钛合金板材及其制备方法与流程

1.本发明涉及钛合金材料技术领域，特别是涉及一种钛合金板材及其制备方法。


背景技术：

2.钛合金被誉为“海洋金属”，在地球上的储存量非常丰富。钛合金有多项优异的性能，如：比强度高、无磁性、质量轻、耐腐蚀、抗冲击、加工性及焊接性优异等。
3.钛合金厚板广泛地运用于核潜艇耐压壳体、压力容器、高强度张力构件、管路系统零部件等。热处理作为钛合金生产过程的重要工序，选择正确、合适的工艺以获得所需组织和性能显得尤为重要。
4.目前，钛合金的热处理方式通常采用统一热处理方式，即获得一种单一的钛合金组织形式，以满足服役性能要求。然而，单一的钛合金组织形式往往难以同时满足材料强度、塑性、韧性和热稳定性等多方面的服役性能要求。因此，有必要开发一种新的钛合金热处理方法，以使钛合金产品能够更好地满足多方面的服役性能要求。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对传统的制备方法难以获得综合性能较好的钛合金板材的技术问题，提供一种钛合金板材及其制备方法，该钛合金板材的强度、塑性、韧性和热稳定性均较好，综合性能优异，能够很好地满足对于钛合金板材的多方面服役性能要求。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案如下：
7.根据本发明的一个方面，提供了一种钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：
8.将钛合金坯料加热至β相变点以下60℃～10℃进行轧制，得到钛合金板坯；
9.将所述钛合金板坯进行退火处理，退火温度为β相变点以下200℃～150℃，退火保温时间为4h～5h，得到等轴组织板坯；
10.将所述等轴组织板坯加热至β相变点以下30℃～10℃，保温30min～60min，然后冷却。
11.在其中一些实施例中，所述将钛合金坯料加热至β相变点以下60℃～10℃进行轧制，包括如下步骤：
12.将钛合金坯料加热至β相变点以下60℃～40℃，进行第一轧制，得到第一板坯。
13.在其中一些实施例中，所述第一轧制是指将所述钛合金坯料进行多道次横轧。
14.在其中一些实施例中，所述将钛合金坯料加热至β相变点以下60℃～10℃进行轧制，还包括如下步骤：
15.将所述第一板坯加热至β相变点以下30℃～10℃，进行第二轧制，得到所述钛合金板坯。
16.在其中一些实施例中，所述第二轧制是指将所述第一板坯进行多道次纵轧。
17.在其中一些实施例中，所述第一轧制的轧制道次为2～4道次；所述第二轧制的轧制道次为3～8道次。
18.在其中一些实施例中，在所述第一轧制之后，对所述第一板坯进行加热之前，所述制备方法还包括对所述第一板坯进行修磨的步骤。
19.在其中一些实施例中，所述冷却，包括如下步骤：
20.将保温后的所述等轴组织板坯，在10min～30min冷却至表面温度为β相变点以下500℃～400℃。
21.根据本发明的另一方面，提供了一种钛合金板材，所述钛合金板材的表面为双态组织，所述钛合金板材的内部为等轴组织。
22.在其中一些实施例中，所述钛合金板材通过本发明上述的制备方法制备得到。
23.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24.本发明通过在特定的温度下对钛合金坯料进行加热轧制，得到钛合金板坯；再在特定的温度和时间条件下对钛合金板坯进行退火处理，使钛合金板坯整体上形成等轴组织，得到等轴组织板坯；然后对等轴组织板坯在特定的温度和保温时间条件下进行短时加热处理和冷却处理，使钛合金板坯的表面形成一层双态组织，得到钛合金板材产品。通过上述制备方法所得到的钛合金板材为表面具有双态组织，内部为等轴组织的钛合金板材。该钛合金板材不仅具有较好的塑性、较高的延伸率、良好的热稳定性，而且具有较高的强度和较好的韧性，该钛合金板材整体上具有非常优异的综合力学性能，能够很好地满足钛合金多方面的服役性能要求。
25.此外，本发明的钛合金板材的制备方法工艺流程简单、生产成本较低，能够控制形成的表面双态组织的厚度，进而可以方便地控制钛合金板材的力学性能。
附图说明
26.图1为本发明实施例1所制备的钛合金板材的表面金相组织图谱。
27.图2为本发明实施例1所制备的钛合金板材的内部金相组织图谱。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
30.本发明的一些实施方式提供了一种钛合金板材的制备方法，该制备方法包括如下步骤s100至步骤s300。
31.步骤s100：将钛合金坯料加热至β相变点(t
β
)以下60℃～10℃进行轧制，得到钛合金板坯。
32.具体地，先将钛合金坯料加热至β相变点以下60℃～40℃，进行第一轧制，得到目标厚度的第一板坯；然后对第一板坯进行修磨处理，以去除第一板坯表面的氧化皮以及裂
纹；再将第一板坯加热至β相变点以下30℃～10℃，进行第二轧制，得到目标厚度的钛合金板坯。
33.可以理解，在对钛合金坯料进行第一轧制时，该钛合金坯料的加热温度可以为β相变点以下60℃、58℃、56℃、55℃、53℃、51℃、50℃、48℃、46℃、45℃、43℃、41℃、和40℃等具体值。在对第一板坯进行第二轧制时，该第一板坯的加热温度可以为β相变点以下30℃、29℃、28℃、27℃、26℃、25℃、24℃、23℃、22℃、21℃、20℃、19℃、18℃、17℃、16℃、15℃、14℃、13℃、12℃、11℃和10℃等具体值。
34.该钛合金坯料可以采用各种类型的钛合金，例如，具体可以是牌号为tc4、tc3、tc2、tc1的钛合金等等。该钛合金坯料的初始形状可以根据实际需要进行选择，例如，可以为钛合金扁坯、钛合金棒坯等。优选采用钛合金扁坯。同样地，该钛合金坯料的厚度也可以根据实际需要进行选择，优选钛合金坯料的为20mm～40mm。
35.进一步地，对钛合金坯料进行第一轧制为多道次横轧；对第一板坯进行第二轧制为将第一板坯进行多道次纵轧。如此，通过将钛合金坯料先进行多道次横轧，再进行多道次纵轧相结合的方式，可以更好地减小钛合金板坯的各项异性，使钛合金板坯各个部位的性能趋于一致。
36.具体来说，上述的对钛合金坯料进行第一轧制的轧制道次为2～4道次，具体可以为两道次、三道次或四道次；而对第一板坯进行第二轧制的轧制道次为3～8道次，具体可以为三道次、四道次、五道次、六道次、七道次或八道次。
37.步骤s200：将所得到的钛合金板坯进行退火处理，退火温度为β相变点以下200℃～150℃，退火保温时间为4h～5h，得到等轴组织板坯。
38.将钛合金坯料进行加热轧制得到钛合金板坯之后，本发明继续对所得钛合金板坯在200℃～150℃退火温度下和4h～5h退火保温时间条件下进行退火处理，从而使得钛合金板坯整体上获得等轴组织。使得钛合金板坯具有较好的塑性、较高的延伸率和良好的热稳定性。
39.可以理解，上述的对钛合金板坯进行退火处理的步骤中，退火温度可以为钛合金板坯β相变点以下200℃、195℃、190℃、185℃、180℃、175℃、170℃、165℃、160℃、155℃和150℃等具体值；退火保温时间可以为4h、4.1h、4.2h、4.3h、4.4h、4.5h、4.6h、4.7h、4.8h、4.9h和5h等具体值。
40.步骤s300：将等轴组织板坯加热至β相变点以下30℃～10℃，保温30min～60min，然后冷却。
41.在对钛合金板坯进行退火处理得到等轴组织板坯之后，本发明继续对该等轴组织板坯进行短时加热处理和冷却处理。经过在特定条件下对该等轴组织板坯进行短时加热处理和冷却处理之后，等轴组织板坯的表面可以获得具有一定表面厚度的双态组织；从而可以使得钛合金板材的表面具有较高的强度和较好的韧性，进而使钛合金板材不仅具有较好的塑性、较高的延伸率、良好的热稳定性，而且具有较高的强度和较好的韧性，使该钛合金板材整体上具有非常优异的综合力学性能。
42.在本发明的制备方法中，通过对等轴组织板坯进行加热保温和快速冷却后，钛合金板材表面的双态组织的具体厚度，可以根据产品性能需要通过对等轴组织板坯进行加热、保温和冷却的具体工艺条件的调整进行控制。
43.可以理解，等轴组织板坯的加热温度可以为其β相变点以下30℃、29℃、28℃、27℃、26℃、25℃、24℃、23℃、22℃、21℃、20℃、19℃、18℃、17℃、16℃、15℃、14℃、13℃、12℃、11℃和10℃等具体值；保温时间可以为30min、31min、32min、33min、34min、35min、36min、37min、38min、39min、40min、41min、42min、43min、44min、45min、46min、47min、48min、49min、50min、51min、52min、53min、54min、55min、56min、57min、58min、59min和60min等具体值。
44.在其中一些实施方式中，将等轴组织板坯加热保温后进行冷却具体是指：将经过加热处理和保温处理之后的等轴组织板坯，在10min～30min之内冷却至表面温度为β相变点以下500℃～400℃，然后空冷至室温。
45.等轴组织板坯加热保温后的冷却速度，对于等轴组织板坯表面的晶体组织的形成及组织类型至关重要。通过发明人研究发现，将等轴组织板坯进行加热保温之后，采用上述的快速冷却方法，能够使等轴组织钛合金板材的表面获得合适厚度的双态组织，使钛合金板材的综合性能更好。
46.具体来说，可以采用高压水枪对等轴组织板坯的表面进行喷水的方式，对加热保温处理之后的等轴组织板坯进行快速冷却处理，从而在10min～30min之内将等轴组织板坯的表面温度快速地冷却至β相变点以下500℃～400℃。
47.可以理解的是，上述步骤中，对加热保温处理之后的等轴组织板坯进行快速冷却处理的时间可以为10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min和30min等具体值。冷却的温度可以为钛合金板材表面温度为β相变点以下500℃、490℃、480℃、470℃、460℃、450℃、440℃、430℃、420℃、410℃和400℃等具体值。
48.本发明的一些实施方式还提供了一种钛合金板材，该钛合金板材的表面为双态组织，钛合金板材的内部为等轴组织。
49.该钛合金板材的内部为等轴组织，具有较好的塑性、较高的延伸率和较好的热稳定性；钛合金板材的表面为双态组织，具有较高的强度和较好的韧性。通过将该钛合金板材的表面设置为双态组织，将钛合金板材的内部设置为等轴组织，使得该钛合金板材不仅具有较好的塑性、较高的延伸率、良好的热稳定性，而且具有较高的强度和较好的韧性，该钛合金板材的整体上具有非常优异的综合力学性能，能够很好地满足钛合金多方面的服役性能要求。
50.在其中一些实施例中，该钛合金板材通过本发明上述的钛合金板材的制备方法制备得到。该钛合金板材的具体制备方法如上所述，在此不再赘述。该钛合金板材中，表面的双态组织的具体厚度，可以根据将等轴组织板坯进行加热、保温和冷却的具体工艺条件的调整进行控制。
51.总体而言，通过本技术的发明人研究发现，在钛合金板材的制备过程中，每一次轧制工艺、退火工艺的温度、时间等工艺参数的改变，均有可能会改变钛合金板材的组织类型，而钛合金板材组织的改变则会对钛合金板材的最终性能产生非常大的影响。
52.本发明通过在特定的工艺条件下对钛合金坯料进行加热轧制，得到钛合金板坯；再将该钛合金板坯在特定的工艺条件下进行退火处理，使得钛合金板坯整体上形成等轴组织，得到等轴组织板坯；然后对该等轴组织板坯在特定的工艺条件下进行短时加热处理和
冷却处理，从而在等轴组织板坯的表面形成具有一定厚度的双态组织。最终所得到的钛合金板材为表面具有一定厚度双态组织，内部为等轴组织的钛合金板材。该钛合金板材不仅具有较好的塑性、较高的延伸率、良好的热稳定性，而且还具有较高的强度和较好的韧性，其整体上具有非常优异的综合力学性能，能够很好地满足钛合金多方面的服役性能要求。
53.下面将结合具体实施例和对比例对本发明作进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。
54.实施例1：
55.一种本发明实施例的钛合金板材的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
56.步骤一：将厚度为40mm的tc4钛合金扁坯(其β相变点t
β
约为980℃)进行加热，将钛合金扁坯的出炉温度控制在tc4钛合金β相变点以下60℃～20℃(即920℃～960℃之间)；然后对上述加热后的tc4钛合金扁坯进行三道次横轧，得到目标厚度的钛合金中间坯；
57.步骤二：对步骤一所制得的钛合金中间坯进行修磨，从而去除掉该中间坯表面的氧化皮以及裂纹；
58.步骤三：将经过步骤二修磨后的钛合金中间坯进一步进行加热处理，将出炉温度控制在970℃；然后对钛合金中间坯先进行三道次横轧，再进行五道次纵轧；通过上述的先横轧再纵轧相结合的轧制方式，得到目标厚度的钛合金中厚板；
59.步骤四：将经过步骤三所得到的钛合金中厚板进行退火处理，退火温度控制在820℃，退火保温时间为4h，得到均匀的等轴组织板坯；
60.步骤五：将步骤四退火处理后得到的等轴组织板坯加热到960℃，保温40min；然后进行超快冷，采用高压水在25min以内快速地将等轴组织板坯表面的温度控制在tc4钛合金β相变点以下450℃，然后空冷到室温，得到表面具有双态组织，内部为等轴组织的钛合金板材。
61.所制备的钛合金板材的表面金相组织如图1所示，钛合金板材的内部金相组织如图2所示。本实施例所制备的钛合金板材的表面具有双态组织，内部为等轴组织，其不仅具有较高的强度，较高的延伸率，还具有较好的塑性、韧性和热稳性，具有良好的综合性能。
62.实施例2：
63.一种本发明实施例的钛合金板材的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
64.步骤一：将厚度为20mm的tc4钛合金扁坯进行加热，将钛合金扁坯的出炉温度控制在tc4钛合金β相变点以下40℃；然后对上述加热后的tc4钛合金扁坯进行三道次横轧，得到目标厚度的钛合金中间坯；
65.步骤二：对步骤一所制得的钛合金中间坯进行修磨，以去除中间坯表面的氧化皮以及裂纹；
66.步骤三：将修磨后的中间坯进一步加热，出炉温度控制在960℃；然后对中间坯先进行三道次横轧，再进行五道次纵轧的结合轧制，得到目标厚度的钛合金中厚板；
67.步骤四：将所得到的钛合金中厚板进行退火处理，退火温度控制在800℃，退火保温时间为4h，得到均匀的等轴组织板坯；
68.步骤五：将退火处理后得到的等轴组织板坯加热到950℃，保温3h；然后进行超快冷，采用高压水在20min以内板坯表面的温度控制在β相变点以下500℃，然后空冷到室温，得到表面具有双态组织，内部为等轴组织的钛合金板材。
69.本实施例所制备的钛合金板材的表面具有双态组织，内部为等轴组织，其不仅具有较高的强度，较高的延伸率，还具有较好的塑性、韧性和热稳性，具有良好的综合性能。
70.对比例1：
71.一种钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：
72.步骤一：将厚度为40mm的tc4钛合金扁坯(其β相变点t
β
约为980℃)进行加热，出炉温度控制在tc4钛合金β相变点以下60℃～20℃(即920℃～960℃之间)；然后对tc4钛合金扁坯进行三道次横轧，得到目标厚度的中间坯；
73.步骤二：对所制得的中间坯进行修磨，以去除中间坯表面的氧化皮以及裂纹；
74.步骤三：将修磨后的中间坯进一步加热，出炉温度控制在980℃；然后对中间坯先进行三道次横轧，再进行五道次纵轧的结合轧制，得到目标厚度的钛合金中厚板；
75.步骤四：将所得到的钛合金中厚板进行退火处理，退火温度控制在820℃，退火保温时间为4h，得到等轴组织的钛合金板材。
76.该钛合金板材的表面和内部均为等轴组织，虽然具有较好的塑性，较高的延伸率，热稳定性好，但抗冲击性和高温持久性较差，其综合性能较差。
77.对比例2：
78.一种钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：
79.步骤一：将厚度为40mm的tc4钛合金扁坯(其β相变点t
β
约为980℃)进行加热，出炉温度控制在tc4钛合金β相变点以下60℃～20℃(即920℃～960℃之间)；然后对tc4钛合金扁坯进行三道次横轧，得到目标厚度的中间坯；
80.步骤二：对所制得的中间坯进行修磨，以去除中间坯表面的氧化皮以及裂纹；
81.步骤三：将修磨后的中间坯进一步加热，出炉温度控制在980℃；然后对中间坯先进行三道次横轧，再进行五道次纵轧的结合轧制，得到目标厚度的钛合金中厚板；
82.步骤四：将所得到的钛合金中厚板进行退火处理，退火温度控制在820℃，退火保温时间为4h，得到均匀的等轴组织板坯；
83.步骤五：将退火处理后得到的等轴组织板坯加热到960℃，保温40min；然后空冷到室温，得到比较均匀的等轴组织的钛合金板材。
84.该钛合金板材的表面和内部均为等轴组织，虽然具有较好的塑性，较高的延伸率，热稳定性好，但抗冲击性和高温持久性较差，其综合性能较差。
85.对比例3：
86.一种钛合金板材的制备方法，包括如下步骤：
87.步骤一：将厚度为40mm的tc4钛合金扁坯(其β相变点t
β
约为980℃)进行加热，出炉温度控制在tc4钛合金β相变点以下60℃～20℃(即920℃～960℃之间)；然后对tc4钛合金扁坯进行三道次横轧，得到目标厚度的中间坯；
88.步骤二：对所制得的中间坯进行修磨，以去除中间坯表面的氧化皮以及裂纹；
89.步骤三：将修磨后的中间坯进一步加热，出炉温度控制在980℃；然后对中间坯先进行三道次横轧，再进行五道次纵轧的结合轧制，得到目标厚度的钛合金中厚板；
90.步骤四：将所得到的钛合金中厚板进行退火处理，退火温度控制在960℃，退火保温时间为4h，得到魏氏组织的钛合金板坯；
91.步骤五：将退火处理后得到的等轴组织板坯加热到960℃，保温40min；然后进行超
快冷，采用高压水在15min以内快速地将板坯表面的温度控制在β相变点以下450℃，然后空冷到室温，得到表面为等轴组织，内部为魏氏组织的钛合金板材。所制备的钛合金板材的强度较差，尤其是抗冲击性能差，综合性能无法满足服役性能要求。
92.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
93.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。