一种含铝锰元素钛合金、冷轧单张薄板及其制备方法与流程

1.本发明涉及航空结构件用钛合金薄板产品领域，具体涉及一种高端航空结构件用钛合金薄板产品的制备方法。


背景技术：

2.钛合金因比强度高、耐蚀和疲劳性能好而广泛应用于飞机的机体结构。随着飞机设计的不断发展，航空工业对钛合金的需求越来越大，要求越来越高。如何在保证产品质量的前提下降低成本已成为全世界钛合金供应商共同面临的挑战。它推动了以粉末冶金、激光成型、冷床炉单次熔炼等为代表的一批降本新技术的快速发展和推广。其中，冷床炉单次熔炼技术近年来发展非常迅速，该技术利用冷床炉能实现高纯净熔炼的特点将传统的2-3次真空自耗熔炼(var)减少为一次冷床炉熔炼(chm)，同时还能实现铸造板坯的直接轧板和返回料的大量利用，缩短了工艺流程、降低了熔炼成本，已成为未来钛合金板材制造技术的发展方向。
3.根据高品质低成本、高效率短流程的制造要求和趋势，现引进并已建成投产了电子束冷床炉(eb)和等离子弧冷床炉(pam)工业化炉各一台，用于钛合金产品的研发和生产。其中eb炉用于熔炼简单的纯钛及元素挥发性较弱的钛合金铸锭，pam炉用于熔炼高熔点、难熔及易挥发等合金成分难控的钛合金铸锭。由于技术封锁，国际上对于冷床炉熔炼钛合金及其后续热加工的相关研究鲜有报道，特别是pam炉熔炼钛合金在我国处于起步阶段，对于相关的应用产品及其制备工艺技术有待进一步研究。
4.本发明涉及的钛合金成分含铝、锰等易挥发元素，是低合金化的ti-al-mn系近α型钛合金，性能特点是具有比工业纯钛略高的使用强度并保持了很好的工艺塑性，且有良好的焊接性能和热稳定性。在飞机和航空发动机结构中，该合金主要应用于制造形状较复杂、强度要求不高的板材冲压成形并焊接的零部件。其制造工艺难点在于采用常规典型的真空自耗熔炼方法制备铸锭，由于al、mn为易挥发元素，存在烧损和偏析问题，导致铸锭的成分及其均匀性不满足设计要求，当前一般采用充氩保护的措施来控制，但方法存在工序时间长、操作复杂、额外增加工序费用的现实问题，竟而影响到产品的冶金质量和最终成品的制造成本，合金板材成品价格昂贵。为此，研制设计一种新制备方法是必要的。
5.专利201710160120.1公开了一种超塑成形用sp700钛合金薄板的加工方法，厚度为0.5mm～1.2mm，采用锻造开坯，未规定铸锭的熔炼方式及外形尺寸；专利201810716443.9公开了一种β钛合金薄板的冷轧加工方法，采用薄板坯料 冷轧的方法，未规定铸锭和热变形相关的技术要求；专利201410235456.6公开了一种细晶超塑性ta15钛合金薄板的加工方法，采用已有热轧坯料 包覆叠轧的方式获得0.5mm～1.4mm的冷轧板产品；专利201210452578.1公开了一种钛合金薄板的温轧加工方法，将厚度为3.5mm～6mm的坯料通过加热、热处理 加热多步骤的温轧方式获得厚度为1.2mm～3mm的钛合金薄板；专利cn201410503148.7公开了一种tc1钛合金薄板的叠轧加工方法，采用两块板叠轧方式制备方法得到厚度为1mm～3mm的tc1钛合金薄板。通过查阅其他资料，国内采用冷床炉单次熔炼
扁锭制备钛合金冷轧单张薄板的方法还未见报道。


技术实现要素：

6.因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种含铝锰元素钛合金，还提供含铝锰元素钛合金薄板，同时提供钛合金薄板产品的新型工业化制备方法。
7.本发明的技术方案是，一种含铝锰元素钛合金，所述薄板的化学成分质量分数为：al：1.0-5.0％，mn：0.7-2.0％，fe≤0.30％，o≤0.15％，n≤0.05％，h≤0.01％，c≤0.08％，余量为ti。
8.本发明还提供了一种含铝锰元素钛合金冷轧单张薄板，所述薄板的化学成分质量分数为：al：1.0-5.0％，mn：0.7-2.0％，fe≤0.30％，o≤0.15％，n≤0.05％，h≤0.01％，c≤0.08％，余量为ti；所述薄板产品厚度为0.5～3mm。
9.本发明还提供了上述含铝锰元素钛合金冷轧单张薄板的制备方法，包括如下步骤：
10.1)采用等离子冷床炉pam单次熔炼制备获得铝锰钛合金铸锭，所述铸锭为厚度200～450mm、宽度750～1200mm、长度为1000～4500mm的扁锭；
11.2)将步骤1)获得的扁锭轧制开坯，再通过下料 表面六面铣光 局部研磨处理后，获得80～120mm厚，680～800mm长的中间轧制板坯；
12.3)将步骤2)获得的板坯加热到相变点以上30～50℃，要求料到温后保温50～60min出炉，一次换向轧制获得30～50mm厚的中间轧制板坯，之后切割下料并进行表面研磨处理；
13.4)将步骤3)获得的板坯加热到相变点以下30～50℃，要求料到温后保温20～30min出炉，坯料二次换向轧制获得10～12mm厚的中间轧制板坯，之后对10～12mm板坯根据后续加工规格尺寸及变形压下控制要求切割下料及表面研磨处理；
14.5)将步骤4)获得的板坯加热到相变点以下30～50℃加热变形，要求料温到温后保温20～30min出炉，三次换向轧制获得2.5～6mm厚的冷轧用板坯；对2.5～6mm厚的板坯根据后续加工规格尺寸及变形压下控制要求切割下料进行退火、表面酸洗 研磨处理；退火温度700～800℃，保温30～35min；
15.6)将步骤5)获得的板坯通过冷轧获得0.5～3mm厚的薄板；依据薄板目标厚度设定冷轧轮次，每轮次冷轧前的坯料均需进行730-770℃保温25～30min退火 表面碱洗 局部研磨的处理后，进行下一轮次冷轧变形；每个薄板目标厚度与其前道坯料之间的压下总变形量控制范围为25～35％；
16.7)将步骤6)获得的冷轧薄板在热处理炉中进行700～750℃的退火处理，保温时间不低于20min，以调整板材的组织性能及版型；
17.8)将步骤7)获得的薄板通过表面碱洗 局部研磨处理以最终获得金属本色光亮无缺陷的产品。
18.料到温是指板坯到达相变点以上30-50℃。
19.步骤5)酸洗要求表面成金属本色，无氧化皮及其他异物残留。步骤6)和步骤8)的碱洗要求是要求表面成金属本色，无氧化皮及其他异物残留。
20.步骤6)这个是冷轧道次之间的退火，以利于后续变形。
21.根据本发明的一种含铝锰元素钛合金冷轧单张薄板的制备方法，优选的是，将步骤1)获得的扁锭加热到1000～1100℃进行轧制开坯，再通过下料 表面六面铣光 局部研磨处理后获得80～120mm厚，680～800mm长的中间轧制板坯。该温度下，可以更好进行材料的组织破碎变形，表面处理要求无缺陷控制，以免残留缺陷残留遗留到后面坯料上，以及避免残留缺陷在后续变形过程中进一步扩展，影响到成品率和表面质量。
22.根据本发明的一种含铝锰元素钛合金冷轧单张薄板的制备方法，优选的是，步骤3)所述相变点tβ是：920℃
±
20℃；步骤4)所述相变点tβ是：920℃
±
20℃；步骤5)所述相变点tβ是：920℃
±
20℃。
23.根据本发明的一种含铝锰元素钛合金冷轧单张薄板的制备方法，优选的是，步骤6)所述冷轧轮次控制1～10。
24.优选的是，步骤5)所述退火温度为730-770℃。
25.优选的是，步骤5)所述研磨时间为0.1-3min。研磨时间是依据表面残留氧化皮状况，研磨后表面粗糙度达到2-4μm，优选3.2μm。
26.优选的是，步骤6)和步骤8)所述研磨时间为0.1-3min。研磨时间是依据表面残留氧化皮状况，研磨后表面粗糙度达到2-4μm，优选3.2μm。
27.优选的是，步骤5)所述酸洗时间为酸洗时间2～20min；步骤6)和步骤8)所述的碱洗时间为2～20min。
28.所述酸洗用的酸优选氢氟酸hf、硝酸(hno3)中的一种或两种。其中hf质量浓度优选1～5％，hno3质量浓度优选10～20％。
29.所述碱洗用的碱选自碳酸钠(nano3)、氢氧化钠(naoh)中的一种或者两种。其中优选的是，nano3质量浓度10～20％，naoh质量浓度80～90％。
30.本方面即是优选等离子冷床炉pam进行铸锭熔炼，且采用单次熔炼，并以合理的变形工艺方法生产该钛合金薄板产品。
31.本发明的制备方法，包括：pam炉单次熔炼 轧制开坯 热轧 冷轧 热处理 表面处理，以缩短板材加工流程，及提升铝锰钛合金薄板产品的品质。与传统真空自耗熔炼工艺相比，冷床炉单次熔炼过程大大简化，减少了电极块组装、焊接、1～2次锭熔炼(且军工产品一般均需三次var熔炼)等生产环节，工艺流程短，效率高，降低了制造时间和成本。另外，冷床炉的铸造板坯(扁锭)，在进行适度的机械处理后，可直接进行轧制，省去了锻造开坯工序，减少了加热次数和中间精整环节，可进一步降低钛合金板材的生产成本。同时，对pam炉而言，其熔炼环境为充氦(或充氩)气氛下的正压状态，可有效抑制各类元素的挥发，能够保证合金铸锭成分的准确性和均匀性；冷床炉熔炼在国际上被公认为优质钛及钛合金的理想冶炼技术，是去除低密度“硬α夹杂”和高密度夹杂最有效的手段。为此可进一步提升了板材的品质。根据ge公司研究确证了在3次真空自耗炉var工艺过程中形成硬α夹杂物的多达28个，自1990年开始采用控制手段后罗罗仍出现了一次硬α夹杂引起的发动机事故，而同期，采用冷床炉技术的geae公司，类似事故的次数是零，geae公司明确钛合金技术标准中航空发动机转动件钛合金材料必须经过一次冷床炉熔炼。本发明生产的薄板产品未见杂质。
32.本发明的有益效果
33.和传统的工业化钛合金薄板制备技术相比，本发明提供的生产含铝锰元素钛合金冷轧单张薄板产品的方法具有以下优点：
34.1、采用等离子冷床炉一次熔炼航空钛合金板材的工业化制备方法在国内属于首次，提供了一种国际先进钛合金熔炼方式下获得航空领域用钛合金薄板的工业化新制备方法。
35.2、本发明将推动等离子冷床炉在国内相关行业中应用进程；可加大高品质、低成本半成品材料工业化应用的力度及材料可应用的时间周期；为相关行业零件用材的选择和设计要求提供了实践依据。
36.3、采用本方法制备的0.5mm～3mm冷轧薄板产品质量良好，可较好地满足技术规范指标要求；工艺流程短，易操作；工业化批量生产稳定性高；可满足用户多规格组距产品的合同定制需求，且材料产品的可追溯形较强。
附图说明
37.图1是本发明的流程图。
38.图2是1.2mm薄板产品组织图。
具体实施方式
39.下面结合实施例对本发明做进一步说明。
40.实施例1：2.5mm*1000mm*2000mm的铝锰钛合金薄板产品
41.第一步：依据铸锭成分设计要求，合理选择铝锰钛合金产品用原料，待准备完毕后使用pam炉单次熔炼法获得330mm*750mm*2000mm的工业化扁锭；铸锭熔炼结束并在炉内冷却到一定温度出炉再冷却后，经六面铣光处理以获得可供后续变形的合格扁锭。
42.第二步：将合格扁锭加热到1050℃进行轧制开坯，再通过下料 表面六面铣光 局部研磨处理后获得95mm的中间轧制板坯；
43.第三步：将板坯加热到950℃，料到温后保温55min出炉第一次换向一火次轧制获得36mm厚的中间轧制板坯，之后切割下料并进行表面研磨处理；
44.第四步：将36mm板坯加热880℃，料到温后保温25min出炉坯料第二次换向一火次轧制获得12mm厚的中间轧制板坯，之后切割下料并进行表面研磨处理；
45.第五步：将12mm板坯加热到880℃，料到温后保温30min出炉第三次换向一火次轧制获得4mm厚的冷轧用板坯。对4mm厚的板坯根据后续加工规格尺寸及变形压下控制要求切割下料进行退火、表面酸洗 研磨处理。退火温度750℃，保温30min；
46.第六步：将4mm厚的冷轧用板坯经过多道次冷轧后获得2.5mm的冷轧薄板，之后薄板在热处理炉中进行700～750℃的退火处理，保温时间不低于20min，以调整板材的组织性能及板形，再通过表面碱洗 局部研磨处理以最终获得金属本色光亮无缺陷的2.5mm*1000mm*2000mm产品，产品综合性能可较好地满足技术指标要求。
47.实施例2：1.2mm*1000mm*2000mm的铝锰钛合金薄板产品
48.第一步：使用上述实施例1中12mm板坯热到880℃，料到温后保温30min出炉第三次换向一火次轧制获得2.5mm厚的冷轧用板坯。对2.5mm厚的板坯根据后续加工规格尺寸及变形压下控制要求切割下料进行退火、表面酸洗 研磨处理。退火温度750℃，保温30min；
49.第二步：将2.5mm厚的冷轧用板坯经过多道次冷轧后获得1.2mm的冷轧薄板，之后薄板在热处理炉中进行700～750℃的退火处理，保温时间不低于20min，以调整板材的组织
性能及板形，再通过表面碱洗 局部研磨处理以最终获得金属本色光亮无缺陷的1.2mm*1000mm*2000mm产品，产品综合性能可较好地满足技术指标要求。
50.实施例3：0.8mm*1000mm*2000mm的铝锰钛合金薄板产品
51.将1.2mm厚的冷轧用板坯经过多道次冷轧后获得1.2mm的冷轧薄板，之后薄板在热处理炉中进行700～750℃的退火处理，保温时间不低于20min，以调整板材的组织性能及板形，再通过表面碱洗 局部研磨处理以最终获得金属本色光亮无缺陷的0.8mm*1000mm*2000mm产品，产品综合性能可较好地满足技术指标要求。
52.表1不同规格薄板产品的理化性能数据
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