一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法

摘要

一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法，采用全流程工艺设计理念，从板坯选用、展宽换向轧制、热处理工艺设计等方面，综合控制TA5中厚板材的边部裂纹、板形、组织和性能，该方法生产中厚板使用的板坯较小，生产方便灵活，对设备能力要求较低。

权利要求

1.一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、板坯选用：取TA5钛合金板坯，定义TA5钛合金板坯的长度为 ，TA5钛合金板坯的宽度为 ，TA5钛合金板坯的厚度为 ，TA5钛合金板坯的尺寸符合如下标准：                                （1）                                  （2）其中公式（2）中 为成品TA5钛合金板材的厚度；

步骤二、检验板坯：将步骤一中获得TA5钛合金板坯进行检验：定义成品TA5钛合金板材的板形不良余量为 ；

                          （3）

公式（3）中   分别为步骤一中确定的TA5钛合金板坯的厚度、宽度和长度尺寸，   分别为成品TA5钛合金板材的厚度、宽度和长度尺寸， 为成品TA5钛合金板材的切边预留量，为有效长度系数，有效长度系数 有效长度/轧制总长度，有效长度=轧制总长度-轧制板材头尾圆头部分不可用的褶皱区域长度，取值为0.88～0.95；

取轧机最小可轧板坯长度并定义为 ，将 与 对比，如果 ，则重复步骤一重新确定TA5钛合金板坯尺寸，直至 ，则确定TA5钛合金板坯待用；

步骤三、确定板坯展宽方向和轧机下压程度：定义TA5钛合金板材的展宽变形量为 ，且 ，取一 值，并确定一个与 对应的标准TA5钛合金板坯的宽度 和一个与 对应的展宽后的TA5钛合金板材的厚度 ，并根据展宽后的TA5钛合金板材的厚度 确定轧机在展宽过程中的下压程度；

                                  （4）                          （5）

公式（4）中 为成品TA5钛合金板材的宽度、 为成品TA5钛合金板材的切边预留量；

取步骤二中确定的TA5钛合金板坯的长度 和TA5钛合金板坯的宽度 ，分别与标准TA5钛合金板坯的宽度 进行对比，如果TA5钛合金板坯的长度 满足 ，则对TA5钛合金板坯的长度进行展宽，如果TA5钛合金板坯的宽度 满足 ，则对TA5钛合金板坯的宽度进行展宽；

步骤四：展宽与轧制成型：

步骤a、定义TA5钛合金板实测β转变温度为 ，TA5钛合金板坯展宽温度为 ；

，取步骤二中确定的TA5钛合金板坯加热至 ，持续加热时间 ，

，公式中 为保温时间系数，单位为：min/mm； 为TA5钛合金板坯的厚度，单位为mm； 取值为0.6-1.5 min/mm，加热完成后按照步骤三中确定的轧机下压程度以及展宽方向进行展宽，控制展宽轧制的道次数不大于3次，展宽完成；

步骤b、接步骤a将展宽后的TA5钛合金板坯转动90°角进行轧制，持续轧制直至板坯厚度等于成品厚度；轧制过程中控制轧制温度≥750℃，轧制过程中控制轧制道次变形率≤

30%，最末两个道次轧制变形率≤25%,定义轧制总变形量为 ， ；

步骤五、定尺分切：将步骤四中得到板材中的板形不良预留量切除，选取板形和表面质量良好的部位对成品板材进行定尺分割；

步骤六、热处理：取步骤五中处理后的板材进行单张退火，先将板材加热至600～800℃，然后持续加热时间为  ， ，其中 为保温时间系数，单位为：min/mm；为成品TA5钛合金板材的厚度，单位为mm，其中 取值为2.0-5.0 min/mm；加热完成后进行空冷；

步骤七、表面处理：取步骤六处理过的TA5钛合金板材采用扒皮、抛光进行表面处理，去除表面氧化层及缺陷，加工完成。

2.根据权利要求1所述的一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法，其特征在于：所述的步骤四中步骤b内检测到轧制温度<750℃时，将板材进行回炉加热至温度≥750℃，并持续加热时间  ； ；其中 为保温时间系数，单位为：min/mm； 为TA5钛合金板材的实时厚度，单位为mm，其中 取值为0.4-1.0 min/mm。

说明书

一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种板材制备方法，尤其是涉及一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法。

背景技术

[0002] 钛及钛合金具有强度高、耐热、耐腐蚀等优良特性，因此在航空、化工、海洋工程中得到广泛应用。TA5 钛合金名义成分为Ti-4Al-0.005B，是一种全α型钛合金。TA5 钛合金具有良好的焊接及耐蚀性能，可用做海水腐蚀环境下的结构材料，目前已成功的用于造船业。

[0003] TA5的铝当量5.0，是单相密排六方结构（HCP），与面心立方（FCC）和体心立方（BCC）结构相比，其滑移系少，塑性较差，轧制过程中极易产生裂纹。尤其是板材边部降温快裂纹较深，容易导致成板材修磨薄尺。

[0004] 目前钛合金轧制减少裂纹的途径有三个：一、增加火次、减少火次变形率；二、板坯涂覆防氧化涂层；三、板坯包覆塑性较好的纯钛层。而现有的方法，不是流程长，生产效率低下，就是使用效果欠佳，难以实现大规模生产。

[0005] 此外，TA5中厚板材轧制板形控制困难，尤其是板材长度较短的时候很容易出现轧制板形不良，而一旦板形不良，需要使用高耗能的、周期长的压矫形处理板形，对生产效率和交期造成不利影响。

发明内容

[0006] 本发明的目的是为解决TA5中厚板材轧制板形控制困难，尤其是板材长度较短的时候很容易出现轧制板形不良，而一旦板形不良，需要使用高耗能的、周期长的压矫形处理板形，对生产效率和交期造成不利影响的问题，提供一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法。

[0007] 本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：

[0008] 一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法，包括如下步骤：

[0009] 步骤一、板坯选用：取TA5钛合金板坯，定义TA5钛合金板坯的长度为 ，TA5钛合金板坯的宽度为 ，TA5钛合金板坯的厚度为 ，TA5钛合金板坯的尺寸符合如下标准：

[0010]                                （1）

[0011]                                   （2）

[0012] 其中公式（1）中mm为长度单位毫米，公式（2）中 为成品TA5钛合金板材的厚度；

[0013] 步骤二、检验板坯：将步骤一中获得TA5钛合金板坯进行检验：定义成品TA5钛合金板材的板形不良余量为 ；

[0014]                           （3）

[0015] 公式（3）中 分别为步骤一中确定的TA5钛合金板坯的厚度、宽度和长度尺寸， 分别为成品TA5钛合金板材的厚度、宽度和长度尺寸， 为成品TA5钛合金板材的切边预留量，为有效长度系数；

[0016] 取轧机最小可轧板坯长度并定义为 ，将 与 对比，如果 ，则重复步骤一重新确定TA5钛合金板坯尺寸，直至 ，则确定TA5钛合金板坯待用；

[0017] 步骤三、确定板坯展宽方向和轧机下压程度：定义TA5钛合金板材的展宽变形量为，且 ，取一 值，并确定一个与 对应的标准TA5钛合金板坯的宽度 和一个与 对应的展宽后的TA5钛合金板材的厚度 ，并根据展宽后的TA5钛合金板材的厚度确定轧机在展宽过程中的下压程度；

[0018]                                   （4）

[0019]                           （5）

[0020] 公式（4）中 为成品TA5钛合金板材的宽度、 为成品TA5钛合金板材的切边预留量；

[0021] 取步骤二中确定的TA5钛合金板坯的长度 和TA5钛合金板坯的宽度 ，分别与标准TA5钛合金板坯的宽度 进行对比，如果TA5钛合金板坯的长度 满足 ，则对TA5钛合金板坯的长度进行展宽，如果TA5钛合金板坯的宽度 满足 ，
则对TA5钛合金板坯的宽度进行展宽；

[0022] 步骤四：展宽与轧制成型：

[0023] 步骤a、定义TA5钛合金板实测β转变温度为 ，TA5钛合金板坯展宽温度为 ；，取步骤二中确定的TA5钛合金板坯加热至 ，持续加热时间 ，
，公式中 为保温时间系数，单位为：min/mm； 为TA5钛合金板坯的厚度，单位为mm； 取值为0.6-1.5min/mm，加热完成后按照步骤三中确定的轧机下压程度以及展宽方向进行展宽，控制展宽轧制的道次数不大于3次，展宽完成；

[0024] 步骤b、接步骤a将展宽后的TA5钛合金板坯转动90°角进行轧制，持续轧制直至板坯厚度等于成品厚度；轧制过程中控制轧制温度≥750℃，轧制过程中控制轧制道次变形率≤30%，最末两个道次轧制变形率≤25%,定义轧制总变形量为 ， ；

[0025] 步骤五、定尺分切：将步骤四中得到板材中的板形不良预留量切除，选取板形和表面质量良好的部位对成品板材进行定尺分割；

[0026] 步骤六、热处理：取步骤六中处理后的板材进行单张退火，先将板材加热至600～800℃，然后持续加热时间为  ， ，其中 为保温时间系数，单位为：min/mm；为成品TA5钛合金板材的厚度，单位为mm，其中 取值为2.0-5.0 min/mm；加热完成后进行空冷；

[0027] 步骤七、表面处理：取步骤六处理过的TA5钛合金板材采用扒皮、抛光进行表面处理，去除表面氧化层及缺陷，加工完成。

[0028] 所述的步骤二中有效长度系数 有效长度/轧制总长度，有效长度=轧制总长度-轧制板材头尾圆头部分不可用的褶皱区域长度，取值为0.88～0.95。

[0029] 所述的步骤四中步骤b内检测到轧制温度<750℃时，将板材进行回炉加热至温度≥750℃，并持续加热时间  ； ；其中 为保温时间系数，单位为：min/mm； 为TA5钛合金板材的实时厚度，单位为mm，其中 取值为0.4-1.0 min/mm。

[0030] ①为便于轧制过程中长宽尺寸辨识和提供足够的工艺设计灵活性，板坯长宽尺寸差距须满足

[0031]

[0032] ②为保证成品性能和控制轧制板材裂纹，成品变形率（ ）在50 90%之间，~板坯厚度须满足

[0033]

[0034]

[0035] ③板坯的长度或者板坯的宽度须与设计的展宽变形量（ ） 相匹配

[0036]

[0037] 当满足 时，对板坯的长度进行展宽

[0038] 当满足 时，对板坯的宽度进行展宽

[0039] ④中厚板材轧制过程中容易出现翘头、扣头等板形不良，须预留足够的板材板形不良余量（ ），板材板形不良余量须满足  ， 为轧机最小可轧板坯长度。可以在板材的一侧留足板形不良余量，也可以在两侧均留下一定的板形不良余量。此外，通过增设板形不良余量，增加了轧制板材的总长度，一定程度上也改善了TA5合金中厚板的轧制板形。

[0040] 根据 ，确定所选板坯是否符合要求，

[0041] 控制展宽变形量 ，过小的展宽变形量则对边部裂纹和板材组织改善有限，过大的展宽变形量则容易形成较大的圆头（舌头），展宽后换向轧制对中困难，容易轧斜。③展宽轧制的道次数应不大于3个，道次数过多则板形和轧制圆头难以控制。④轧制道次变形率≤30%，最末两个道次轧制变形率≤25%，过大的道次变形率则容易导致较深裂纹生成，造成板材报废。⑤轧制总变形量 。

[0042] ⑦控制轧制采用快节奏轧制，可以在板材温度满足要求下完成轧制避免回炉，控制终轧温度≥750℃。

[0043] 接上一步骤，将板形不良预留量分切，选取板形和表面质量良好的部位对成品板材进行定尺。

[0044] 本发明的有益效果是：本发明采用全流程工艺设计理念，通过合理的板坯选用、展宽换向轧制设计以及随后的热处理工艺设计等，生产的TA5中厚板材，热轧退火后板材的表面裂纹较少较浅，修磨深度≤1.0mm。室温力学性能方面，抗拉强度700～850MPa，屈服强度600～820MPa，伸长率12～24%，不平度≤7mm/m，满足GB/T 3621-2007标准和客户的要求。其综合力学性能优异，各方面性能指标均衡，富裕量较大。本发明解决TA5中厚板短流程生产的技术难题，并可实现大批量稳定生产，满足了舰船用板的使用需求。

[0045] 本发明具有以下创新点及优点：①工艺路线新颖，首次采用全流程工艺设计理念，从板坯选用（设计）、展宽换向轧制设计、热处理工艺设计等方面，综合控制TA5中厚板材的边部裂纹、板形、组织和性能；②板坯选用（设计）使得展宽换向具有较大的工艺灵活性，板坯尺寸方面一方面能满足展宽换向的生产实际需求，另一方面也满足成品性能和组织的变形量要求，同时预留了一定的板形不良长度余量，使得成品板形的保险系数增强，便于使用快捷便利的单张退火生产方式进行热处理，避免了能耗高、周期长的压矫形处理板形的工序；③展宽换向轧制设计，既能避免板材边部裂纹过深，也能改善组织和性能，此外还能满足现场生产的实际能力，不会因展宽圆头过大造成生产异常；④热处理工艺设计，采用单张退火方式，避免了高耗能、周期长的压矫形处理板形工序，效率高、能耗低，交期短；⑤生产流程短，设备及工艺简单，可实现大批量稳定生产；⑥该方法生产中厚板使用的板坯较小，生产方便灵活，对设备能力要求较低。

附图说明

[0046] 图1为本发明加工方案中对W方向展宽的流程示意图。

[0047] 图2为本发明加工方案中对L方向展宽的流程示意图。

具体实施方式

[0048] 图中所示，具体实施方式如下：

[0049] 一种舰船用TA5钛合金中厚板材的短流程制备方法，包括如下步骤：

[0050] 步骤一、板坯选用：取TA5钛合金板坯，定义TA5钛合金板坯的长度为 ，TA5钛合金板坯的宽度为 ，TA5钛合金板坯的厚度为 ，TA5钛合金板坯的尺寸符合如下标准：

[0051]                                （1）

[0052]                                   （2）

[0053] 其中公式（1）中mm为长度单位毫米，公式（2）中 为成品TA5钛合金板材的厚度；

[0054] 步骤二、检验板坯：将步骤一中获得TA5钛合金板坯进行检验：定义成品TA5钛合金板材的板形不良余量为 ；

[0055]                           （3）

[0056] 公式（3）中 分别为步骤一中确定的TA5钛合金板坯的厚度、宽度和长度尺寸， 分别为成品TA5钛合金板材的厚度、宽度和长度尺寸， 为成品TA5钛合金板材的切边预留量，为有效长度系数；

[0057] 取轧机最小可轧板坯长度并定义为 ，将 与 对比，如果 ，则重复步骤一重新确定TA5钛合金板坯尺寸，直至 ，则确定TA5钛合金板坯待用；

[0058] 步骤三、确定板坯展宽方向和轧机下压程度：定义TA5钛合金板材的展宽变形量为，且 ，取一 值，并确定一个与 对应的标准TA5钛合金板坯的宽度 和一个与 对应的展宽后的TA5钛合金板材的厚度 ，并根据展宽后的TA5钛合金板材的厚度确定轧机在展宽过程中的下压程度；

[0059]                                   （4）

[0060]                           （5）

[0061] 公式（4）中 为成品TA5钛合金板材的宽度、 为成品TA5钛合金板材的切边预留量；

[0062] 取步骤二中确定的TA5钛合金板坯的长度 和TA5钛合金板坯的宽度 ，分别与标准TA5钛合金板坯的宽度 进行对比，如果TA5钛合金板坯的长度 满足 ，则对TA5钛合金板坯的长度进行展宽，如果TA5钛合金板坯的宽度 满足 ，
则对TA5钛合金板坯的宽度进行展宽；

[0063] 步骤四：展宽与轧制成型：

[0064] 步骤a、定义TA5钛合金板实测β转变温度为 ，TA5钛合金板坯展宽温度为 ；，取步骤二中确定的TA5钛合金板坯加热至 ，持续加热时间 ，
，公式中 为保温时间系数，单位为：min/mm； 为TA5钛合金板坯的厚度，单位为mm； 取值为0.6-1.5 min/mm，加热完成后按照步骤三中确定的轧机下压程度以及展宽方向进行展宽，控制展宽轧制的道次数不大于3次，展宽完成；

[0065] 步骤b、接步骤a将展宽后的TA5钛合金板坯转动90°角进行轧制，持续轧制直至板坯厚度等于成品厚度；轧制过程中控制轧制温度≥750℃，轧制过程中控制轧制道次变形率≤30%，最末两个道次轧制变形率≤25%,定义轧制总变形量为 ， ；

[0066] 步骤五、定尺分切：将步骤四中得到板材中的板形不良预留量切除，选取板形和表面质量良好的部位对成品板材进行定尺分割；

[0067] 步骤六、热处理：取步骤六中处理后的板材进行单张退火，先将板材加热至600～800℃，然后持续加热时间为  ， ，其中 为保温时间系数，单位为：min/mm；为成品TA5钛合金板材的厚度，单位为mm，其中 取值为2.0-5.0 min/mm；加热完成后进行空冷；

[0068] 步骤七、表面处理：取步骤六处理过的TA5钛合金板材采用扒皮、抛光进行表面处理，去除表面氧化层及缺陷，加工完成。

[0069] 所述的步骤二中有效长度系数 有效长度/轧制总长度，有效长度=轧制总长度-轧制板材头尾圆头部分不可用的褶皱区域长度，取值为0.88～0.95。

[0070] 所述的步骤四中步骤b内检测到轧制温度<750℃时，将板材进行回炉加热至温度≥750℃，并持续加热时间  ； ；其中 为保温时间系数，单位为：min/mm； 为TA5钛合金板材的实时厚度，单位为mm，其中 取值为0.4-1.0 min/mm。

[0071] ①为便于轧制过程中长宽尺寸辨识和提供足够的工艺设计灵活性，板坯长宽尺寸差距须满足

[0072]

[0073] ②为保证成品性能和控制轧制板材裂纹，成品变形率（ ）在50 90%之间，~板坯厚度须满足

[0074]

[0075]

[0076] ③板坯的长度或者板坯的宽度须与设计的展宽变形量（ ） 相匹配

[0077]

[0078] 当满足 时，对板坯的长度进行展宽

[0079] 当满足 时，对板坯的宽度进行展宽

[0080] ④中厚板材轧制过程中容易出现翘头、扣头等板形不良，须预留足够的板材板形不良余量（ ），板材板形不良余量须满足  ， 为轧机最小可轧板坯长度。可以在板材的一侧留足板形不良余量，也可以在两侧均留下一定的板形不良余量。此外，通过增设板形不良余量，增加了轧制板材的总长度，一定程度上也改善了TA5合金中厚板的轧制板形。

[0081] 根据 ，确定所选板坯是否符合要求，

[0082] 控制展宽变形量 ，过小的展宽变形量则对边部裂纹和板材组织改善有限，过大的展宽变形量则容易形成较大的圆头（舌头），展宽后换向轧制对中困难，容易轧斜。③展宽轧制的道次数应不大于3个，道次数过多则板形和轧制圆头难以控制。④轧制道次变形率≤30%，最末两个道次轧制变形率≤25%，过大的道次变形率则容易导致裂纹生成，造成板材报废。⑤轧制总变形量 。

[0083] ⑦控制轧制采用快节奏轧制，可以在板材温度满足要求下完成轧制避免回炉，控制终轧温度≥750℃。

[0084] 接上一步骤，将板形不良预留量分切，选取板形和表面质量良好的部位对成品板材进行定尺。

[0085] 本发明的有益效果是：本发明采用全流程工艺设计理念，通过合理的板坯选用、展宽换向轧制设计以及随后的热处理工艺设计等，生产的TA5中厚板材，热轧退火后板材的表面裂纹较少较浅，修磨深度≤1.0mm。室温力学性能方面，抗拉强度700～850MPa，屈服强度600～820MPa，伸长率12～24%，不平度≤7mm/m，满足GB/T 3621-2007标准和客户的要求。其综合力学性能优异，各方面性能指标均衡，富裕量较大。本发明解决TA5中厚板短流程生产的技术难题，并可实现大批量稳定生产，满足了舰船用板的使用需求。

[0086] 实例1：

[0087] 首先、校验并选用板坯：根据成品规格（20*1000*3000/1）和展宽变形量要求，选定展宽变形量为15%，根据板坯选用要求的公式，选用板坯130*900*1030规格板坯，并对板坯的宽度（900）进行展宽。

[0088] 接上一步、展宽换向轧制： ℃，轧制温度 设定为1020℃。所述展宽道次分2个完成，道次变形率分别为7.0%、8.0%。然后转坯90°进行换向轧制，所述换向后轧制分8个道次，道次变形率分别为17.1%、18.4% 、17.3%、 19.3%、 20.0%、 20.0%、20.3%、 19.6%。展宽换向轧制的总变形率为85%，终轧温度910℃。

[0089] 接上一步、定尺分切：对设计板形不良预留量(2000mm)进行分切，选取板形和表面质量良好的部位进行成品定尺。

[0090] 接上一步、热处理：定尺后的板材置于辊底式加热炉中，在温度为650℃的条件下保温65min后，出炉空冷。

[0091] 接上一步、表面处理：采用扒皮、抛光进行表面处理，去除表面氧化层及缺陷。得到厚度为20mm，宽度为1000mm，长度为3000mm的TA5钛合金板材。力学性能、表面裂纹深度和板形情况如表1所示。

[0092] 实例2：

[0093] 首先、校验并选用板坯：根据成品规格（22*1000*3000/1）和展宽变形量要求，选定展宽变形量为10%，根据板坯选用要求的公式，选用板坯130*800*960规格板坯，并对板坯的长度（960）进行展宽。

[0094] 接上一步、展宽换向轧制： ℃，轧制温度 设定为980℃。所述展宽道次分2个完成，道次变形率分别为4.0%、6.0%。然后转坯90°进行换向轧制，所述换向后轧制分8个道次，道次变形率分别为17.1% 、20.4% 、20.3% 、20.3% 、19.0% 、19.0% 、18.3%、 17.6%。
展宽换向轧制的总变形率为83%，终轧温度780℃。

[0095] 接上一步、定尺分切：对设计板形不良预留量(750mm)进行分切，选取板形和表面质量良好的部位进行成品定尺。

[0096] 接上一步、热处理：定尺后的板材置于辊底式加热炉中，在温度为680℃的条件下保温75min后，出炉空冷。

[0097] 接上一步、表面处理：采用扒皮、抛光进行表面处理，去除表面氧化层及缺陷。得到厚度为22mm，宽度为1000mm，长度为3000mm的TA5钛合金板材。轧制板形如图2所示，力学性能、表面裂纹深度和板形情况如表1所示。

[0098] 表1 采用本发明加工的产品情况

[0099]

[0100] 由表1可见，本发明实施例1、2加工制备的舰船用TA5钛合金板力学性能指标均衡、富裕量大，板形良好，表面质量良好，满足GB/T 3621-2007和客户的要求。而且该方法工艺简单、生产流程短，效率高。