一种两相钛合金圆棒低成本高效制备方法与流程

本发明属于钛合金材料制备方法技术领域，具体涉及一种两相钛合金圆棒低成本高效制备方法。

背景技术：

钛合金具有低密度、低模量、生物相容性、优异的耐腐蚀性、高的比强度，尤其是两相钛合金，具有高强度、高塑性的特点，被广泛应用于生物医疗领域的外科植入物，以及航空航天的发动机零部件原材料。这两个领域对于钛合金原材料的技术要求非常高，因长期服役在复杂的工况下，要求两相钛合金具有均匀细小的等轴晶粒，一般要求达到iso20160规定的a1-a5水平，以获得高强高韧、及高疲劳寿命的性能指标。

目前，医疗及航天航空领域高端应用领域，最常用钛合金材料均为两相钛合金，如：tc4、tc6、tc11、tc17，两相钛合金因其具有高强度高塑性韧性的综合机械性能，有效保障了医疗和航空航天结构件和零部件的服役安全可靠性和使用寿命。主要材料规格为中规格φ50-100mm圆棒。传统制造工艺路线从铸锭开始，通过6-7个火次镦拔锻造，细化组织晶粒度及均匀性，最后通过1个火次精锻成型加工，精锻目的为圆棒直径尺寸成型，对组织改善基本没有影响和贡献，这种传统加工方式虽是一种可靠的加工路线，但工艺流程复杂，锻造工序火次多、成本高、效率低，大大增加了钛合金材料的直接成本和生产工期，也限制了产能。

因此，寻求一种既能可靠保证产品品质、又能提升生产效率降低成本的加工工艺路线，对于高端领域应用的高性能两相钛合金圆棒批量化生产，意义重大。

技术实现要素：

为了解决当前高性能要求的两相钛合金中规格圆棒锻造加工路线长、物料损失多、成本高、效率低的问题，本发明提供了一种两相钛合金圆棒低成本高效制备方法，本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种两相钛合金圆棒低成本高效制备方法，包括以下步骤：

步骤1，一火锻造：

取柱状锭坯置于箱式电阻炉中，加热、并镦粗拔长锻造，重复镦粗拔长锻造三次后，得到正长方体锭坯，锻压所述正长方体锭坯的长向四条棱，得到横截面为正八边形的八棱柱锭坯；空冷所述八棱柱锭坯，得到第一锻坯；其中所述箱式电阻炉的加热温度范围为1100℃-1150℃、保温时间为300min-360min，所述镦拔锻造的温度大于850℃；

步骤2，二火锻造：

对所述第一锻坯进行打磨，去除所述第一锻坯表面的氧化皮，将打磨后的所述第一锻坯置于箱式电阻炉中加热、并二次并镦粗拔长锻造，重复并镦粗拔长锻造三次后，取出空冷，得到第二锻坯，其中，所述第二锻坯的横截面为正八边形；其中，锻坯加热温度为钛合金相变温度tβ以下10℃-20℃、保温时间为200min-220min，所述二次镦拔锻的温度大于800℃；

步骤3，三火锻造：

对所述第二锻坯进行打磨，去除所述第二锻坯表面的氧化皮，将打磨后的所述第二锻坯置于箱式电阻炉中加热、并三次镦粗拔长锻造，重复三次镦粗拔长锻造两次后，再回炉加温进行均温，取出拔长，并锻造开方，对锻造开方后的第二锻坯进行水冷，得到第三锻坯，所述第三锻坯的横截面为正四边形；其中，锻坯加热温度为钛合金相变温度tβ以下20℃-30℃、保温时间为200min-220min，所述三次镦拔锻造的温度的温度大于800℃；

步骤4，四火轧制：

打磨所述第三锻坯，去除所述第三锻坯表面的氧化皮，将去除氧化皮的第三锻坯置于箱式电阻炉中，加热、沿长向拔长轧制，取出后空冷，得到圆棒坯；其中，所述轧制的加热温度为钛合金相变温度tβ以下30℃-50℃、保温时间为90min-120min，所述轧制的温度高于750℃；

步骤5，热处理：

将所述圆棒坯置于箱式电阻炉中加热，取出后空冷，并余温七辊矫直，得到热处理态的圆棒坯；

步骤6，机加成品棒材：

对所述热处理态的圆棒坯进行表面车削、校直、锯切及抛光加工、除掉氧化皮，得到圆棒成品；机加圆棒成品，使所述圆棒成品达到预设尺寸停止，其中，所述预设尺寸为所述圆棒成品的直径范围为：50mm-100mm，所述圆棒成品的长度范围1000mm-3000mm。

可选的，所述柱状锭坯为经三次真空自耗熔炼的两相钛合金锭坯，所述柱状锭坯重量范围为2800kg-3200kg，柱状锭坯横截面直径590mm-610mm；锯切所述柱状锭坯，得到复数个柱状锭坯段，各所述柱状锭坯段的长度范围为490-510mm。

可选的，在所述镦粗拔长锻造中，拔长锻造后的所述正长方体锭坯的横截面的边长范围为420mm-430mm；拔长锻造后的所述正长方体锭坯的长度范围为760mm-780mm；镦粗锻造后的所述正长方体锭坯的横截面的边长范围为560mm-570mm，镦粗锻造后的所述正长方体锭坯的长度范围为430mm-450mm。

可选的，所述第一锻坯的横截面的边长边长范围为150mm-160mm，第一锻坯的长度范围为585mm-620mm。

可选的，在所述二次镦粗拔长锻造中，镦粗锻造所述第一锻坯后，横截面的边长范围为180mm-190mm，镦粗锻造后的所述第一锻坯的长度范围为410mm-430mm；拔长锻造所述第一锻坯后，横截面的边长范围为150mm-160mm，拔长锻造后的第一锻坯的长度范围为585mm-620mm。

可选的，在所述三次镦粗拔长锻造中，镦粗锻造后的所述第二锻坯的横截面的长度范围为180mm-190mm，镦粗锻造后的所述第二锻坯的长度范围为410mm-430mm；拔长锻造后的所述第二锻坯的横截面的边长范围为150mm-160mm，拔长锻造后的所述第二锻坯的长度范围为585mm-620mm。

可选的，所述回炉加温的时间为90min-120min，所述锻造开方后的第二锻坯的横截面的长度范围为120mm-150mm，所述锻造开方后的第二锻坯的长度范围为1000mm-1500mm。

可选的，所述圆棒坯的直径范围为55mm-105mm，所述圆棒坯的变形量范围为60％-85％。

可选的，将所述圆棒坯置于箱式电阻炉中加热的加热温度范围为700℃-800℃，加热时间范围为90min-120min。

本发明的有益效果是：本发明一种两相钛合金圆棒制备方法中的三次锻造根据锭坯实测相变点tβ，按照“相变点tβ以上、相变点tβ以下、相变点tβ以下”三个火次由高到低的加热温度、多向热塑性锻造变形，且相变点以下两个火次均采用横截面正八边形的锻造，这一锻造方式规避了传统横截面正四方形锻造坯料棱角快速降温带来的严重开裂，及横截面正四边形锻造产生变形死区所致组织不均匀的弊端，更利于获取锻造组织均匀性；三个火次锻造后，在相变点tβ以下一个火次单向大变形轧制，实现晶粒的充分破碎、等轴。相变点tβ以下的多边形多向镦拔锻造及大变形的轧制获得均匀等轴α+β两相加工组织，改善圆棒横截面组织均匀性，并能有效减少锻造火次，减少锻造的表面开裂缺陷，减少物料无形损耗，提高加工工艺性及成材率，降低生产成本，压缩生产周期，提高生产效率及产能，更加符合工业化批量生产要求。

附图说明

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明实施例提供的一种两相钛合金圆棒低成本高效制备方法流程图；

图2是本发明实施例2、3中锻造坯料横截面边长为120mm横截面的金相形貌图；

图3是本发明实施例4、5中锻造坯料横截面边长为150mm横截面的金相形貌图；

图4是本发明实施例2中成品圆棒ф50mm横截面的金相形貌图；

图5是本发明实施例3中成品圆棒ф60mm横截面的金相形貌图；

图6是本发明实施例4中成品圆棒ф65mm横截面的金相形貌图；

图7是本发明实施例5中成品圆棒ф100mm横截面的金相形貌图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

请参见图1-图7。本发明实施例提供了一种两相钛合金圆棒低成本高效制备方法，包括以下步骤：

步骤1，一火锻造：

取柱状锭坯置于箱式电阻炉中，加热、进行反复三次的镦拔锻造，最后一个镦拔后，锻压长向四条棱，随即取出空冷，得到横截面为正八边形的长方体状第一锻坯。

其中锭坯为经三次真空自耗熔炼的两相钛合金锭坯，锭坯重量为2800kg-3200kg，锭坯横截面直径590mm-610mm、锭坯锯切成若干等分，锯切后长度490-510mm，单块锭坯重量约650kg。

锭坯加热温度为1100℃-1150℃、保温时间为300min-360min，终锻温度均不小于850℃。

每次拔长锻造后锻坯均呈横截面为正四边形的长方体状，横截面正四边形边长为420mm-430mm，长方体长度为760mm-780mm；每次镦粗锻造后锻坯均呈横截面为正四边形的长方体状，横截面正四边形边长为560mm-570mm，长方体长度为430mm-450mm。以上镦拔锻造动作反复进行三次。最后一次进行完成后，直接进行拔长锻造，并锻压长向四条棱，长方体的尺寸为：横截面正八边形边长为150mm-160mm，长方体长度为1170mm-1240mm。长度方向中分为585mm-620mm。

步骤2，二火锻造：

取步骤1得到的第一锻坯，打磨干净其表面的氧化皮，并置于箱式电阻炉中，加热、进行反复三次的镦拔锻造，取出后空冷即得到横截面为正八边形的长方体状第二锻坯。

锻坯加热温度为钛合金相变温度tβ以下10℃-20℃、保温时间为200min-220min，终锻温度均不小于800℃。

每次镦粗锻造后锻坯均呈横截面为正八边形的长方体状，横截面正八边形边长为180mm-190mm，长方体长度为410mm-430mm。每次拔长锻造后锻坯均呈横截面为正方形的长方体状，横截面正八边形边长为150mm-160mm，长方体长度为585mm-620mm。以上镦拔锻造动作反复进行三次。

步骤3，三火锻造：

取步骤2得到的第二锻坯，打磨干净其表面的氧化皮，并置于箱式电阻炉中，加热、进行反复两次的镦拔锻造，再回炉加温均温后，取出拔长锻造开方，水冷，即得到横截面为正四边形的长方体状第三锻坯。

锻坯加热温度为钛合金相变温度tβ以下20℃-30℃、保温时间为200min-220min，终锻温度均不小于800℃。

每次镦粗锻造后锻坯均呈横截面为正八边形的长方体状，横截面正八边形边长为180mm-190mm，长方体长度为410mm-430mm。每次拔长锻造后锻坯均呈横截面为正方形的长方体状，横截面正八边形边长为150mm-160mm，长方体长度为585mm-620mm。以上镦拔锻造动作反复进行两次。最后一次镦拔锻造完成后，回炉加热保温90min-120min，出炉后进行单相拔长锻造方坯，方坯横截面为正四边形，边长为120mm-150mm，方坯下断长度1000mm-1500mm。

步骤4，四火轧制：

取步骤3得到的第三锻坯，打磨干净其表面的氧化皮，置于箱式电阻炉中，加热、沿长向拔长轧制，取出后空冷，即得到圆棒坯。

轧制加热温度为钛合金相变温度tβ以下30℃-50℃、保温时间为90min-120min，终轧温度均不小于750℃。

沿长向拔长轧制成圆棒坯，圆棒坯直径为55mm-105mm。轧制变形量须控制在60％-85％范围内。

步骤5，热处理：

取步骤4得到的圆棒坯，置于箱式电阻炉中，加热，取出后空冷，并余温七辊矫直，即得到热处理态的圆棒坯。圆棒坯热处理加热温度700℃-800℃、保温时间为90min-120min，热处理出炉后空冷。

步骤6，机加成品棒材：

取步骤5得到的圆棒坯，对其表面车削、校直、锯切及抛光加工、除掉氧化皮，即得到圆棒成品。机加圆棒直径50mm-100mm，长度1000mm-3000mm。

实施例2

取ф590×505锭坯，锭坯实测相变点tβ＝995℃，置于箱式电阻炉中，进行第一火锻造加工：先锻造成(420×420×780)mm的方坯，再经过(420×420×780)mm→(560×560×438)mm的三镦三拔锻造，锭坯加热温度1150℃，保温时间340min，最后一次镦拔锻造完成后，直接进行拔长锻造，并锻压长向四条棱，长方体的尺寸为：横截面正八边形边长为152mm，长方体长度为1240mm，终锻温度885℃，锻后空冷，长度方向中分为620mm，得到(八边形152×620)mm的第一锻坯。

将第一锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第二火锻造加工：经过(八边形152×620)mm→(八边形183×428)mm的三镦三拔锻造，锻坯加热温度980℃，保温时间210min，终锻温度835℃，锻后空冷，得到(八边形152×620)mm的第二锻坯。

将第二锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第三火锻造加工：经过(八边形152×620)mm→(八边形183×428)mm的两镦两拔锻造，锻坯加热温度970℃，保温时间210min，最后一次镦拔锻造完成后，回炉加热保温120min，出炉后进行单相拔长锻造方坯，终锻温度820℃，锻后空冷，得到横截面为正四边形，边长为120mm，方坯下断长度1200mm。锻造坯料□120mm横截面的金相形貌如图1所示。

将第三锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第四火轧制加工：将边长为120mm、长度1200mm的方坯，沿长向拔长轧制成直径为55mm圆棒坯。轧制变形量约84％。轧制加热温度955℃，保温时间为90min，终轧温度均775℃。

将直径为55mm圆棒坯置于箱式电阻炉中，加热，取出后空冷，并余温七辊矫直，即得到热处理态的圆棒坯。圆棒坯热处理加热温度750℃、保温时间为90min，热处理出炉后空冷。

对退火矫直后的55mm圆棒坯，进行表面车削、校直、锯切及抛光加工、除掉氧化皮，得到直径50mm、长度2850mm的成品圆棒。成品圆棒ф50mm横截面的金相形貌如图3所示。

实施例3

取ф595×510锭坯，锭坯实测相变点tβ＝988℃，置于箱式电阻炉中，进行第一火锻造加工：先锻造成(430×430×767)mm的方坯，再经过(430×430×767)mm→(565×565×444)mm的三镦三拔锻造，锭坯加热温度1130℃，保温时间340min，最后一次镦拔锻造完成后，直接进行拔长锻造，并锻压长向四条棱，长方体的尺寸为：横截面正八边形边长为156mm，长方体长度为1210mm，终锻温度870℃，锻后空冷，长度方向中分为605mm，得到(八边形156×605)mm的第一锻坯。

将第一锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第二火锻造加工：经过(八边形156×605)mm→(八边形188×417)mm的三镦三拔锻造，锻坯加热温度970℃，保温时间200min，终锻温度835℃，锻后空冷，得到(八边形156×605)mm的第二锻坯。

将第二锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第三火锻造加工：经过(八边形156×605)mm→(八边形188×417)mm的两镦两拔锻造，锻坯加热温度960℃，保温时间200min，最后一次镦拔锻造完成后，回炉加热保温115min，出炉后进行单相拔长锻造方坯，终锻温度820℃，锻后空冷，得到横截面为正四边形，边长为120mm，方坯下断长度1220mm。锻造坯料□120mm横截面的金相形貌如图1所示。

将第三锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第四火轧制加工：将边长为120mm、长度1220mm的方坯，沿长向拔长轧制成直径为65mm圆棒坯。轧制变形量约77％。轧制加热温度945℃，保温时间为100min，终轧温度均762℃。

将直径为65mm圆棒坯置于箱式电阻炉中，加热，取出后空冷，并余温七辊矫直，即得到热处理态的圆棒坯。圆棒坯热处理加热温度770℃、保温时间为100min，热处理出炉后空冷。

对退火矫直后的65mm圆棒坯，进行表面车削、校直、锯切及抛光加工、除掉氧化皮，得到直径60mm、长度2600mm的成品圆棒。成品圆棒ф60mm横截面的金相形貌如图4所示。

实施例4

取ф605×490锭坯，锭坯实测相变点tβ＝992℃，置于箱式电阻炉中，进行第一火锻造加工：先锻造成(425×425×780)mm的方坯，再经过(425×425×780)mm→(565×565×440)mm的三镦三拔锻造，锭坯加热温度1140℃，保温时间350min，最后一次镦拔锻造完成后，直接进行拔长锻造，并锻压长向四条棱，长方体的尺寸为：横截面正八边形边长为155mm，长方体长度为1200mm，终锻温度875℃，锻后空冷，长度方向中分为600mm，得到(八边形155×600)mm的第一锻坯。

将第一锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第二火锻造加工：经过(八边形155×600)mm→(八边形186×415)mm的三镦三拔锻造，锻坯加热温度975℃，保温时间200min，终锻温度845℃，锻后空冷，得到(八边形235×610)mm的第二锻坯。

将第二锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第三火锻造加工：经过(八边形155×600)mm→(八边形186×415)mm的两镦两拔锻造，锻坯加热温度965℃，保温时间190min，最后一次镦拔锻造完成后，回炉加热保温110min，出炉后进行单相拔长锻造方坯，终锻温度835℃，锻后空冷，得到横截面为正四边形，边长为150mm，方坯下断长度1020mm。锻造坯料□150mm横截面的金相形貌如图2所示。

将第三锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第四火轧制加工：将边长为150mm、长度1020mm的方坯，沿长向拔长轧制成直径为70mm圆棒坯。轧制变形量约83％。轧制加热温度950℃，保温时间为110min，终轧温度均785℃。

将直径为70mm圆棒坯置于箱式电阻炉中，加热，取出后空冷，并余温七辊矫直，即得到热处理态的圆棒坯。圆棒坯热处理加热温度760℃、保温时间为110min，热处理出炉后空冷。

对退火矫直后的70mm圆棒坯，进行表面车削、校直、锯切及抛光加工、除掉氧化皮，得到直径65mm、长度2000mm的成品圆棒。成品圆棒ф65mm横截面的金相形貌如图5所示。

实施例5

取ф610×495锭坯，锭坯实测相变点tβ＝987℃，置于箱式电阻炉中，进行第一火锻造加工：先锻造成(425×425×780)mm的方坯，再经过(425×425×780)mm→(565×565×440)mm的三镦三拔锻造，锭坯加热温度1120℃，保温时间360min，最后一次镦拔锻造完成后，直接进行拔长锻造，并锻压长向四条棱，长方体的尺寸为：横截面正八边形边长为160mm，长方体长度为1170mm，终锻温度860℃，锻后空冷，长度方向中分为585mm，得到(八边形160×585)mm的第一锻坯。

将第一锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第二火锻造加工：经过(八边形160×585)mm→(八边形190×415)mm的三镦三拔锻造，锻坯加热温度970℃，保温时间200min，终锻温度845℃，锻后空冷，得到(八边形235×610)mm的第二锻坯。

将第二锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第三火锻造加工：经过(八边形160×585)mm→(八边形190×415)mm的两镦两拔锻造，锻坯加热温度960℃，保温时间200min，最后一次镦拔锻造完成后，回炉加热保温120min，出炉后进行单相拔长锻造方坯，终锻温度830℃，锻后空冷，得到横截面为正四边形，边长为150mm，方坯下断长度1030mm。锻造坯料□150mm横截面的金相形貌如图2所示。

将第三锻坯表面氧化皮打磨干净，置于箱式电阻炉中，进行第四火轧制加工：将边长为150mm、长度1030mm的方坯，沿长向拔长轧制成直径为105mm圆棒坯。轧制变形量约62％。轧制加热温度940℃，保温时间为120min，终轧温度均775℃。

将直径为105mm圆棒坯置于箱式电阻炉中，加热，取出后空冷，并余温七辊矫直，即得到热处理态的圆棒坯。圆棒坯热处理加热温度750℃、保温时间为120min，热处理出炉后空冷。

对退火矫直后的105mm圆棒坯，进行表面车削、校直、锯切及抛光加工、除掉氧化皮，得到直径100mm、长度2500mm的成品圆棒。成品圆棒ф100mm横截面的金相形貌如图6所示。

通过实施例2-5及其附图2-7可知：本发明的制备方法通过特定变形尺寸和形状控制方式的镦拔锻造，及合理变形量的热轧制变形，可制备出晶粒充分破碎、等轴化的两相钛合金圆棒，组织晶粒度细小均匀，等轴α相含量高，使得两相钛合金圆棒实现高强、高塑、高韧、高疲劳性能的目标。本发明在镦拔锻造环节采用了横截面八边形锻造方式，规避了传统锻造方式的变形死区问题，有效地改善了锻透性，大大提高锻造坯料组织均匀性；另外，大变形锻造时不会出现棱角开裂问题，减少物料修磨损耗，提高工艺性及成材率，且整个制造流程较传统工艺短，降低生产成本，更加符合工业化批量生产要求，是一种具有极高商业化推广应用价值的加工技术。

本发明的有益效果是：本发明一种两相钛合金圆棒制备方法中的三次锻造根据锭坯实测相变点tβ，按照“相变点tβ以上、相变点tβ以下、相变点tβ以下”三个火次由高到低的加热温度、多向热塑性锻造变形，且相变点以下两个火次均采用横截面正八边形的锻造，这一锻造方式规避了传统横截面正四方形锻造坯料棱角快速降温带来的严重开裂，及横截面正四边形锻造产生变形死区所致组织不均匀的弊端，更利于获取锻造组织均匀性；三个火次锻造后，在相变点tβ以下一个火次单向大变形轧制，实现晶粒的充分破碎、等轴。相变点tβ以下的多边形多向镦拔锻造及大变形的轧制获得均匀等轴α+β两相加工组织，改善圆棒横截面组织均匀性，并能有效减少锻造火次，减少锻造的表面开裂缺陷，减少物料无形损耗，提高加工工艺性及成材率，降低生产成本，压缩生产周期，提高生产效率及产能，更加符合工业化批量生产要求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。