阅读说明：本技术 一种紧固件用tb3钛合金丝材的制备方法 ([db:专利名称-en]) 是由 刘娣 周中波 张利军 薛祥义 张晨辉 邵博 刘小花 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：一种紧固件用TB3钛合金丝材的制备方法,将TB3钛合金铸锭进行均匀化退火处理；将退火处理后炉冷至相变点以上温度进行加热,然后开坯锻造成方坯；将开坯锻造后的方坯在合金相变点以上温度进行加热后锻造,经过多火次加热锻造后,得到Ф120mm～Ф140mm的棒材；将棒材精锻成Ф85mm～Ф90mm的棒材；将棒材加热后轧制成Ф9.0mm～Ф9.5mm的棒材；然后加热后拉拔成Ф3.5mm～Ф5.5mm的丝材；将丝材进行固溶处理后矫直,得到Ф3.0mm～Ф5.0mm的紧固件用TB3钛合金丝材。([db:摘要-en])

一种紧固件用TB3钛合金丝材的制备方法

技术领域

本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种紧固件用TB3钛合金丝材的制备方法。

背景技术

TB3钛合金名义成分是Ti-10Mo-8V-1Fe-3.3Al(质量分数，wt％)是西北有色金属研究院20世纪60年代末研究开发的亚稳态β钛合金。该合金具有良好的冷、热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过热处理处理获得较高的力学性能及强度与断裂韧性的良好配合，特别是其可冷加工成型性能，使得TB3成为紧固件主要使用的钛合金。

航天用来制作紧固件的半成品一般是直径为4～10mm的小规格丝材。一般采用自由锻+热轧+旋锻的工艺方法进行丝材制备。由于旋锻主要靠人工操作，人为因素较多，同时坯料受锤模形状的限制，发生弯曲变形、宽展变形而使旋锻加工中不均匀变形较为显著，造成材料裂、脆、断的隐患，从而导致丝材的性能不稳定。

发明内容

为了解决小规格丝材成形及性能不稳定的问题，本发明的目的是提供一种紧固件用TB3钛合金丝材的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种紧固件用TB3钛合金丝材的制备方法，包括以下步骤：

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭进行均匀化退火处理；

2)开坯锻造

将步骤1)退火处理后炉冷至相变点以上温度进行加热，然后开坯锻造成方坯；

3)中间坯锻造

将步骤2)开坯锻造后的方坯在合金相变点以上温度进行加热后锻造，经过多火次加热锻造后，得到Ф120mm～Ф140mm的棒材；

4)精锻

将步骤3)制备的棒材精锻成Ф85mm～Ф90mm的棒材；

5)轧制

将步骤4)制备的棒材加热后轧制成Ф9.0mm～Ф9.5mm的棒材；

6)拉拔

将步骤5)制备的棒材加热后拉拔成Ф3.5mm～Ф5.5mm的丝材；

7)在线固溶、矫直

将步骤6)制备的丝材在相变点以上进行固溶处理后矫直，得到Ф3.0mm～Ф5.0mm的紧固件用TB3钛合金丝材。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，均匀化退火处理的具体条件为：加热至1150℃～1170℃，保温120min～150min。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，加热温度为1000℃～1050℃，保温时间为30min～60min，锻造的终锻温度≥800℃，锻造后水冷。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，加热温度为800℃～950℃，保温时间为120min～150min，锻造的终锻温度≥650℃，锻造锻后水冷。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，每火次锻造均采用两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，最后一火次拔长摔圆成棒材。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中经过3～4火次加热锻造。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，加热温度为770℃～790℃，保温时间为80min～100min，精锻的终锻温度≥650℃，锻后空冷。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，加热温度为740℃～760℃，保温时间50min～60min。

本发明进一步的改进在于，步骤6)中，加热温度为720℃～740℃，保温时间30min。

本发明进一步的改进在于，步骤7)中，固溶温度为800℃～815℃，保温时间15min～30min。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明通过采用自由锻造、精锻、轧制与拉拔的加工工艺替代原来自由锻、热轧、旋锻的工艺方法，精锻后进行大变形的轧制，轧制变形量大于80％以上，可有效细化晶粒获得细小等轴组织，从而提高材料力学性能。本发明制备的TB3钛合金丝材的抗拉强度可达1100MPa以上的抗拉强度、6％以上的延伸率以及700MPa以上抗剪强度、晶粒度7级以上。后续采用拉拔进一步控制丝材表面质量和尺寸精度，得到组织性能优异的TB3钛合金丝材。本发明制备的丝材的表面粗糙度≤1.2μm，直线度≤1.0mm/m，尺寸偏差为

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

一种紧固件用TB3钛合金小规格丝材的制备方法，具体按照以下步骤：

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1150℃～1170℃，保温120min～150min，进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至相变点以上温度进行加热，然后开坯锻造成方坯，采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯在合金相变点以上温度进行加热后锻造，经过2～4火加热锻造后得到Ф120mm～Ф140mm的棒材，每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材精锻成Ф85mm～Ф90mm的棒材，采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热后轧制成Ф9.0mm～Ф9.5mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热后拉拔成Ф3.5mm～Ф5.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材在相变点以上进行固溶处理后矫直。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的Ф3.0mm～Ф5.0mm的成品丝材。

进一步，在上述步骤2)中，加热温度为1000℃～1050℃，保温时间30min～60min，终锻温度≥800℃，锻后水冷。

进一步，在上述步骤3)中，加热温度为800℃～950℃，保温时间120min～150min，终锻温度≥650℃，锻后水冷。其中，每火次锻造均采用两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，最后一火拔长摔圆成棒材。

进一步，在上述步骤4)中，加热温度为770℃～790℃，保温时间80min～100min，终锻温度≥650℃，锻后空冷。

进一步，在上述步骤5)中，加热温度为740℃～760℃，保温时间50min～60min。

进一步，在上述步骤6)中，加热温度为720℃～740℃，保温时间30min。

进一步，在上述步骤7)中，固溶温度为800℃～815℃，保温时间15min～30min。

实施例1

Ф3.0mmTB3钛合金丝材制备：

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1150℃～1170℃，保温120min～150min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1000℃～1050℃，保温时间30min～60min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至800℃～950℃，保温时间120min～150min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至800℃～820℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф120～Ф140mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至770℃～790℃，保温时间80min～100min，精锻成Ф85～Ф90mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至760℃，保温时间50min后轧制成Ф9.0mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后740℃，保温时间为30min后拉拔成Ф3.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为800℃，保温时间为15～30min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的

的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m。

9)热处理及性能测试

任取两支丝材进行晶粒度评级，评级结果为8.0；丝材在535℃保温16h时效处理后进行力学性能测试，见表1。

表1 Ф3.0mm TB3钛合金丝材室温力学性能

实施例2

Ф3.5mmTB3钛合金丝材制备：

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1150℃～1170℃，保温120min～150min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1000℃～1050℃，保温时间30min～60min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至800℃～950℃，保温时间120min～150min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至800℃～820℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф120～Ф140mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至770℃～790℃，保温时间80min～100min，精锻成Ф85～Ф90mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至750℃，保温时间50min后轧制成Ф9.0mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后735℃，保温时间30min后拉拔成Ф4.0mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为800℃，保温时间15～30min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的

的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m。

9)热处理及性能测试

任取两支丝材进行晶粒度评级，评级结果为7.5～8.0；丝材在535℃保温16h时效处理后进行力学性能测试，见表2。

表2 Ф3.5mmTB3钛合金丝材室温力学性能

实施例3

Ф4.0mmTB3钛合金丝材制备：

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1150℃～1170℃，保温120min～150min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1000℃～1050℃，保温时间30min～60min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至800℃～950℃，保温时间120min～150min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至800℃～820℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф120～Ф140mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至770℃～790℃，保温时间80min～100min，精锻成Ф85～Ф90mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至750℃，保温时间60min后轧制成Ф9.5mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后730℃，保温时间30min后拉拔成Ф4.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为815℃，保温时间15～30min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的

的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m。

mm的成品丝材。

9)热处理及性能测试

任取两支丝材进行晶粒度评级，评级结果为7.5～8.0；丝材在550℃保温16h时效处理后进行力学性能测试，见表3。

表3 Ф4.0mmTB3钛合金丝材室温力学性能

实施例4

Ф5.0mmTB3钛合金丝材制备：

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1150℃～1170℃，保温120min～150min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1000℃～1050℃，保温时间30min～60min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至800℃～950℃，保温时间120min～150min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至800℃～820℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф120～Ф140mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至770℃～790℃，保温时间80min～100min，精锻成Ф85～Ф90mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至740℃，保温时间60min后轧制成Ф9.5mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后720℃，保温时间30min后拉拔成Ф5.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为815℃，保温时间15～30min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的

的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m。

9)热处理及性能测试

任取两支丝材进行晶粒度评级，评级结果为7.0～7.5；丝材在550℃保温16h时效处理后进行力学性能测试，见表4。

表4 Ф5.0mmTB3钛合金丝材室温力学性能

实施例5

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1150℃，保温150min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1050℃，保温时间30min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至900℃，保温时间130min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至810℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф130mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至780℃，保温时间90min，精锻成Ф85mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至740℃，保温时间60min后轧制成Ф9.0mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后730℃，保温时间为30min后拉拔成Ф3.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为800℃，保温时间为30min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的

的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m)。

实施例6

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1160℃，保温140min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1020℃，保温时间50min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至800℃，保温时间150min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至800℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф140mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至790℃，保温时间80min，精锻成Ф90mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至750℃，保温时间55min后轧制成Ф9.2mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后740℃，保温时间为30min后拉拔成Ф4.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为810℃，保温时间为15min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的

的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m)。

实施例7

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1170℃，保温120min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1030℃，保温时间40min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至950℃，保温时间120min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至800℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф120mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至770℃，保温时间100min，精锻成Ф87mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至760℃，保温时间50min后轧制成Ф9.4mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后720℃，保温时间为30min后拉拔成Ф5.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为815℃，保温时间为30min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的

的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m)。

实施例8

1)均匀化退火

将TB3钛合金铸锭加热至1165℃，保温130min进行均匀化退火处理。

2)开坯锻造

将步骤1退火处理后炉冷至1000℃，保温时间60min后开坯锻造成方坯，终锻温度≥800℃，锻后水冷。锻造完成后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

3)中间坯锻造

将步骤2开坯锻造后的方坯加热至850℃，保温时间140min，进行2～3火次镦拔锻造，锻造时进行两镦两拔，镦粗比为1.6～2.0，终锻温度≥650℃，锻后水冷。再加热至820℃进行拔长摔圆锻造，终锻温度≥650℃，锻后水冷，得到Ф125mm的棒材。同时每火次锻造后采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

4)精锻

将步骤3制备的棒材加热至775℃，保温时间90min，精锻成Ф86mm的棒材，终锻温度≥650℃，锻后空冷。采取打磨方式去除锻造表面裂纹。

5)轧制

将步骤4制备的棒材加热至760℃，保温时间50min后轧制成Ф9.5mm的棒材，采用无心车床将表面的氧化皮车除，采用砂轮机修磨表面裂纹。

6)拉拔

将步骤5制备的棒材加热至后740℃，保温时间为30min后拉拔成Ф3.5mm的丝材，按照定尺进行下料。

7)在线固溶、矫直

将步骤6制备的丝材进行固溶处理后矫直，固溶温度为815℃，保温时间为20min。

8)磨光

将步骤7矫直后的丝材进行表面磨光制的的成品丝材，丝材表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m)。本发明通过采用自由锻+精锻+轧制+拉拔的工艺方法，再配合热处理工艺，获得了成品规格为Ф3mm～Ф5mm、时效处理后抗拉强度可达1100MPa以上的抗拉强度、6％以上的延伸率以及700MPa以上抗剪强度、晶粒度7级以上的TB3钛合金丝材。

本发明通过采用自由锻造+精锻+轧制再拉拔的加工工艺替代原来自由锻+热轧+旋锻的工艺方法。精锻后进行大变形的轧制，轧制变形量大于80％以上，可有效细化晶粒获得细小等轴组织，从而提高材料力学性能。后续采用拉拔进一步控制丝材表面质量(表面粗糙度≤1.2μm、直线度≤1.0mm/m)和尺寸精度(尺寸偏差为

)，得到组织性能优异的TB3钛合金丝材。本发明制备的TB3钛合金丝材的抗拉强度可达1100MPa以上的抗拉强度、6％以上的延伸率以及700MPa以上抗剪强度、晶粒度7级以上的TB3钛合金丝材。