一种高强度超细晶tc4钛合金箔材的制备方法
阅读说明：本技术 一种高强度超细晶tc4钛合金箔材的制备方法 (Preparation method of high-strength ultrafine-grained TC4 titanium alloy foil ) 是由 陈志勇 王清江 朱绍祥 刘建荣 于 2021-06-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高强度超细晶TC4钛合金箔材的制备方法,具体为：(1)将TC4钛合金铸锭在1000℃～1100℃加热后开坯锻造获得坯料；(2)在850℃～920℃加热后,对坯料进行轧制；(3)在β相变点之上30℃～50℃热处理后水淬冷却,得到板坯；(4)在850℃～920℃加热后进行轧制；(5)将所得坯料进行组焊,获得包覆叠轧包；(6)在800℃～850℃加热后,进行第四次轧制；(7)拆开叠轧包,对坯料进行第二次组焊,获得包覆叠轧包；(8)在800℃～850℃加热后,垂直于上次轧制方向进行轧制；(9)进行退火、蠕变校形、碱酸洗和砂光后,获得厚度为0.4mm的板材；(10)将板材剪切后进行3～7次冷轧,得到厚度为0.08mm～0.2mm的轧制态箔材；(11)真空退火热处理后获得厚度为0.08mm～0.2mm的成品箔材。(The invention provides a preparation method of a high-strength ultrafine-grained TC4 titanium alloy foil, which comprises the following steps: (1) heating a TC4 titanium alloy ingot at 1000-1100 ℃, cogging and forging to obtain a blank; (2) heating at 850-920 ℃, and rolling the blank; (3) performing heat treatment at 30-50 ℃ above the beta transformation point, and then performing water quenching and cooling to obtain a plate blank; (4) heating at 850-920 ℃ and then rolling; (5) assembling and welding the obtained blank to obtain a cladding and rolling package; (6) heating at 800-850 deg.c and rolling for the fourth time; (7) disassembling the pack, and performing second assembly welding on the blank to obtain a coated pack; (8) heating at 800-850 ℃, and rolling in a direction perpendicular to the last rolling direction; (9) annealing, creep deformation correction, alkali acid washing and sanding are carried out, and then a plate with the thickness of 0.4mm is obtained; (10) shearing the plate, and then carrying out cold rolling for 3-7 times to obtain a rolled foil with the thickness of 0.08-0.2 mm; (11) and carrying out vacuum annealing heat treatment to obtain a finished foil with the thickness of 0.08-0.2 mm.)
技术领域
本发明属于钛合金材料加工技术领域，具体涉及一种高强度超细晶TC4钛合金箔材的制备方法。
背景技术
TC4钛合金的使用温度最高可达350℃，是航空航天领域应用较广泛的结构钛合金材料。为了达到耐高温和减重的目的，TC4钛合金的箔材已成为空天飞机、高超声速飞行器中的蜂窝结构的主要钛合金半成品。
用于制作蜂窝芯格的TC4钛合金箔材的厚度通常在0.15mm以下，要求箔材的厚度偏差不大于±0.015mm。箔材一般需要在二十辊轧机上进行加工，加工过程复杂，加工周期长，成本高昂。
在授权公告号为CN103464461B的发明专利中，提供了一种TB8钛合金箔材的制备方法，该方法选用0.3～0.5mm的板材作为原材料，制备了0.08mm～0.2mm的箔材，但对箔材的显微组织和力学性能并未关注。
在授权公告号为CN102941228B的发明专利中，提供了一种钛合金箔材的制备方法，该方法选用的原材料为0.5～2.0mm厚度的钛合金板材，采用四辊轧机热轧制备0.05mm～0.3mm箔材，加热叠轧后采用酸洗和表面平整获得箔材成品，对箔材的厚度偏差控制、组织和力学性能等均未涉及。
在申请公布号为CN108929962A的发明专利中，提供了一种新型β型钛合金低模量高精度超细晶箔材的制备方法，该专利提供的细晶箔材制备方法中需在铸锭精炼过程中加入Al-5Ti-1B晶粒细化剂进行物理细晶，并通过叠轧进行精轧制获得细晶箔材。该方法仅适用该专利中提及的新型β钛合金箔材的制备。对于指定牌号的钛合金箔材，如TC4、TA15等，由于在国家标准中对合金成分具有严格的要求，无法加入晶粒细化剂进行晶粒细化以获得超细晶粒。
高强度超细晶TC4钛合金箔材主要应用于航空航天高温承力部件中的蜂窝结构件，不仅要求箔材具有良好的成形性能，还要求较高的室温拉伸强度(不低于900MPa)，同时，对箔材的厚度偏差也提出较高的要求。现有TC4箔材制备方法的中国专利中，均只关注从板材到箔材的制备方法，且均未涉及箔材最终的热处理退火工艺对箔材室温拉伸力学性能的影响。由于箔材制备初始坯料的制备工艺也是影响箔材组织和力学性能的主要因素，对于航空航天用TC4钛合金箔材，需要将板材轧制工艺、箔材轧制工艺、箔材成品退火热处理工艺综合考虑，制备出显微组织(晶粒尺寸1～3μm)、力学性能(室温抗拉强度可达900MPa～980MPa，400℃抗拉强度可达550～650MPa)和尺寸精度(厚度偏差不大于±0.015mm)均合格的TC4钛合金箔材。
发明内容
本发明针对高强度TC4钛合金超细晶箔材制备技术空白，提供一种高强度TC4钛合金超细晶箔材的制备方法，其目的是提供一种高强度超细晶TC4钛合金箔材，该箔材的平均晶粒尺寸1～3μm，室温抗拉强度可达900MPa～980MPa，延伸率≥10％，400℃抗拉强度为550～650MPa，箔材厚度偏差不大于±0.015mm。
本发明的技术方案是：
一种高强度TC4钛合金超细晶箔材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将钛合金铸锭在温度为1000℃～1100℃的加热炉中保温200min～240min，在锻造机上进行锻造，终锻温度不低于980℃，得到轧制用坯料；
步骤二，将所得坯料在温度850℃～920℃的加热炉中保温100min～150min，在轧机上开坯轧制，得到厚度为15±2mm的板坯；
步骤三，将所得板坯剪切后，在TC4钛合金β相变点之上30℃～50℃的加热炉中保温60～90min，水淬至100℃以下；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度850℃～920℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到厚度为3±0.5mm的坯料；
步骤五，将所得坯料剪切后，2～4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为800℃～850℃的加热炉中保温60～90min，轧制得到厚度为1±0.2mm的坯料；
步骤七，将所得坯料剪切后，2～4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度800℃～850℃的加热炉中保温80～100min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.45±0.03mm的坯料；
步骤九，将所得坯料经过退火处理、蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.4±0.05mm板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行3～7次冷轧，中间过程每轧程之间进行真空退火热处理，最终得到厚度为0.08mm～0.2mm的轧制态箔材；
步骤十一，将轧制态箔材放入真空炉中进行真空退火热处理，获得厚度为0.08mm～0.2mm的成品箔材。
作为优选的技术方案：
步骤一中所得坯料尺寸为90±5mm×300mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于70％。
步骤二中所述的开坯轧制，轧程数为一次，总变形量不小于80％。
步骤四中所述的轧制，轧程数为一次，总变形量不小于70％。
步骤五中所述包覆轧制包中钢板与每片钛合金坯料的厚度比为1～20:1。
步骤六中所述的轧制，轧程数为一次，总变形量不小于50％。
步骤七中所述包覆轧制包中钢板与每片钛合金坯料的厚度比为1～20:1。
步骤八中所述的轧制，轧程数为一次，总变形量不小于35％。
步骤九中所述的中间过程热处理，其温度为750℃～800℃，退火时间60min～150min，随炉冷却；
步骤十中，中间过程的冷轧，每轧程总变形量15％～30％，所述的真空退火热处理，真空度10-3～10-2Pa，中间过程的热处理温度为700℃～850℃，保温时间30min～90min；
步骤十一中，成品箔材的真空退火热处理，真空度10-3～10-2Pa，热处理温度为750℃～900℃，保温时间60min～90min，随炉冷却。
本发明与现有技术比有以下优点：
1、本发明涵盖了TC4钛合金箔材制备中的板坯制备、板材轧制、箔材制备、箔材热处理的全流程制备工艺与方法，可有效控制箔材的显微组织和力学性能。
2、本发明在板坯制备过程中采用β相区淬火工艺，形成针状无序排列的马氏体αˊ相板条和少量的β相，可有效减弱最终产品箔材的相变织构，同时细化箔材的晶粒尺寸。
3、本发明中0.4mm板材经历两次包覆和一次换向轧制，可有效减弱最终箔材的轧制织构。
4、采用本发明所述方法制备的高强度超细晶TC4钛合金箔材，其平均晶粒尺寸1～3μm，室温抗拉强度可达900MPa～980MPa，延伸率≥10％，400℃抗拉强度为550～650MPa，箔材厚度偏差不大于±0.015mm。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明，如未特殊说明，本发明真空退火热处理的真空度为10-3～10-2Pa。
实施例1
厚度为0.08mm的TC4钛合金箔材的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-6Al-4V-0.1O的TC4钛合金铸锭，将钛合金铸锭在温度为1100℃的加热炉中保温200min，在锻造机上进行锻造，终锻温度不低于980℃，得到轧制用坯料；所得坯料尺寸为90±5mm×300mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于70％；
步骤二，将所得坯料在温度920℃的加热炉中保温100min，在轧机上进行开坯轧制，轧程数为一次，得到厚度为15mm的板坯；
步骤三，将所得板坯剪切后，在温度为β相变点之上30℃的加热炉中保温60min，水淬至100℃以下；
步骤四，将所得坯料表面修磨后，在温度920℃的加热炉中保温90min，轧制得到厚度为3mm的坯料，轧程数为一次，总变形量为80％；
步骤五，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为10:1；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为850℃的加热炉中保温90min，轧制得到厚度为1.0mm的坯料，轧程数为一次，总变形量为67％；
步骤七，将所得坯料剪切后，4片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金板材的厚度比为10:1；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度850℃的加热炉中保温100min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.45mm的坯料，轧程数为一次，总变形量55％；
步骤九，将所得坯料经过750℃，120min，炉冷的退火热处理，经蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.4mm的板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行6次冷轧，每轧程总变形量20％，中间过程每次轧制后进行800℃，30min，真空退火热处理，最终得到厚度为0.08mm的轧制态箔材；
步骤十一，将轧制态的箔材，放入真空炉中进行900℃，60min真空退火热处理，获得厚度为0.08mm的成品箔材。
本实施例制备的厚度为0.08mm的TC4钛合金箔材，其平均晶粒尺寸3μm，室温抗拉强度：900MPa，延伸率12％，400℃抗拉强度为580MPa，箔材厚度偏差±0.01mm。
实施例2
厚度为0.1mm的TC4钛合金箔材的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-6Al-4V-0.06O的TC4钛合金铸锭，将钛合金铸锭在温度为1050℃的加热炉中保温240min，在锻造机上进行板坯锻造，终锻温度不低于980℃，得到轧制用坯料；所得坯料尺寸为90mm×300mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于70％；
步骤二，将所得坯料在温度850℃的加热炉中保温150min，在轧机上进行开坯轧制，轧程数为一次，得到厚度为17mm的板坯；
步骤三，将所得板坯剪切后，在温度为β相变点之上50℃的加热炉中保温90min，水淬至100℃以下；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度850℃的加热炉中保温60min，轧制得到厚度为3.5mm的坯料，轧程数为一次，总变形量为79％；
步骤五，将所得坯料剪切后，2片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为5:1；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为850℃的加热炉中保温60min，轧制得到厚度为1.2mm的坯料，轧程数为一次，总变形量为66％；
步骤七，将所得1.2mm坯料剪切后，2片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为5:1；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度850℃的加热炉中保温80min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.45mm的坯料，轧程数为一次，总变形量63％；
步骤九，将所得坯料经过800℃，150min，炉冷退火处理，蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.4mm的板材；
步骤十，将所得0.4mm板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行4次冷轧，每轧程总变形量30％，中间过程每次轧制后进行850℃，30min，真空退火热处理，最终得到厚度为0.1mm的轧制态箔材；
步骤十一，将轧制态的箔材，放入真空炉中进行750℃，60min真空退火热处理，获得厚度为0.1mm的成品箔材。
本实施例制备的厚度为0.1mm的TC4钛合金箔材，其平均晶粒尺寸2μm，室温抗拉强度：980MPa，延伸率11.5％，400℃抗拉强度为650MPa，箔材厚度偏差±0.015mm。
实施例3
厚度为0.2mm的TC4钛合金箔材的制备
步骤一，熔炼目标成分为Ti-6Al-4V-0.09O的TC4钛合金铸锭，将钛合金铸锭在温度为1050℃的加热炉中保温220min，在锻造机上进行板坯锻造，终锻温度不低于980℃，得到轧制用坯料；所得坯料尺寸为90mm×300mm×600mm，坯料厚度方向的总变形量不小于70％；
步骤二，将所得坯料在温度900℃的加热炉中保温120min，在轧机上进行开坯轧制，轧程数为一次，得到厚度为14mm的板坯；
步骤三，将所得板坯剪切后，在温度为β相变点之上40℃的加热炉中保温80min，水淬至100℃以下；
步骤四，将所得板坯表面修磨后，在温度900℃的加热炉中保温80min，轧制得到厚度为2.5mm的坯料，轧程数为一次，变形量为82％；
步骤五，将所得坯料剪切后，3片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为10:1；
步骤六，将所得包覆轧制包在温度为800℃的加热炉中保温80min，轧制得到厚度为0.8mm的坯料，轧程数为一次，变形量为68％；
步骤七，将所得坯料剪切后，3片一组，组焊后用钢板包覆表面，制成包覆轧制包，钢板与每片钛合金坯料的厚度比为10:1；
步骤八，将所得包覆轧制包在温度800℃的加热炉中保温90min，垂直于步骤六中的轧制方向，轧制得到厚度为0.42mm的坯料，轧程数为一次，总变形量48％；
步骤九，将所得坯料经过800℃，120min，炉冷的退火处理、蠕变校形、碱酸洗和砂光后，获得厚度为0.4mm的板材；
步骤十，将所得板材剪切后，送入六辊可逆轧机中进行4次冷轧，每轧程总变形量15％，中间过程每轧程之间必须进行700℃，90min的真空退火热处理，最终得到厚度为0.2mm的轧制态箔材；
步骤十一，将轧制态的箔材，放入真空炉中进行800℃，60min的真空退火热处理，获得厚度为0.2mm的成品箔材。
本实施例制备的厚度为0.2mm的TC4钛合金箔材，其平均晶粒尺寸2.5μm，室温抗拉强度：950MPa，延伸率13.0％，400℃抗拉强度为620MPa，箔材厚度偏差±0.015mm。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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