一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法
阅读说明：本技术 一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法 (Short-process preparation method of Ti-Al-V-Fe alloy seamless tube ) 是由 张玉勤 蒋业华 邓亚杰 张关梅 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法,其特征在于包括下列各步骤：1)备料,2)混料、压块,3)将料放于电子束枪EB炉内,4)真空熔炼得Ti-Al-V-Fe合金圆锭,5)在锭的两端打定心孔、送二辊斜轧机斜轧穿孔,6)送三辊连轧机连轧,7)加热定径得无缝管材,8)退火处理得Ti-Al-V-Fe合金无缝管。其金相组织均匀、高低密度夹杂少、高纯净,且工艺流程短,力学性能优于现有技术水平,综合成材率提高到85%以上,生产成本降低20～30%,具有明显的市场应用前景。(The invention provides a short-process preparation method of a Ti-Al-V-Fe alloy seamless tube, which is characterized by comprising the following steps of: 1) preparing materials, 2) mixing and briquetting, 3) putting the materials into an electron beam gun EB furnace, 4) carrying out vacuum melting to obtain a Ti-Al-V-Fe alloy round ingot, 5) punching centering holes at two ends of the ingot, carrying out oblique rolling and perforation by a two-roll oblique rolling machine, 6) carrying out continuous rolling by a three-roll continuous rolling machine, 7) carrying out heating and sizing to obtain a seamless pipe, and 8) carrying out annealing treatment to obtain the Ti-Al-V-Fe alloy seamless pipe. The method has the advantages of uniform metallographic structure, less high-low density impurities, high purity, short process flow, mechanical property superior to the prior art, comprehensive yield increased to over 85 percent, production cost reduced by 20-30 percent, and obvious market application prospect.)
技术领域
本发明涉及一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法，属于有色金属轧制技术领域。
背景技术
Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金是在Ti-6Al-4V合金基础上开发的一种低成本α+β双相型中高强度钛合金，其力学性能不仅与Ti-6Al-4V合金相当，而且具有良好的塑韧性，既可进行热加工又能进行冷加工，可加工出板材、带材、管材、棒材等多种形式的产品，同时由于该合金使用廉价的Fe元素替代了部分昂贵的V元素，合金成本得到降低。因此，在航空航天、海洋工程、化工、电力等领域具有广阔的应用前景。
但现有技术制备Ti-Al-V-Fe合金无缝管是，通常采用以下工艺流程：首先将海绵钛与合金原料进行混料后压制、焊接成电极，经2～3次真空自耗电弧炉（VAR）熔炼成圆锭，然后将圆锭进行锻造加工，再进行钻孔挤压或斜轧穿孔，最后通过轧制、拉拔、旋压等方法制备出不同规格和用途的成品管材。因此工艺流程长、综合成材率低、难以获得超长管材，导致管材成本居高不下，应用受到极大限制。因此，有必要对现有技术加以改进。
发明内容
为克服现有Ti-Al-V-Fe钛合金无缝管制备方法存在的上述不足，本发明提供一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法，其特征在于包括下列各步骤：
（1）按下列质量比备料：
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
上述各组分总和为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后，于100～120℃烘干5～6h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料铺放在装有七杆电子枪的EB炉的冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉进料区；
（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，将进料区的压块料推入熔炼区，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5.3～6A，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12～18mm/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合金圆锭；
（5）在步骤（4）的Ti-Al-V-Fe合金圆锭两端打定心孔，送入加热炉加热至1100～1200℃，保温6～8h，送入二辊斜轧机上进行斜轧穿孔，并控制：总压下率为10～15%、顶前压下率为6～8%、椭圆度系数为1.11～1.18、穿孔速度为0.18～0.42m/s、温度为1080～1120℃，得穿孔管材；
（6）将步骤（5）的穿孔管材送入三辊连轧机上进行连轧，并控制：总压下率为12～18%、椭圆度系数为1.05～1.15、穿孔速度为0.5～1m/s、温度为900～950℃，得连轧管材；
（7）将步骤（6）的连轧管材送入加热炉中，加热至800～900℃后，送入定径机上进行定径，同时控制定径速率为0.6～1m/s，得无缝管材；
（8）将步骤（7）的无缝管材于850℃～900℃℃温度下退火2～3h，冷却至室温，得Ti-Al-V-Fe合金无缝管。
所述步骤（5）中，Ti-Al-V-Fe合金圆锭加热完毕后，在进入斜轧机前需要在靠近顶头的一端涂抹玻璃粉润滑剂，同时在定心孔内塞入用锡纸包裹的玻璃粉润滑剂，以防止穿孔过程中管材内壁产生缺陷。
所述步骤（8）的Ti-Al-V-Fe合金无缝管的成分为：Al：3.5wt.%～4.5wt.%，V：2.0wt.%～3.0 wt.%，Fe：1.2 wt.%～1.8 wt.%,O:0.2 wt.%～0.3 wt.%，其余为Ti。
本发明具有下列优点和有益效果：采用上述技术方案获得的Ti-Al-V-Fe合金无缝管，其成分和组织均匀、高低密度夹杂少、高纯净，且在加工过程中无需进行锻造，直接将熔炼后的铸锭送入二辊斜轧穿孔机上制备出穿孔无缝管材，再经三辊连轧、定径、退火即得产品，不仅缩短了该钛合金无缝管的工艺流程，而且力学性能优于现有技术制备的水平。本发明工艺简单、操作方便，工艺流程短，使无缝管的综合成材率提高到85%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
图1为本发明工艺流程图。
图2为本发明实施例1所得管材金相组织图。
图3为本发明实施例2所得管材金相组织图。
图4为本发明实施例3所得管材金相组织图。
图5为本发明实施例1所得管材的力学性能图。
图6为本发明实施例2所得管材的力学性能图。
图7为本发明实施例3所得管材的力学性能图。
具体实施方式
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。
实施例1
一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法，其特征在于包括下列各步骤：
（1）按下列质量比备料：
铝钒中间合金 4.5 wt.%
铝豆 3.5 wt.%
高纯铁 1.2 wt.%
钛白粉 0.1 wt.%
海绵钛 90.7 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后，于100℃烘干6h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料铺放在装有七杆电子枪的EB炉的冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉进料区；
（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100min后，关闭电子枪，冷却20min后，将进料区的压块料推入熔炼区，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合金圆锭；
（5）在步骤（4）的Ti-Al-V-Fe合金圆锭两端打定心孔后，送入加热炉加热至1100℃，保温8h，加热完毕后，在进入斜轧机前需要在靠近顶头的一端涂抹玻璃粉润滑剂，同时在定心孔内塞入用锡纸包裹的玻璃粉润滑剂，以防止穿孔过程中管材内壁产生缺陷。之后送入二辊斜轧机上进行斜轧穿孔，并控制：总压下率为10%、顶前压下率为6%、椭圆度系数为1.11、穿孔速度为0.18m/s、温度为1080℃，得穿孔管材；
（6）将步骤（5）的穿孔管材送入三辊连轧机上进行连轧，并控制：总压下率为12%、椭圆度系数为1.05、穿孔速度为0.5m/s、温度为900℃，得连轧管材；
（7）将步骤（6）的连轧管材送入加热炉中，加热至800℃后，送入定径机上进行定径，同时控制定径速率为0.6m/s，得无缝管材；
（8）将步骤（7）的无缝管材于850℃温度下退火3h，冷却至室温，得Ti-Al-V-Fe合金无缝管；
该Ti-Al-V-Fe合金无缝管的成分为：Al：4.05wt.%，V：2.38wt.%，Fe：1.47wt.% ,O:0.25 wt.%，其余为Ti；
力学性能见表1、图5：
表1
试样编号
R<sub>m</sub>/MPa
R<sub>p0.2</sub>/MPa
A/%
1
910.3
853.2
10.56
2
912.5
855.2
10.46
3
910.2
853.2
10.36
4
910.4
850.3
10.33
5
913.2
853.6
10.46
6
912.2
855.2
10.36
平均值
911.5
853.5
10.43
经力学性能检测，退火态无缝管各处的力学性能均能达到要求，获得的无缝管尺寸为Ф180×12×11452mm（外径×壁厚×长度）。
实施例2
一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法，其特征在于包括下列各步骤：
（1）按下列质量比备料：
铝钒合金 4.7 wt.%，
高纯铁 1.6 wt.%，
铝豆 3.75 wt.%，
钛白粉 0.13 wt.%，
海绵钛 89.82 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后，于120℃烘干5h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料铺放在装有七杆电子枪的EB炉的冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉进料区；
（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120min后，关闭电子枪，冷却40min后，将压块料推入熔炼区，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30.5KV，1～2号电子枪电流为3.0A，3～4号电子枪电流为6A，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18mm/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合金圆锭；
（5）在步骤（4）的Ti-Al-V-Fe合金圆锭两端打定心孔后，送入加热炉加热至1150℃，保温7h，加热完毕后，在进入斜轧机前需要在靠近顶头的一端涂抹玻璃粉润滑剂，同时在定心孔内塞入用锡纸包裹的玻璃粉润滑剂，以防止穿孔过程中管材内壁产生缺陷。之后送入二辊斜轧机上进行斜轧穿孔，并控制：总压下率为12%、顶前压下率为7%、椭圆度系数为1.16、穿孔速度为0.3m/s、温度为1100℃，得穿孔管材；
（6）将步骤（5）的穿孔管材送入三辊连轧机上进行连轧，并控制：总压下率为15%、椭圆度系数为1.10、穿孔速度为0.8m/s、温度为925℃，得连轧管材；
（7）将步骤（6）的连轧管材送入加热炉中，加热至850℃后，送入定径机上进行定径，同时控制定径速率为0.8m/s，得无缝管材；
（8）将步骤（7）的无缝管材于875℃温度下退火2.5h，冷却至室温，得Ti-Al-V-Fe合金无缝管；
该Ti-Al-V-Fe合金无缝管的成分为：Al：4.13wt.%，V：2.48wt.%，Fe：1.62wt.% ,O:0.27 wt.%，其余为Ti；
力学性能见表2、图6：
表2
试样编号
R<sub>m</sub>/MPa
R<sub>p0.2</sub>/MPa
A/%
1
912.2
843.9
10.61
2
909.9
840.2
10.53
3
920.3
845.2
10.96
4
915.2
840.3
10.64
5
912.6
846.1
11.03
6
915.3
840.2
10.96
平均值
914.3
842.7
10.78
经力学性能检测，各处的力学性能均能达到要求，获得的无缝管尺寸为Ф180×12×10765mm（外径×壁厚×长度）。
实施例3
一种Ti-Al-V-Fe合金无缝管的短流程制备方法，其特征在于包括下列各步骤：
（1）按下列质量比备料：
铝钒合金 5 wt.%，
高纯铁 1.8 wt.%，
铝豆 3.98 wt.%，
钛白粉 0.15 wt.%，
海绵钛 89.07 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后，于110℃烘干5h，随炉冷却，得压块料；
（3）将步骤（2）的散装料铺放在装有七杆电子枪的EB炉的冷床内，再将步骤（2）的适量压块料放入该EB炉进料区；
（4）在真空度为2.5×10-3torr时，开启1～5号电子枪对冷床内的散装料进行熔炼，控制1～5号电子枪的电压均为30KV，电流均为3.8A，熔炼110min后，关闭电子枪，冷却30min后，将压块料推入熔炼区，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30KV，1～2号电子枪电流为2.8A，3～4号电子枪电流为5.8A，5号电子枪电流为4.1A，6～7号电子枪电流为1.9A，同时保持16mm/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90℃，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合金圆锭；
（5）在步骤（4）的Ti-Al-V-Fe合金圆锭两端打定心孔后，送入加热炉加热至1200℃，保温6h。加热完毕后，在进入斜轧机前需要在靠近顶头的一端涂抹玻璃粉润滑剂，同时在定心孔内塞入用锡纸包裹的玻璃粉润滑剂，以防止穿孔过程中管材内壁产生缺陷。之后送入二辊斜轧机上进行斜轧穿孔，并控制：总压下率为15%、顶前压下率为8%、椭圆度系数为1.15、穿孔速度为0.42m/s、温度为1120℃，得穿孔管材；
（6）将步骤（5）的穿孔管材送入三辊连轧机上进行连轧，并控制：总压下率为18%、椭圆度系数为1.15、穿孔速度为1m/s、温度为950℃，得连轧管材；
（7）将步骤（6）的连轧管材送入加热炉中，加热至900℃后，送入定径机上进行定径，同时控制定径速率为1m/s，得无缝管材；
（8）将步骤（7）的无缝管材于900℃温度下退火1h，冷却至室温，得Ti-Al-V-Fe合金无缝管；
该Ti-Al-V-Fe合金无缝管的成分为：该Ti-Al-V-Fe合金无缝管的成分为：Al：4.29wt.%，V：2.61wt.%，Fe：1.58wt.% ,O:0.25 wt.%，其余为Ti；
力学性能为见表3、图7：
表3
试样编号
R<sub>m</sub>/MPa
R<sub>p0.2</sub>/MPa
A/%
1
910.1
840.6
10.26
2
908.2
841.2
11.04
3
911.7
836.2
10.75
4
910.2
840.2
10.54
5
916.2
842.3
10.98
6
910.1
846.2
10.53
平均值
910.8
840.9
10.69
经力学性能检测，各处的力学性能均能达到要求，获得的无缝管尺寸为Ф180×12×12542mm（外径×壁厚×长度）。
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，三个实施例均为片层状组织，且有大量的α相集束相互交错。
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无缝管的力学性能（如表4所示），三个实施例的力学性能，均优于表4现有技术得到的无缝管性能。
Ti-Al-V-Fe合金传统工艺下的无缝管性能见表4
表4
合金
R<sub>m</sub>/MPa
R<sub>p0.2</sub>/MPa
A/%
Ti-Al-V-Fe
827~965
758~896
6~16
以上所述，仅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。
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