一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金热轧板材的短流程制备方法
阅读说明：本技术 一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金热轧板材的短流程制备方法 (Short-process preparation method of Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy hot rolled plate ) 是由 张玉勤 张关梅 邓亚杰 蒋业华 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo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-Nb-Zr-Mo合金扁锭,5)加热至950～1050℃,保温6～7h,送入轧机上进行一火8道次轧制,6)加热至940～965℃,保温2～3h,送入轧机上进行二火7道次轧制,7)加热至920～930℃,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-Nb-Zr-Mo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%。(The invention relates to a short-process preparation method of a Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy hot rolled plate, which is characterized by comprising the following steps: 1) preparing materials, 2) mixing and briquetting, 3) charging into an electron beam gun EB furnace, 4) carrying out vacuum melting to obtain a Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy slab ingot, 5) heating to 950-1050 ℃, preserving heat for 6-7 h, feeding into a rolling mill for carrying out rolling for 8 times with one fire, 6) heating to 940-965 ℃, preserving heat for 2-3 h, feeding into the rolling mill for carrying out rolling for 7 times with two fire, 7) heating to 920-930 ℃, preserving heat for 1-2 h, feeding into the rolling mill for carrying out rolling for 6 times with three fire, 8) preserving heat for 1-3 h at 860-910 ℃ for annealing, cooling to room temperature, and then carrying out coping, pickling, straightening and shearing treatment to obtain the Ti-Al-Nb-Zr-Mo alloy plate. By shortening the manufacturing process flow, the comprehensive yield of the hot rolled plate is improved to about 80%, and the processing cost is reduced by 20-30%.)
技术领域
本发明涉及一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo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
Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金（即TA31钛合金）不仅密度低、比强度高、塑性好、耐蚀性强，而且还具有耐海水冲刷、无磁性、高应力腐蚀断裂韧性与冲击韧性及可焊性等优良性能，特别是其突出的耐海水性能和耐海洋大气腐蚀性能，是制造潜艇、舰船、鱼雷、深潜器壳体以及海洋石油钻井平台、海洋工程装备、离岸设施等领域的优异轻型板材，具有广阔的应用前景。
现有制备TA31钛合金热轧板材的工艺流程如下：先将海绵钛与合金原料进行混料，而后压制、焊接成电极，经2～3次真空自耗电弧炉（VAR）熔炼成扁锭，然后将扁锭进行锻造、开坯加工，最后再进行热轧，从而制备出不同规格和用途的板材。上述工艺存在流程长、综合成材率低、加工成本高等缺点，导致板材制造成本居高不下，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
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-Nb-Zr-Mo合金热轧板材的短流程制备方法。
本发明通过下列技术方案实现：一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo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：
铝铌合金 5.7～6.3 wt.%
铝豆 4.05～4.77 wt.%
海绵锆 1.5～2.5 wt.%
铝钼合金 1.5 ～1.7 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，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；
（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5.3～6.0A，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-Nb-Zr-Mo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950～1050℃，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940～965℃，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920～930℃，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53～77%，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-Nb-Zr-Mo合金板材。
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-Nb-Zr-Mo合金扁锭表面，风干后再送入加热炉中。
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%。
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%。
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%。
所述步骤（8）得到的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金板材成分为：Al：5.5～6.5wt.%，Nb：2.5～3.5 wt.%，Zr：1.5～2.5 wt.%, Mo：0.6～1.5 wt.%，余量为Ti。
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-Nb-Zr-Mo合金板材，不仅组织和成分均匀、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，所得热轧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
图1为本发明工艺流程图。
图2为本发明实施例1所得板材金相组织图。
图3为本发明实施例2所得板材金相组织图。
图4为本发明实施例3所得板材金相组织图。
图5为本发明实施例1所得板材力学性能图。
图6为本发明实施例2所得板材力学性能图。
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
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-Nb-Zr-Mo合金热轧板材的短流程制备方法，包括下列各步骤：
（1）按下列质量比配料：
铝铌合金 6.3 wt.%
铝豆 4.05 wt.%
海绵锆 1.5 wt.%
铝钼合金 1.5 wt.%
海绵钛 86.65 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120℃烘干5h，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；
（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，将压块料推入熔炼区，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-Nb-Zr-Mo合金扁锭；
（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56.0%，得厚度为88mm的一火轧板；
（6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至940℃，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；
（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；
（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-Nb-Zr-Mo合金板材，其中：
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；
得到的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金板材成分为：Al：5.5wt.%，Nb：2.5 wt.%，Zr：2.5wt.%，Mo：0.6 wt.%，余量为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/% 1 885 798 11.9 2 902 789 11.7 3 891 801 12.3 4 893 794 11.9 5 900 795 11.3 6 899 803 11.7 平均值 895.0 796.7 11.8
金相组织见图2。
实施例2
一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金热轧板材的短流程制备方法，包括下列各步骤：
（1）按下列质量比配料：
铝铌合金 5.9 wt.%
铝豆 4.45 wt.%
海绵锆 2.0 wt.%
铝钼合金 1.6 wt.%
海绵钛 86.05 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℃烘干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；
（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，将压块料推入熔炼区，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-Nb-Zr-Mo合金扁锭；
（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；
（6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至950℃，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；
（7）将步骤（6）的二火轧板送入加热炉中，加热至925℃，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22.7%、23.5%、23.1%、20.0%、18.8%、7.7%，轧程变形率为72.7%，得厚度为6mm的三火轧板；
（8）将步骤（7）的热轧板在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-Nb-Zr-Mo合金板材，其中：
酸洗用的是含氢氟酸水溶液，该溶液配比为：18%的HNO3+12%的Na2NO3+5%的HF+余量水，以防钛合金吸氢；
得到的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金板材成分为：Al：6.2wt.%，Nb：3.0 wt.%，Zr：1.98wt.%，Mo：1.02 wt.%，余量为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/% 1 900 790 12.3 2 895 801 11.8 3 907 793 11.5 4 909 803 11.9 5 897 808 12.3 6 892 800 11.7 平均值 900.0 799.2 11.9
金相组织见图3。
实施例3
一种Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金热轧板材的短流程制备方法，包括下列各步骤：
（1）按下列质量比配料：
铝铌合金 5.7 wt.%
铝豆 4.77 wt.%
海绵锆 2.5 wt.%
铝钼合金 1.7 wt.%
海绵钛 85.33 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℃烘干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；
（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，将压块料推入熔炼区，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-Nb-Zr-Mo合金扁锭；
（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1050℃，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；
（6）将步骤（5）的一火轧板送入加热炉中，加热至965℃，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%、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；
（7）将步骤（6）的二火轧板送入加热炉中，加热至930℃，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；
（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-Nb-Zr-Mo合金板材，其中：
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；
得到的Ti-Al-Nb-Zr-Mo合金板材成分为：Al：6.13wt.%，Nb：3.06 wt.%，Zr：2.00wt.%，Mo：0.98 wt.%，余量为Ti；
力学性能见表3、图7：
表3
试样编号 R<sub>m</sub>/MPa R<sub>p0.2</sub>/MPa A/% 1 899 805 12.3 2 903 801 12 3 900 808 11.9 4 905 810 12.1 5 908 804 12.5 6 902 800 12.3 平均值 902.8 804.7 12.2
金相组织见图4。
由表1、2、3和图5、6、7可知，经力学性能检测，各处的力学性能均能达到要求。
从图2、3、4可知，金相组织为等轴组织。
综上所述，三个实施例所得力学性能，均高于现有设备技术即多次VAR熔炼的铸锭、锻造后轧制所得热轧板材的力学性能，Rm≥880MPa，Rp0.2≥780MPa，A≥11%，且取得高效短流程低成本的技术效果。
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。
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