一种Ti-Al-V-Fe合金热轧板材的短流程制备方法

摘要

本发明涉及一种Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法，其特征在于包括下列各步骤：1）备料，2）混料、压块，3）装料至电子束枪EB炉中，4）真空熔炼得Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭，5）加热至950～1000℃，保温6～7h，送入轧机上进行一火8道次轧制，6）加热至930～960℃，保温2～3h，送入轧机上进行二火7道次轧制，7）加热至920～935℃，保温1～2h，送入轧机上进行三火6道次轧制，8）在860～910℃下保温1～3h进行退火，冷却至室温后进行修磨、酸洗、矫直、剪切处理，得Ti‑Al‑V‑Fe合金板材。通过缩短制造工艺流程，热轧板材综合成材率提高到80%左右，加工成本降低20～30%。

权利要求

1.一种Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法，其特征在于包括下列各步骤：（1）按下列质量比配料：

铝钒中间合金       4.5～5.0 wt.%

铝豆               3.5～3.98 wt.%

高纯铁             1.2～1.8 wt.%

钛白粉             0.1～0.15 wt.%

海绵钛             余量，

上述各组分之和为100 wt.%；

（2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100～120℃烘干5～6h，随炉冷却，得压块料；

（3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区；

‑3 ‑3

（4）在真空度为1.8×10 ～3.5×10 torr时，开启1～5号电子枪对冷床内的散装混合料进行熔炼，控制1～5号电子枪的电压均为29.5～30.5KV，电流均为3.3～4.3A，熔炼100～

120min后，关闭电子枪，冷却20～40min后，推入压块料至熔炼区，同时开启1～7号电子枪继续熔炼，控制1～7号电子枪的电压均为29.5～30.5KV，1～2号电子枪电流为2.3～3.0A，3～

4号电子枪电流为5.3～6.0A，5号电子枪电流为3.6～4.6A，6～7号电子枪电流为1.6～

2.6A，同时保持8～12mm/min的拉锭速度，如此持续推料、熔化和拉锭，直至熔炼完成，之后冷却至80～100℃，将铸锭从结晶器中取出，冷却至室温，经表面扒皮打磨处理后，得Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭；

（5）在步骤（4）的合金扁锭表面喷涂适量防氧化液，送入加热炉中，以4～6℃/min的升温速率升温至950～1000℃，保温6～7h，送入轧机上，进行一火8道次轧制，控制轧程变形率为55～59%，轧后厚度为82～89mm，得一火轧板；

（6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至930～960℃，保温2～3h，送入轧机上，进行二火7道次轧制，控制轧程变形率为75～82%，轧后厚度为15～22mm，得二火轧板；

（7）将步骤（6）的二火轧板送入加热炉中，加热至920～935℃，保温1～2h，送入轧机上，进行三火6道次轧制，控制轧程变形率为53～78%，轧后厚度为5～7mm，得三火轧板；

（8）将步骤（7）的热轧板在860～910℃下保温1～3h进行退火，冷却至室温后进行修磨、酸洗、矫直、剪切处理，得Ti‑Al‑V‑Fe合金板材，该Ti‑Al‑V‑Fe合金板材成分为：Al：3.5wt.%～4.5wt.%，V：2.0 wt.%～3.0 wt.%，Fe：1.2 wt.%～1.8 wt.%,O:0.2 wt.%～0.3 wt.%，其余为Ti。

2.如权利要求1所述的短流程Ti‑Al‑V‑Fe合金铸锭直接热轧成板材的方法，其特征在于所述步骤（5）中的防氧化液为市购的无铅水性涂料，该涂料无毒无污染，在控制表面氧化、阻碍块料渗氢的同时还可改善金属的流动，涂料采用无空气的常规喷涂系统喷涂在Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭表面，风干后再送入加热炉中。

3.如权利要求1所述的Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法，其特征在于所述步骤（5）中一火轧制8道次中，各道次的变形率分配依次为：4～6%、7～9%、10～12%、11～

13%、10～14%、12～14%、9～10%、7～9%。

4.如权利要求1所述的Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法，其特征在于所述步骤（6）中二火轧制7道次中，各道次的变形率分配依次为：11～13%、17～20%、20～25%、20～23%、20～29%、18～24%、15～22%。

5.如权利要求1所述的Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法，其特征在于所述步骤（7）中三火轧制6道次中，各道次的变形率分配依次为：13～28%、15～25%、18～25%、11～23%、7～19%、5～14%。

说明书

一种Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法，属于合金材料轧制技术领域。

背景技术

[0002] Ti‑Al‑V‑Fe系合金由于其优异的综合性能及冷热加工性，可制做成管材、板材、棒材等多种形式产品，已经应用在装甲板、液压油管、飞机发动机塔架及军用车零部件等方面。

[0003] 随着钛合金的不断发展，合金的低成本化越来越受到研究者的关注，针对于Ti‑Al‑V‑Fe系合金，其是在TC4合金的基础上，用Fe代替昂贵的V来降低成本的，因而对此合金来说，优化合金熔炼和简化加工工序便成了降低成本的主要手段。现有的熔炼手段一直以多次VAR熔炼技术为主，而在加工技术方面，往往利用多次VAR熔炼所得的铸锭经锻造后，方可进行后续的轧制。而且这样的过程最终的成材率仅达到50%～55%。因而改善熔炼工艺、简化加工工艺、提高成材率是本发明所要解决的技术问题。

发明内容

[0004] 为克服现有钛合金板材制备存在的上述不足，本发明提供一种Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法。

[0005] 本发明通过下列技术方案实现：一种Ti‑Al‑V‑Fe合金热轧板材的短流程制备方法，其特征在于包括下列各步骤：

[0006] （1）按下列质量比配料：

[0007] 铝钒中间合金       4.5～5.0 wt.%

[0008] 铝豆               3.5～3.98 wt.%

[0009] 高纯铁             1.2～1.8 wt.%

[0010] 钛白粉             0.1～0.15 wt.%

[0011] 海绵钛             余量，

[0012] 上述各组分之和为100 wt.%；

[0013] （2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100～120℃烘干5～6h，随炉冷却，得压块料；

[0014] （3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区；

[0015] （4）在真空度为1.8×10‑3～3.5×10‑3torr时，开启1～5号电子枪对冷床内的散装混合料进行熔炼，控制1～5号电子枪的电压均为29.5～30.5KV，电流均为3.3～4.3A，熔炼100～120min后，关闭电子枪，冷却20～40min后，推入压块料至熔炼区，同时开启1～7号电子枪继续熔炼，并不断向EB炉进料区推入压块料，控制1～7号电子枪的电压均为29.5～
30.5KV，1～2号电子枪电流为2.3～3.0A，3～4号电子枪电流为5.3～6.0A，5号电子枪电流为3.6～4.6A，6～7号电子枪电流为1.6～2.6A，同时保持8～12mm/min的拉锭速度，如此持续推料、熔化和拉锭，直至熔炼完成，之后冷却至80～100℃，将铸锭从结晶器中取出，冷却至室温，经表面扒皮打磨处理后，得Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭；

[0016] （5）在步骤（4）的合金扁锭表面喷涂适量防氧化液，送入加热炉中，以4～6℃/min的升温速率升温至950～1000℃，保温6～7h，送入轧机上，进行一火8道次轧制，控制轧程变形率为55～59%，轧后厚度为82～89mm，得一火轧板；

[0017] （6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至930～960℃，保温2～3h，送入轧机上，进行二火7道次轧制，控制轧程变形率为75～82%，轧后厚度为15～22mm，得二火轧板；

[0018] （7）将步骤（6）的二火轧板送入加热炉中，加热至920～935℃，保温1～2h，送入轧机上，进行三火6道次轧制，控制轧程变形率为53～78%，轧后厚度为5～7mm，得三火轧板；

[0019] （8）将步骤（7）的热轧板在860～910℃下保温1～3h进行退火，冷却至室温后进行修磨、酸洗、矫直、剪切处理，得Ti‑Al‑V‑Fe合金板材。

[0020] 所述步骤（5）中的防氧化液为市购的无铅水性涂料，该涂料无毒无污染，在控制表面氧化、阻碍块料渗氢的同时还可改善金属的流动，涂料采用无空气的常规喷涂系统喷涂在Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭表面，风干后再送入加热炉中。

[0021] 所述步骤（5）中一火轧制8道次中，各道次的变形率分配依次为：4～6%、7～9%、10～12%、11～13%、10～14%、12～14%、9～10%、7～9%。

[0022] 所述步骤（6）中二火轧制7道次中，各道次的变形率分配依次为：11～13%、17～20%、20～25%、20～23%、20～29%、18～24%、15～22%。

[0023] 所述步骤（7）中三火轧制6道次中，各道次的变形率分配依次为：13～28%、15～25%、18～25%、11～23%、7～19%、5～14%。

[0024] 所述步骤（8）得到的Ti‑Al‑V‑Fe合金板材成分为：Al：3.5wt.%～4.5wt.%，V：2.0 wt.%～3.0 wt.%，Fe：1.2 wt.%～1.8 wt.%,O:0.2 wt.%～0.3 wt.%，其余为Ti。

[0025] 本发明具有下列优点和有益效果：采用上述技术方案得到的Ti‑Al‑V‑Fe合金板材，不仅金相组织均匀、高低密度夹杂少、高纯净，而且加工工艺中无需进行锻造，直接使用铸锭进行热轧即可，大大缩短了钛合金板材的制造工艺流程，并且力学性能优于现有复杂制备工艺的水平。本发明工艺简单、操作方便，所得板材的综合成材率提高到80%左右，生产成本降低20～30%，具有明显的市场应用前景。

附图说明

[0026] 图1为本发明工艺流程图。

[0027] 图2为本发明实施例1所得板材金相组织图。

[0028] 图3为本发明实施例2所得板材金相组织图。

[0029] 图4为本发明实施例3所得板材金相组织图。

[0030] 图5为本发明实施例1所得板材力学性能图。

[0031] 图6为本发明实施例2所得板材力学性能图。

[0032] 图7为本发明实施例3所得板材力学性能图。

具体实施方式

[0033] 下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

[0034] 实施例1

[0035] （1）按下列质量比配料：

[0036] 铝钒合金   5 wt.%，

[0037] 高纯铁     1.8 wt.%，

[0038] 铝豆       3.98 wt.%，

[0039] 钛白粉     0.15 wt.%，

[0040] 海绵钛     89.07 wt.%；

[0041] （2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于120℃烘干5h，随炉冷却，得压块料；

[0042] （3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区；

[0043] （4）在真空度为1.8×10‑3torr时，开启1～5号电子枪对冷床内的散装混合料进行熔炼，控制1～5号电子枪的电压均为29.5KV，电流均为3.3A，熔炼120min后，关闭电子枪，冷却20min后，推入压块料至熔炼区，同时开启1～7号电子枪继续熔炼，控制1～7号电子枪的电压均为29.5KV，1～2号电子枪电流为2.3A，3～4号电子枪电流为5.3A，5号电子枪电流为3.6A，6～7号电子枪电流为1.6A，同时保持8mm/min的拉锭速度，如此持续推料、熔化和拉锭，直至熔炼完成，之后冷却至100℃，将铸锭从结晶器中取出，冷却至室温，经表面扒皮打磨处理后，得Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭；

[0044] （5）在步骤（4）的合金扁锭表面喷涂适量市购的无铅水性涂料，风干后送入加热炉中，以4℃/min的升温速率升温至950℃，保温7h，送入二棍可逆式轧机上，进行一火8道次轧制，各道次的变形率依次为：5.0%、8.9%、11.6%、11.8%、11.1%、12.5%、9.5%、7.4%，轧程变形率为56%，得厚度为88mm的一火轧板；

[0045] （6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至930℃，保温3h，送入轧机上，进行二火7道次轧制，各道次变形率依次为：11.4%、17.9%、21.9%、20.0%、20.0%、18.8%、15.4%，轧程变形率为75.0%，得厚度为22mm的二火轧板；

[0046] （7）将步骤（6）的二火轧板送入加热炉中，加热至920℃，保温2h，送入轧机上，进行三火6道次轧制，道次变形率依次为27.3%、25.0%、25.0%、22.2%、17.1%、13.8%，轧程变形率为77.3%，得厚度为5mm的三火轧板；

[0047] （8）将步骤（7）的热轧板在860℃下保温3h进行退火，冷却至室温后进行修磨、酸洗、矫直、剪切处理，得Ti‑Al‑V‑Fe合金板材，其中：

[0048] 酸洗用的是含氢氟酸水溶液，该溶液配比为：18%的HNO3+12%的Na2NO3+3%的HF+余量水，以防钛合金吸氢；

[0049] 得到的Ti‑Al‑V‑Fe合金板材成分为：Al：4.14wt.%，V：2.47 wt.%，Fe：1.54wt.%,O:0.24 wt.%，其余为Ti；

[0050] 力学性能见表1、图5：

[0051] 表1

[0052]    样品编号 Rm/MPa  RP0.2/MPa A/%1 916 818 11.1
2 903 815 12.2
3 913 814 11.7
4 906 801 12.1
5 915 807 11.3
6 910 810 11.7
平均值 910.5 810.8 11.7

[0053] 实施例2

[0054] 一种短流程Ti‑Al‑V‑Fe合金铸锭直接热轧成板材的方法，包括下列各步骤：

[0055] （1）按下列质量比配料：

[0056] 铝钒合金   4.7 wt.%，

[0057] 高纯铁     1.6 wt.%，

[0058] 铝豆       3.75 wt.%，

[0059] 钛白粉     0.12 wt.%，

[0060] 海绵钛     89.83 wt.%；

[0061] （2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100℃烘干6h，随炉冷却，得压块料；

[0062] （3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区；

[0063] （4）在真空度为3.5×10‑3torr时，开启1～5号电子枪对冷床内的散装混合料进行熔炼，控制1～5号电子枪的电压均为30.5KV，电流均为4.3A，熔炼100min后，关闭电子枪，冷却40min后，推入压块料至熔炼区，同时开启1～7号电子枪继续熔炼，控制1～7号电子枪的电压均为30.5KV，1～2号电子枪电流为3.0A，3～4号电子枪电流为5.9A，5号电子枪电流为4.6A，6～7号电子枪电流为2.6A，同时保持12mm/min的拉锭速度，如此持续推料、熔化和拉锭，直至熔炼完成，之后冷却至80℃，将铸锭从结晶器中取出，冷却至室温，经表面扒皮打磨处理后，得Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭；

[0064] （5）在步骤（4）的合金扁锭表面喷涂适量市购的无铅水性涂料，风干后送入加热炉中，以5℃/min的升温速率升温至975℃，保温6.5h，送入二棍可逆式轧机上，进行一火8道次轧制，各道次的变形率依次为：5.0%、7.9%、11.4%、11.6%、10.9%、12.3%、9.3%、8.2%，轧程变形率为55.5%，得厚度为89mm的一火轧板；

[0065] （6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至940℃，保温2.5h，送入轧机上，进行二火7道次轧制，各道次变形率依次为：12.4%、19.2%、20.6%、20.0%、20.0%、18.8%、15.4%，轧程变形率为75%，得厚度为22mm的二火轧板；

[0066] （7）将步骤（6）的二火轧板送入加热炉中，加热至930℃，保温1.5h，送入轧机上，进行三火6道次轧制，道次变形率依次为22.7%、23.5%、23.1%、

[0067] 20.0%、18.8%、7.7%，轧程变形率为72.7%，得厚度为6mm的三火轧板；

[0068] （8）将步骤（7）的热轧板再880℃下保温2h进行退火，冷却至室温后进行修磨、酸洗、矫直、剪切处理，得Ti‑Al‑V‑Fe合金板材，其中：

[0069] 酸洗用的是含氢氟酸水溶液，该溶液配比为：25%的HNO3+5%的Na2NO3+8%的HF+余量水，以防钛合金吸氢；

[0070] 得到的Ti‑Al‑V‑Fe合金板材成分为：Al：3.85wt.%，V：2.51 wt.%，Fe：1.62wt.%,O:0.24 wt.%，其余为Ti；

[0071] 力学性能见表2、图6；

[0072] 表2   样品编号 Rm/MPa  RP0.2/MPa A/%
1 903 812 11.9
2 902 815 12.1
3 913 811 11.4
4 910 813 11.7
5 905 820 12.4
6 915 810 12
平均值 908.0 813.5 11.9

[0073] 实施例3

[0074] 一种短流程Ti‑Al‑V‑Fe合金铸锭直接热轧成板材的方法，包括下列各步骤：

[0075] （1）按下列质量比配料：

[0076] 铝钒合金   4.5 wt.%，

[0077] 高纯铁     1.2 wt.%，

[0078] 铝豆       3.5 wt.%，

[0079] 钛白粉     0.1 wt.%，

[0080] 海绵钛     90.7 wt.%；

[0081] （2）将步骤（1）的备料进行混料后，取适量混合料作为散装料，其余混合料均压制成块，于100℃烘干6h，随炉冷却，得压块料；

[0082] （3）将步骤（2）的散装料平铺在装有七杆电子枪的EB炉冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉的进料区；

[0083] （4）在真空度为3.5×10‑3torr时，开启1～5号电子枪对冷床内的散装混合料进行熔炼，控制1～5号电子枪的电压均为30.5KV，电流均为4.3A，熔炼100min后，关闭电子枪，冷却40min后，推入压块料至熔炼区，同时开启1～7号电子枪继续熔炼，控制1～7号电子枪的电压均为30.5KV，1～2号电子枪电流为3.0A，3～4号电子枪电流为5.9A，5号电子枪电流为4.6A，6～7号电子枪电流为2.6A，同时保持12mm/min的拉锭速度，如此持续推料、熔化和拉锭，直至熔炼完成，之后冷却至80℃，将铸锭从结晶器中取出，冷却至室温，经表面扒皮打磨处理后，得Ti‑Al‑V‑Fe合金扁锭；

[0084] （5）在步骤（4）的合金扁锭表面喷涂适量市购的无铅水性涂料，风干后送入加热炉中，以6℃/min的升温速率升温至1000℃，保温6h，送入二棍可逆式轧机上，进行一火8道次轧制，各道次的变形率依次为：6.0%、8.5%、10.5%、13.0%、13.4%、13.8%、10.0%、8.9%，轧程变形率为59%，得厚度为82mm的一火轧板；

[0085] （6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至960℃，保温2h，送入轧机上，进行二火7道次轧制，各道次变形率依次为：11.0%、17.8%、25.0%、

[0086] 22.2%、28.6%、24.0%、21.1%，轧程变形率为81.7%，得厚度为15mm的二火轧板；

[0087] （7）将步骤（6）的二火轧板送入加热炉中，加热至935℃，保温1h，送入轧机上，进行三火6道次轧制，道次变形率依次为13.3%、15.4%、18.2%、11.1%、7.5%、5.4%，轧程变形率为53.3%，得厚度为7mm的三火轧板；

[0088] （8）将步骤（7）的热轧板在910℃下保温1h进行退火，冷却至室温后进行修磨、酸洗、矫直、剪切处理，得Ti‑Al‑V‑Fe合金板材，其中：

[0089] 酸洗用的是含氢氟酸水溶液，该溶液配比为： 18%的HNO3+12%的Na2NO3+8%的HF+余量水，以防钛合金吸氢；

[0090] 得到的Ti‑Al‑V‑Fe合金板材成分为：Al：4.16wt.%，V：2.42 wt.%，Fe：1.59wt.%,O:0.23 wt.%，其余为Ti；

[0091] 力学性能见表3、图7；

[0092] 表3   样品编号 Rm/MPa  RP0.2/MPa A/%
1 905 812 12.3
2 913 820 12
3 908 809 12.1
4 905 818 11.9
5 914 813 12.5
6 909 819 12.7
平均值 909.0 815.2 12.3

[0093] 从图2、图3、图4对应的三个实施例的金相显微组织可以看出，三个实施例均为等轴状组织。

[0094] 从图5、图6、图7对应的三个实施例的力学性能图可看出，三个实施例均符合性能要求，相比于现有技术即：多次VAR熔炼的铸锭、锻造后斜轧穿孔得到的热轧板材的力学性能，三个实施例的力学性能均优于现有技术，即：Rm≥880MPa，Rp0.2≥780MPa，A≥11%，且取得高效短流程低成本的技术效果。

[0095] 以上实施例是本发明较佳的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例进行简单的修改、变更以及等效结构的变化，均仍属于本发明技术。