[发明专利]双层色套挤压钛合金的方法

说明书

本发明属于钛及钛合金热挤压加工的技术方案。

关于钛及钛合金热挤压加工的问题，已经做了许多研究工作。目前解决钛及钛合金热挤压加工中的润滑采用的方法是润滑玻璃或挤压坯料外覆一层塑性良好的金属，如包铜套或喷涂铜等等。例如日本专利JP79006248就是一篇关于“钛及钛合金热挤压用的润滑玻璃”的发明，西德专利DE3210304是一篇关于“采用喷涂铜薄膜作为钛合金挤压的润滑材料”的发明。

实际上，采用现有的这些润滑方法挤压钛合金并不是没有问题的。采用铜包套的方法挤压钛及钛合金加热温度不宜超过850℃。当超过该温度时，在钛与铜的界面上则生成一种Ti-Cu共晶组织，该组织为脆性物质，不仅起不到润滑的作用，反而会破坏正常的挤压。另一方面，在使用润滑玻璃挤压时产生的摩擦力较大，因此采用现有的润滑玻璃挤压钛合金时所需要的挤压力很大。采用大挤压比挤压大规格管材时往往超过设备允许的能力，使挤压不能进行。若用提高加热温度的办法降低挤压力，将加热温度提高超过钛合金的相变点时，挤制品则呈现为不均匀的粗大组织，满足不了性能的要求。

本发明的目的在于解决生产组织细小均匀、表面光滑、无裂纹，直径较大，例如φ161×13毫米的钛合金管材的挤压工艺问题。挤压加热温度超过850℃但在钛合金的相变点之下。不仅要使管材挤压能顺利地进行，而且使挤压管材具有优良的性能。

本发明采用的钛合金挤压坯料是用二次真空自耗熔炼的铸锭径锻造开坯制备的。锻造后的棒坯，根据尺寸要求切断，钻孔，并且为去掉锻造时造成的污染和产生的缺陷对其进行车皮。

图1为采用双层包套的钛合金挤压坯料的剖视图。制备好的挤压坯料首先包上一层钢包套，这是双层包套的内层包套。钢包套由薄的软质钢板制作，可用0.5-1.2毫米厚的A₃钢。如图1所示，一个坯料（1）的钢包套由薄钢板卷成的圆筒形的大套（2）和小套（3）以及用薄钢板加工成的两个圆环片（4）、（5）构成。筒形套的长度应该比坯料长，例如长20-30毫米。钢制大套的内径和小套的外径以及钢制圆环片的外径和内径分别与挤压坯料的外径和内径相吻合。坯料在包套时将大钢套套在坯料的外表面上，将小钢套插入坯料的内孔里，使坯料处于套的中间，即套的两端比坯料两端长10-15毫米。坯料的两端分别放上一个钢制圆环片。在套的两端分别按大套朝里小套朝外的方向压向坯料的端面，使两端的圆环片被压住，直到压紧为止。至此，坯料包上了内层钢包套。

坯锭包完钢包套之后，在钢包套外还要包上一层铜包套。铜包套是由薄的软质紫铜板制作，其厚度可为1-2毫米。其制作方法及包铜套的过程与钢套相似，但是用薄铜板卷成圆筒形的套后，其缝隙要焊合，以保证挤压过程中的润滑作用。铜包套的直径与钢包套的直径应相匹配。即大铜套（6）的内径和小铜套（7）的外径分别与大钢套的外径和小钢套的内径对应，使大铜套能恰好套在大钢套的外表面上，小铜套能恰好插入小钢套中。铜圆环片（8）与（9）的外径和内径分别与大钢套的外径及小钢套的内径一致。

挤压时由于热效应的影响，使得挤制品的温度有不同程度的提高。当挤压温度接近相变点时，往往会得到粗大的组织，温度太低又会使材料的变形抗力增大，因此在相变点以下20-50℃的范围内加热为宜。包双层包套的直径较大的钛合金挤压坯料，可以在其相变点以下20-50℃的加热温度下进行挤压。挤压双层包套坯料的工艺与常规的一样。采用双层包套的方法挤压钛合金坯料，由于外层包套为铜，内层包套为钢，在850℃以上加热不仅避免了Ti-Cu共晶脆性物生成而且在挤压过程中具有良好的润滑性能，所以使挤压能顺利进行;在挤压坯料相对于挤压机的能力较大的情况下，采用双层包套的方法可在相变点之下加热进行挤压，并且挤压后的管材组织、性能和表面质量都得到了很大的改善;另外，一种牌号的润滑玻璃只适于一定的挤压加热温度，而双层包套的挤压方法适应于不同牌号的钛合金。

具有双层包套的钛合金坯料挤压成管材后，用酸洗、电解等方法将铜皮除掉。铜皮清除后，钢皮很容易除去。

实例1，用挤压方法生产直径较大的Tc4（Ti-6Al-4V）合金管材。挤压坯料是由Tc4钛合金铸锭径锻造开坯、车皮、钻孔、扩孔后制得。坯料采用双层包套。钢包套厚度为0.7毫米，铜包套厚度为1.5毫米。坯料使用工频感应炉加热。实验中采用的Tc4合金的相变点为970℃，加热温度在920-950℃之间，加热时间为30～60分钟。挤压设备为3150吨水压机。挤压Tc4合金实验中几个试样有关的挤压参数列于表1。

表1    Tc4钛合金管材挤压的有关参数