mm/次～3mm/次，得到外径×壁厚×长度为Φ36mm×2mm×10000mm的成品尺寸管材；
步骤六、对步骤五中得到的成品尺寸管材进行成品热处理，使用真空炉进行真空退火，且真空退火的保温温度为760℃±10℃，然后使用七辊矫直机进行冷矫，矫直后直线度满足使用要求，并进行超声波探伤，标准伤满足：深度0.2mm×宽度0.8mm×长度25mm，探伤合格率超过80％，单支管材长度大于9m，得到TA24钛合金冷轧管材。
经检测，本实施例制备的TA24钛合金冷轧管材的性能实测为：抗拉强度Rm＝790MPa～800MPa，屈服强度Rp0.2＝665MPa～690MPa，断后延伸率A＝20％～22％，完全满足于标准规格的性能要求：抗拉强度Rm≥730MPa，屈服强度Rp0.2≥580MPa，断后延伸率A≥13％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、选择经三次真空电弧炉熔炼得到的TA24钛合金铸锭作为原料进行锻造制备直径Φ213mm的棒坯；所述棒坯的化学成分即元素组成及质量含量满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，其中氧元素质量含量为0.07％～0.08％，相变点为935℃～940℃，金相组织为等轴加拉长的加工组织，无原始β晶界；
步骤二、将步骤一中制备的棒坯先钻孔，然后包套，包套采用内钢皮外铜皮的双包套形式，其中钢皮采用软钢，厚度为0.5mm～0.6mm，铜皮采用紫铜，厚度为0.7mm～0.8mm，得到包套体，将包套体加热至870℃±15℃后使用40MN卧式挤压机进行挤压，采用的挤压比为5～6，制备得到尺寸(外径×壁厚)Φ130±2mm×15±1mm的挤压管坯；
步骤三、将步骤二中得到的挤压管坯使用LG150两辊轧机进行整形轧制，变形量为22％～25％，然后进行内外表面处理，使用镗床或者车床对整形轧制后管坯的内孔单边镗孔0.5mm～0.6mm，使用无心车床、磨床或刨床对整形轧制后管坯的外表面进行车削或者打磨，将缺陷去除干净，再进行真空退火，保温温度为650℃±15℃，得到轧制管坯；
步骤四、对步骤三中得到的轧制管坯使用LG150轧机和LG60轧机进行2道次冷轧，冷轧的变形量为35％和53％，车速为40次/min～60次/min，轧制送进量为2mm/次～4mm/次，每道次冷轧后均进行真空退火，保温温度分别为700℃±15℃和760℃±15℃，对经真空退火后的轧制管坯进行内表面喷砂处理，采用50目～100目砂粒，气压为0.5MPa～1.0MPa，每端喷砂时间不少于2min，喷砂后内表面均匀一致、无肉眼可见横纵微裂纹及其他缺陷，喷砂后使用HF、HNO3和水的混合酸液进行酸洗处理，以去除内壁缺陷，得到半成品管坯；
步骤五、对步骤四中得到的半成品管坯使用LG60型两辊轧机进行冷轧，冷轧的变形量为48％，车速为30次/min～40次/min，轧制送进量为1mm/次～2mm/次，得到外径×壁厚×长度为Φ76mm×3.5mm×8000mm的成品尺寸管材；
步骤六、对步骤五中得到的成品尺寸管材进行成品热处理，使用真空炉进行真空退火，且真空退火的保温温度为740℃±10℃，然后使用多辊矫直机进行温矫，温矫温度为300℃～520℃，矫直后直线度满足使用要求，并进行超声波探伤，标准伤满足：深度0.35mm×宽度0.8mm×长度25mm，探伤合格率超过80％，单支管材长度大于6m，得到TA24钛合金冷轧管材。
经检测，本实施例制备的TA24钛合金冷轧管材的性能实测为：抗拉强度Rm＝800MPa～820MPa，屈服强度Rp0.2＝650MPa～670MPa，断后延伸率A＝21％～22％，完全满足于标准规格的性能要求：抗拉强度Rm≥730MPa，屈服强度Rp0.2≥580MPa，断后延伸率A≥13％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、选择经三次真空电弧炉熔炼得到的TA24钛合金铸锭作为原料进行锻造制备直径Φ273mm的棒坯；所述棒坯的化学成分即元素组成及质量含量满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，其中氧元素质量含量为0.08％～0.10％，相变点为940℃～945℃，金相组织为等轴加拉长的加工组织，无原始β晶界；
步骤二、将步骤一中制备的棒坯先钻孔，然后包套，包套采用内钢皮外铜皮的双包套形式，其中钢皮采用软钢，厚度为0.5mm～0.6mm，铜皮采用紫铜，厚度为0.7mm～0.8mm，得到包套体，将包套体加热至880℃后使用45MN～63MN卧式挤压机进行挤压，采用的挤压比为7～8，制备得到尺寸(外径×壁厚)Φ152±2mm×16±1mm的挤压管坯；
步骤三、将步骤二中得到的挤压管坯使用LG150两辊轧机进行整形轧制，变形量为32％～34％，然后进行内外表面处理，使用镗床或者车床对整形轧制后管坯的内孔单边镗孔0.6mm～0.7mm，使用无心车床、磨床或刨床对整形轧制后管坯的外表面进行车削或者打磨，将缺陷去除干净，再进行真空退火，保温温度为720℃±15℃，得到轧制管坯；
步骤四、对步骤三中得到的轧制管坯使用LG150两辊轧机进行1道次冷轧，冷轧的变形量为40％～43％，车速为40次/min～50次/min，轧制送进量为2mm/次～3mm/次，冷轧后进行真空退火，保温温度为750℃±15℃，对经真空退火后的轧制管坯进行内表面喷砂处理，采用50目～100目砂粒，气压为0.5MPa～1.0MPa，每端喷砂时间不少于2min，喷砂后内表面均匀一致、无肉眼可见横纵微裂纹及其他缺陷，喷砂后使用HF、HNO3和水的混合酸液进行酸洗处理，以去除内壁缺陷，得到半成品管坯；
步骤五、对步骤四中得到的半成品管坯使用LG150两辊轧机进行冷轧，冷轧的变形量为38％，车速为30次/min～40次/min，轧制送进量为2mm/次～3mm/次，得到外径×壁厚×长度为Φ108mm×4.5mm×7000mm的成品尺寸管材；
步骤六、对步骤五中得到的成品尺寸管材进行成品热处理，使用真空炉进行真空退火，且真空退火的保温温度为680℃±10℃，然后使用多辊矫直机进行温矫，温矫温度为300℃～520℃，矫直后直线度满足使用要求，并进行超声波探伤，标准伤满足：深度0.45mm×宽度0.8mm×长度25mm，探伤合格率超过70％，单支管材长度大于6m，得到TA24钛合金冷轧管材。
经检测，本实施例制备的TA24钛合金冷轧管材的性能实测为：抗拉强度Rm＝790MPa～820MPa，屈服强度Rp0.2＝640MPa～660MPa，断后延伸率A＝15％～17％，完全满足于标准规格的性能要求：抗拉强度Rm≥730MPa，屈服强度Rp0.2≥580MPa，断后延伸率A≥13％。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选择经三次真空电弧炉熔炼得到的TA24钛合金铸锭作为原料进行锻造制备棒坯；所述棒坯的化学成分满足GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，金相组织为等轴加拉长的加工组织，无原始β晶界；
步骤二、将步骤一中制备的棒坯先钻孔，然后包套，经加热保温后使用挤压机进行挤压，制备得到挤压管坯；
步骤三、将步骤二中得到的挤压管坯使用轧管机进行整形轧制，然后进行内外表面处理，以去除表面缺陷，再进行热处理，得到轧制管坯；
步骤四、对步骤三中得到的轧制管坯使用LG型两辊轧机或LD型多辊轧机进行冷轧，并进行中间道次热处理，对经热处理后的轧制管坯进行内表面喷砂处理及酸洗处理，以去除内壁缺陷，得到半成品管坯；
步骤五、对步骤四中得到的半成品管坯使用LG型两辊轧机或LD型多辊轧机进行冷轧，得到成品尺寸管材；
步骤六、对步骤五中得到的成品尺寸管材进行成品热处理，再经矫直和超声波探伤，得到TA24钛合金冷轧管材。
2.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤一中所述棒坯的元素组成及质量含量符合GB/T3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》标准要求，并控制氧元素质量含量为0.07％～0.11％。
3.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤二中所述包套采用内钢皮外铜皮的双包套形式，其中钢皮采用软钢，厚度为0.5mm～0.8mm，铜皮采用紫铜，厚度为0.7mm～1.2mm，所述加热的温度为(Tβ-30)℃～(Tβ-80)℃，其中Tβ为相变点温度，单位为℃，所述挤压机为20MN～45MN卧式挤压机，挤压采用的挤压比为5～15。
4.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤三中所述整形轧制的变形量不超过35％，所述内外表面处理的方法为：使用镗床或者车床对整形轧制后管坯的内孔单边镗孔0.4mm～0.7mm，使用无心车床、磨床或刨床对整形轧制后管坯的外表面进行车削或者打磨，将缺陷去除干净。
5.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤四中所述冷轧的变形量为25％～55％，车速不超过60次/min，轧制送进量不超过4mm/次。
6.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤三中和步骤四中所述热处理均为真空退火，且真空退火的保温温度为600℃～800℃，其中真空退火前累计冷轧变形量大于30％时保温温度为700℃～800℃，累计冷轧变形量不超过30％时保温温度为600℃～690℃。
7.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤四中所述内表面喷砂处理采用50目～100目砂粒，气压为0.5MPa～1.0MPa，喷砂时间不少于2min，以内表面均匀、无肉眼可见横纵微裂纹及其他缺陷为准。
8.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤五中所述冷轧的变形量为30％～50％，车速不超过50次/min，轧制送进量不超过3mm/次。
9.根据权利要求1所述的一种舰船用TA24钛合金冷轧管材的制造方法，其特征在于，步骤六中所述成品热处理为真空退火，且真空退火的保温温度为650℃～780℃，矫直使用六辊以上多辊矫直机，矫直方法为冷矫或者温矫，温矫温度为300℃～520℃。
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