[发明专利]一种钛合金板材的制备方法

权利要求书

1.一种钛合金板材的制备方法，其特征在于，采用等离子冷床炉进行TC4一次熔炼，真空自耗电弧工艺进行二次熔炼，在轧前对TC4合金铸锭进行锻造开坯，选择开坯温度1100℃，分三火次完成开坯；开坯采用低温时慢速加热、高温时快速加热两段式铸锭加热工艺，既能减小铸锭的温差应力，又能缩短铸锭在高温下的停留时间，减少气体对铸锭的污染，总保温时间为6h；

采用三次锻造工艺：

第一火次锻造:加热温度1050℃-1130℃，终锻温度：880℃，变形量：60%-75%；

第二火次锻造: 加热温度1000℃-1080℃，终锻温度：850℃，变形量：25%-65%；

第三火次锻造: 加热温度900℃-1000℃，终锻温度：800℃，变形量：45%-75%；

采用纯钛包覆轧制板坯，改善合金工艺塑性，提高道次加工率；轧制前，在钛坯料表面涂抗氧化涂层，涂层组份为：SiO₂:37%、B₂O₃:8.0%；Na₂O：30%；TiO₂:25%。

2.根据权利要求1所述一种钛合金板材的制备方法，其特征在于，成品在10mm以上的热轧板材采用热轧工艺；以轧制20mm成品板材为例，用200mm厚的板坯，采用感应加热；轧制温度比锻造温度低50-80℃，第一火次轧制温度为960-1050℃，道次加工率不超过15%，终轧温度880℃，一火将板坯轧制到50mm厚；第二火次轧制温度：950-1000℃，保温45分钟，道次变形量控制在4-6mm，终轧温度860℃，二火将板坯轧制到成品厚度20mm；在轧制变形量达到50%时，需要进行换向轧制，防止成品板材表面出现变形不均引起的沟状缺陷。

3.根据权利要求1-2任一所述的一种钛合金板材的制备方法，其特征在于，采用本方法轧制厚度为2-10mm板带材时，采用先热轧-再温轧的工艺，降低高温热轧有害气体对板材表面的危害，避免冷轧中间退火工序；以轧制成品为3.2mm厚板材为例，用150mm厚的板坯先热轧再温轧，采用感应加热工艺，第一火次轧制温度为960-1050℃，终轧温度880℃，一火将板坯轧制到30mm厚；第二火次轧制温度：950-1000℃，终轧温度860℃，二火将板坯轧制到10mm厚；三火、四火均采用温轧工艺；温轧采用感应加热，加热时间18-26分钟，坯料加热温度均为720-740℃，三火将板坯轧制到5mm厚，四火将板坯轧制到成品尺寸3.2mm。

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，对温轧后的板材进行真空退火，板带材经过脱脂清洗后，抽真空，再用氦气置换，采用分段升温的方式；500℃以前升温时，开动循环风机强化热交换过程，并保持退火炉处于排气状态，确保钛卷获得洁净的表面；退火温度600-650℃，保温时间5-10h。

5.根据权利要求1-2任一所述的一种钛合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）钛合金锭熔铸包括以下步骤：

选用杂质含量不超过0.3%，钛含量不低于99.7%的优质0级海绵钛，双0级电解铝锭和Al-80V中间合金为原料；由于原料粒度过大易于产生合金成分偏析和夹杂，在进行原料处理前，需要将电解铝锭剪切制成粒度为8-12.7mm粒度的块料备用，将Al-80V中间合金破碎筛分至3-12.7mm的粒度备用；

将制备的电解铝、铝钒中间合金和海绵钛送入干燥炉干燥，所有原料的干燥均采用真空干燥方法，烘干、干燥条件为：真空度5Pa，干燥温度为120-180℃，保温4-6h；烘干、干燥的目的是去除原料中的吸附水分，烘干、干燥结束，原料直接出炉；

配料是获得杂质和成分合格，获得成分分布均匀的优质铸锭的关键工序；将海绵钛、电解铝块料和Al-V中间合金按照合金工艺配料要求的比例进行混合；以配好的炉料为原料，在3200kW等离子束冷床炉进行等离子体冷床炉熔炼，熔炼炉压控制在25-120kPa范围，降低金属铝的熔炼损耗；以900kW高能等离子枪为热源熔化钛合金一次铸锭，以两只800kW等离子枪为热源对熔化的钛合金液进行两次精炼，通过高温熔化、溶解合金中的高密度、低密度夹杂，不能脱除的夹杂通过浮选、沉降的机理凝固在冷炉床的凝壳中，从钛合金液中脱除，得到纯净、温度和成分均匀的钛合金液，将净化后的钛合金液转入水冷结晶器，对结晶器通水冷却得到钛合金一次铸锭，将铸锭冷却到400℃以下出炉；

利用2000kW自耗电极电弧炉对合金进行二次熔炼，用同一牌号的合金残料作为电极底垫，在底垫上装入引弧料，装炉结束后，预抽真空至0.001-0.01Pa，将自耗电极与辅助电极对焊在一起；将电弧炉空载电压调整到70伏，借助电极与引弧剂之间的瞬间接触产生弧光放电，达到电弧稳定燃烧，迅速形成金属熔池；随后，关闭真空阀门，向炉室内冲入18-20kPa的氩气或者氦气，进行保护气氛熔炼，减少铝的熔炼损失；通过提高保护气的纯度，利用分压原理，脱除合金在高温状态下挥发的气体和低熔点夹杂；将熔炼电压调整到35-40V，熔炼电流调整到9300A-9600A；为减少铸锭头部的缩孔和疏松区，提高铸锭成材率，进入熔炼后期需要对铸锭进行封顶处理，封顶期的电流逐步从3500A逐步降低到900A，封顶时间占整个熔炼期的三分之一；封顶结束，将铸锭冷却到400℃以下出炉；通过采用等离子体冷床熔炼-真空自耗电弧熔炼组合熔炼工艺，得到气体、低熔点夹杂很低，高密度、低密度夹杂有效脱除的优质铸锭；

锻造开坯：选择开坯温度1100℃；用煤气、天然气、丁烷作为燃料，在微氧化气氛条件下对铸锭加热；开坯分三火次完成；

铸锭表面涂防氧化涂层，在900℃装炉升温到1100℃后，由于TC4合金在低温时的导热系数低，在高温时的导热系数高，且在高温下易被N₂、O₂、H₂污染，采用两段式铸锭加热工艺，低温时采用慢速加热、高温时采用快速加热，既能减小铸锭的温差应力，又能缩短铸锭在高温下的停留时间，减少气体对铸锭的污染，总的保温时间为6h，随后出炉锻造；

采用自由锻造工艺，在2500吨油压机上开坯，开始锻造要轻击、快击，并尽量减少铸坯与下砧的接触时间，以减少冷的棱角出现，造成铸锭表面裂纹；每次锻打的变形程度不超过5%-8%,初步打碎铸造初生的粗晶组织，改善塑性；然后逐步增大锤击力增大变形程度，锻打变形程度控制在20%-30%范围内；反复进行延伸锻造使铸锭中心部位的粗大组织细化，在组织晶粒细化后，锻坯温度应该在950-1000℃为宜；锻造时要注意由于变形热效应引起的局部温升，防止铸锭局部温度升高，引起铸锭产生不均匀的显微组织；经三次镦粗后完成第一火次锻造；第二火次锻造在1000℃保温4h，单向拔长锻造；第三火次锻造在950℃保温3h，单向拔长；

三次锻造的工艺依次为：

第一火次锻造:加热温度1050℃-1100℃，终锻温度：880℃，变形量：60%-75%；

第二火次锻造: 加热温度1000℃-1080℃，终锻温度：850℃，变形量：25%-65%；

第三火次锻造: 加热温度900℃-1000℃，终锻温度：800℃，变形量：45%-75%；

（3）板坯制备：将开坯后的锻坯切成方形板坯，在空气锤上自由锻造；为改善TC4合金的工艺塑性，提高道次加工率，在轧制前对锻造后的板坯包覆一层纯钛；为防止钛坯在高温下氧化、吸气，在轧制前，在钛坯料表面涂抗氧化涂层，涂层组份为：SiO₂:37%、B₂O₃:8.0%；Na₂O：30%；TiO₂:25%；

（4）板材制备：板坯热轧在Ф600mm/Ф1350*1200四辊可逆热轧机轧制，成品为20mm的热轧厚板时，用200mm厚的板坯，采用感应加热；轧制温度比锻造温度低50-80℃，第一火次轧制温度为960-1050℃；开始轧制时，道次变形量控制在3-4mm，道次加工率不超过15%，终轧温度880℃，一火将板坯轧制到50mm厚；第二火次轧制温度：950-1000℃，保温45分钟，道次变形量控制在4-6mm，终轧温度860℃，二火将板坯轧制到20mm厚；板材经表面刨铣机加工后，再经检验、包装、入库；在轧制TC4合金厚板时，单向轧制变形量达到50%时，需要进行换向轧制，防止成品板材表面出现变形不均引起的沟状缺陷；

轧制成品为3.2mm厚板材时，采用150mm厚的板坯先热轧再温轧；采用感应加热工艺，第一火次轧制温度为960-1050℃，开始轧制时，道次变形量控制在3-4mm，终轧温度880℃，一火将板坯轧制到30mm厚；第二火次轧制温度：950-1000℃，保温45分钟，道次变形量控制在4-6mm，终轧温度860℃，二火将板坯轧制到10mm厚；

三火、四火均采用温轧工艺，可以保证板带坯轧制的变形量和总变形程度，降低高温热轧有害气体对板材表面的危害，避免冷轧的中间退火工序；温轧采用感应加热，加热时间18-26分钟，坯料加热温度均为720-740℃，三火将板坯轧制到5mm厚，四火将板坯轧制到成品尺寸3.2mm；温轧后的板材需要在真空下退火，退火前需要在碱液中洗除板材表面的轧制油；抽真空后，再用氦气置换，随后采用分段升温的方式，以缓和带卷内部和表面温差；升温时，要开动退火炉的循环风机，通过对流换热强化热交换过程；在500℃以前，退火炉要保持排气状态，确保钛卷获得洁净的表面；退火温度600-650℃，保温时间5-10h；退火后的带卷再经过碱洗、酸洗、表面缺陷修磨、检验、包装、入库。