[发明专利]一种钛合金板材的制备方法

说明书

本发明公开一种钛合金板材制备方法。采用等离子‑真空自耗电弧组合工艺制备TC4铸坯；第一火次终锻880℃，变形量60‑75%；第二火次终锻850℃，变形量25‑65%；第三火次终锻800℃，变形量45‑75%。轧制20mm成品板材，道次变形量4‑6mm，变形50%时换向轧制；轧制2‑10mm板带材时，先热轧‑再温轧，一火次轧温960‑1050℃，二火次轧温950‑1000℃，三火、四火采用温轧工艺。退火温度600‑650℃，保温时间5‑10h。本发明采用高温熔化、溶解、浮选、沉降脱除夹杂，利用分压原理除气，减少低熔点合金元素铝的烧损，省略了电极制备工序，简化了生产工艺，可以直接利用钛残料，降低铸锭成本，制品为均匀细晶组织，具有加工温度范围宽，板材强度、塑性及断裂韧性配匹性好等优点。

技术领域

本发明涉及钛及钛合金加工，属于有色金属压力加工技术领域，尤其涉及一种钛合金板材的制备方法。

背景技术

Ti-6Al-4V是开发最早，使用最广泛的(α+β)两相钛合金,由于钛合金的熔炼温度超过1800℃，且在高温下，钛极易与环境中的氧、氢、水汽、二氧化碳以及金属氧化物Fe₂O₃、SiO₂作用，导致合金吸氧、增氢、增铁、增硅。受钛合金高温冶金特性的影响，该合金的杂质铁、氧、氢等的含量较高，按照国标规定要求，该合金容许的铁、氧、氢的上限依次为： Fe：0.3％max；O：0.2％max；H：0.015％max。由于部分铁、氧以粗大的金属化合物的形式存在于钛合金的基体中，部分氢以微细弥散的气泡的形式存在于钛合金的基体中，增加了合金基体的冶金缺陷。

目前,Ti-6Al-4V合金的熔炼主要采用2-4次自耗电极熔炼工艺，这种熔炼工艺对Ti- 6Al-4V合金熔炼过程和铸锭质量存在两方面的影响，一是电弧熔炼通过5000℃的高温和 0.001-0.01Pa的高真空熔化和净化钛合金液，合金在熔化过程中，低熔点的金属铝的挥发损失极大，既增加了生产成本，合金成分的控制也极其困难。二是，自耗电极熔炼工艺金属熔池浅、合金在液态保持的时间极短，合金中存在的高密度和低密度夹杂无法有效脱除，这种高密度和低密度夹杂为合金裂纹萌生和裂纹扩展的源头，是导致飞机结构件失效的重要原因、也降低了合金的塑性和加工性能，缩短了合金的使用寿命。

TC4合金采用近β锻造、近β热处理工艺，可以提高损伤容限性能，由于β工艺与合金的变形过程关系密切，其加工工艺的特点是:加工过程温度控制要求非常严格。而钛合金的导热性能很差，热加工过程产生的变形能不易有效导出，受变形热效应的影响，加工过程极易导致工件局部区域温度过高，使合金局部区域产生过热、过烧和组织粗大，因组织不均还会带来合金的性能和质量不稳。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种操作方便、工艺可控、提高合金断裂韧性、改善合金加工性能和使用性能的优质钛合金板材的制备方法。

本工艺采用等离子冷床炉进行TC4合金一次熔炼，通过等离子体产生的高温熔化、溶解TC4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，铸成一次铸锭。采用真空自秏电弧熔炼工艺对TC4合金进行二次熔炼，利用真空熔炼时产生的高温、高真空脱除合金中的有害气体夹杂。

本方法采用等离子冷床炉进行TC4合金的一次熔炼，省略了电极制备工序，简化了生产工艺，可以直接利用钛残料，降低了铸锭生产成本。

本方法在采用等离子冷床熔炼-真空自耗电弧组合熔炼工艺时，通过向炉室通入纯净的氩气或者氦气保护气氛提高炉压，减少低熔点合金元素铝的烧损，通过提高保护气的纯度，利用分压原理，脱除合金中的气体杂质和低熔点杂质。采用本工艺熔炼钛合金前，对炉料进行碱洗、酸洗和真空干燥，脱除原料中的油脂和水分，能够有效降低炉料带入的气体和氧化物、氮化物夹杂。