一種TC4細晶鈦合金薄板及其制備方法與流程

本發明涉及鈦合金材料，具體涉及一種TC4細晶鈦合金薄板及其制備方法。

背景技術：

鈦合金材料在經濟發展和國防工業中具有重要的戰略意義，但由于其力學性能的限制，應用領域嚴重受限。研究表明，控制鈦合金顯微組織中晶粒與α片層尺度是提高其強度、疲勞抗力等力學性能的有效方法，這是因為晶粒尺寸與α片層均勻細小的組織有助于提升鈦合金材料的強度和其各向同性，以及提升裂紋的擴展抗力。

針對鈦合金晶粒細化的問題上，國內外開展了大量的研制工作，比較常用的方法是盡可能地提高合金的兩相區加工變形量，使板材組織得到充分破碎來獲得等軸細晶組織。但鈦合金的變形存在工藝窗口窄且要求高的特性，為此在增加變形量的同時，不可避免地也增加了變形工藝道次，進而降低生產效率、增加了制造成本。

目前針對TC4鈦合金薄板而言，追求細晶及其性能的各向同性是關鍵高難度指標要求。晶粒度5～20μm的波動范圍大且不均勻會影響到后續零件成材的工藝參數穩定性和質量一致性；薄板縱、橫向性能的差異較大，會造成材料在后續成形時各方向變形的不協調，導致成形一致性差，例如，超塑成形時網格容易發生畸變，內部結構容易產生折疊、并引發表面蒙皮起皺等缺陷。為此需要尋求一種新的制備方法以獲得細小均勻的細晶組織薄板產品。

中國專利CN103045906A公開了一種TC4合金熱軋板工藝的制備方法，該方法側重于低成本獲得組織均勻的TC4合金熱軋板，并未涉及控制板材顯微組織，其晶粒尺寸較大，沒有達到細晶控制的應用需求目的。

中國專利CN102489507A公開了一種鈦合金寬幅薄板的制備方法，其中涉及采用包覆軋制技術生產薄板的方法，其目的同樣并未控制其顯微組織的晶粒尺寸。

目前有關TC4鈦合金薄板在控制成本、減少工序的同時，又能保證獲得晶粒均勻細小的顯微組織的相關報道尚未見到。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種TC4細晶鈦合金薄板及其制備方法，克服TC4鈦合金薄板晶粒細小與制備工序冗長和生產成本高的矛盾問題，獲得可滿足高強度應用需求的鈦合金細晶薄板。

為達到上述目的，本發明的技術方案是：

一種TC4細晶鈦合金薄板，其薄板厚度為0.3～3mm，晶粒尺為寸2～5μm，室溫力學性能：屈服強度(Rp0.2)為955～995MPa、抗拉強度(Rm)為1020～1050MPa、斷后延伸率(A)為15～19％。

本發明所述的TC4細晶鈦合金薄板的制備方法，其包括以下步驟：

1)制備TC4鈦合金原始板坯，并控制原始板坯厚度為3～15mm；

2)對原始板坯進行熱處理

熱處理的溫度為1010～1050℃，保溫時間為20～40mim，熱處理后水淬或風冷至600℃以下；

3)包覆處理

將至少兩塊熱處理后的原始板坯疊放在一起進行包覆處理，制成疊扎包；

4)對疊軋包進行軋制

采用換向軋制，軋制溫度為750～900℃，軋制道次控制在3～6道次，每道次變形量<25％，總變形量≥70％；

5)對軋制后的薄板進行熱處理

熱處理溫度為890～940℃，熱處理時間為20～60mim，熱處理后空冷至室溫，得到鈦合金薄板；

6)表面處理

對步驟5)得到的鈦合金薄板進行表面處理，最終得到厚度為0.3～3mm的TC4鈦合金薄板。

進一步，步驟3)包覆處理時，在熱處理后的原始板坯上下表面涂覆潤滑劑，涂層厚度為1～2μm。

步驟4)中所述換向軋制指縱向(即平行于鑄錠晶粒生長的方向或指坯料長度方向)和橫向(即垂直于鑄錠晶粒生長的方向或指坯料寬度方向)交叉的換向軋制模式。

本發明步驟2)通過在熱變形前對原始板坯進行特殊熱處理，調整其變形組織，則對原始組織的要求控制不高。該熱處理可以調控薄板軋制用坯料組織，水淬后獲得馬氏體組織或風冷后獲得薄片層組織，均有助于后續變形得到細晶組織，方法簡單易操作。

本發明步驟3)包覆處理時，在熱處理后的原始板坯上下表面涂鍍潤滑劑，潤滑劑的主要成分為碳粉，涂層厚度為1～2μm，可以在不增加成本且無污染的情況下有效地改善芯板與包覆板之間的潤滑效果，充分保障芯板的充分延展和均勻變形。

本發明步驟4)進行包覆疊軋時，采用低溫控溫軋制、換向、多道次及變形量的控軋。具體是：通過控制軋制溫度在750～900℃，有效地破碎原始坯料顯微組織中的α相，同時約束其長大，從而獲得均勻且α相經過劇烈變形的顯微組織，以提高薄板的強度和降低性能的各向異性；其次是在軋制過程中合理分配換向軋制制度，采取縱向和橫向交叉的換向軋制模式，以提升組織的破碎度和均勻性。整個軋制變形要求控制：3～6道次的軋制道次，每道次變形量小于25％，總變形量控制70％以上。

本發明通過步驟5)軋制后熱處理，嚴格控制熱處理溫度和時間，以有效地使α相充分球化，最終可獲得均勻、細小的顯微組織。

本發明的有益效果：

本發明獲得的TC4細晶鈦合金薄板性能均勻，強度和塑性均高于普通TC4鈦合金薄板，具體性能指標如下：薄板厚度為0.3～3mm，晶粒尺寸控制在2～5μm，室溫力學性能：屈服強度(Rp0.2)為955～995MPa、抗拉強度(Rm)為1020～1050MPa、斷后延伸率(A)為15～19％。

本發明所述TC4鈦合金薄板制備工藝流程簡單，能耗低，對原始板坯的顯微組織要求不高，最終是可以獲得高要求的細晶組織和性能的均勻性控制，產業化后可獲得較高的經濟利益。

本發明提供的制備工藝工序道次少、材料收得率高、生產成本可控、具有較高實用價值。

附圖說明

圖1為本發明實施例1成品TC4鈦合金薄板的組織形貌照片。

圖2為本發明實施例2成品TC4鈦合金薄板的組織形貌照片。

圖3為本發明實施例3成品TC4鈦合金薄板的組織形貌照片。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。

實施例1：

1)制備獲得厚度為3mm的熱軋板坯兩塊；

2)將板坯加熱到1010℃后保溫40mim，然后水冷至600℃以下后自然冷卻至室溫；

3)將經過特殊熱處理后的板坯進行包覆，包覆時在鈦合金板坯上下表面涂覆碳粉，涂層厚度控制在1-2μm；

4)將包覆好的疊軋包進行低溫首道次換向軋制，即坯料進行軋機前先換向再咬入軋機以實現寬度方向的橫向變形，第2-4道次再換向至原長度方向進行縱向軋制變形；軋制溫度為750℃，4道次，終軋厚度為0.3mm；每道次變形量要求是18～25％，總變形量要求是80％；

5)將步驟4)獲得的軋板進行熱處理，處理溫度為940℃，保溫時間為20min；

6)將上述薄板進行常規表面處理，獲得金屬本色、光潔度高的薄板表面質量，最終理化檢驗獲得晶粒尺寸為2-4μm的薄板。

本實施例獲得的成品TC4鈦合金薄板的力學性能參見表1，其組織形貌照片如圖1所示。由圖1可知，0.3mm薄板晶粒尺寸為2-4μm且均勻分布，無軋制變形引起的流線方向性，較好滿足組織均勻的細晶技術指標要求。

實施例2：

1)制備獲得厚度為8mm的熱軋板坯兩塊；

2)將板坯加熱到1020℃后保溫40mim，然后風冷至600℃以下后自然冷卻至室溫；

3)將經過特殊熱處理后的板坯進行包覆，包覆時在鈦合金上下表面涂覆碳粉，涂層厚度控制在1-2μm；

4)將包覆好的疊軋包進行低溫多道次換向軋制，要求第一道次沿原長度方向大變形量、后續道次沿寬度方向的換向軋制模式，軋制溫度為850℃，3道次，終軋厚度為1.2mm；每道次變形量要求是20～35％，總變形量要求是80～90％；

5)將步驟4)獲得的軋板進行熱處理，處理溫度為910℃，保溫時間為40min；

6)將上述薄板進行表面處理，獲得金屬本色、光潔度高的薄板表面質量，最終理化檢驗獲得晶粒尺寸為2-4.5μm的薄板。

本實施例獲得的成品TC4鈦合金薄板的力學性能參見表1，其組織形貌照片如圖2所示，由圖2可知，本實施例獲得1.2mm的成品薄板，其晶粒尺寸為2-4.5μm且均勻分布，無軋制變形引起的流線方向性，較好滿足組織均勻的細晶技術指標要求。

實施例3：

1)制備獲得厚度為15mm的熱軋板坯兩塊；

2)將板坯加熱到1020℃后保溫40mim，然后水冷至600℃以下后自由冷卻至室溫；

3)將經過特殊熱處理后的板坯進行包覆，包覆時在鈦合金上下表面涂覆碳粉，涂層厚度控制在1-2μm；

4)將包覆好的板進行低溫首道和第四道次換向的多道次軋制，要求坯料開軋前的第一個和第四次的咬入道次采取沿寬度方向的變形、其他道次采用沿原長度方向的軋制模式，軋制溫度為900℃，5道次，終軋厚度為3mm；每道次變形量要求是15～30％，總變形量要求是75～80％；

5)將步驟4)獲得的軋板進行熱處理，處理溫度為890℃，保溫時間為60min；

6)將上述薄板進行表面處理，獲得金屬本色、光潔度高的薄板表面質量，最終理化檢驗獲得晶粒尺寸為2-5μm的薄板。

本實施例獲得的成品TC4鈦合金薄板的力學性能參見表1，其組織形貌照片如圖3所示，由圖3可知，本實施例獲得的3mm薄板，其晶粒尺寸為2-5μm且均勻分布，無軋制變形引起的流線方向性，較好滿足組織均勻的細晶技術指標要求。

由表1可知，本發明所制備得到的成品TC4鈦合金薄板室溫力學性能如下：屈服強度(Rp0.2)為955～995MPa、抗拉強度(Rm)為1020～1050MPa、斷后延伸率(A)為15～19％，可滿足高強度應用需求。

表1