一种TC4细晶钛合金薄板及其制备方法与流程

本发明涉及钛合金材料，具体涉及一种TC4细晶钛合金薄板及其制备方法。

背景技术：

钛合金材料在经济发展和国防工业中具有重要的战略意义，但由于其力学性能的限制，应用领域严重受限。研究表明，控制钛合金显微组织中晶粒与α片层尺度是提高其强度、疲劳抗力等力学性能的有效方法，这是因为晶粒尺寸与α片层均匀细小的组织有助于提升钛合金材料的强度和其各向同性，以及提升裂纹的扩展抗力。

针对钛合金晶粒细化的问题上，国内外开展了大量的研制工作，比较常用的方法是尽可能地提高合金的两相区加工变形量，使板材组织得到充分破碎来获得等轴细晶组织。但钛合金的变形存在工艺窗口窄且要求高的特性，为此在增加变形量的同时，不可避免地也增加了变形工艺道次，进而降低生产效率、增加了制造成本。

目前针对TC4钛合金薄板而言，追求细晶及其性能的各向同性是关键高难度指标要求。晶粒度5～20μm的波动范围大且不均匀会影响到后续零件成材的工艺参数稳定性和质量一致性；薄板纵、横向性能的差异较大，会造成材料在后续成形时各方向变形的不协调，导致成形一致性差，例如，超塑成形时网格容易发生畸变，内部结构容易产生折叠、并引发表面蒙皮起皱等缺陷。为此需要寻求一种新的制备方法以获得细小均匀的细晶组织薄板产品。

中国专利CN103045906A公开了一种TC4合金热轧板工艺的制备方法，该方法侧重于低成本获得组织均匀的TC4合金热轧板，并未涉及控制板材显微组织，其晶粒尺寸较大，没有达到细晶控制的应用需求目的。

中国专利CN102489507A公开了一种钛合金宽幅薄板的制备方法，其中涉及采用包覆轧制技术生产薄板的方法，其目的同样并未控制其显微组织的晶粒尺寸。

目前有关TC4钛合金薄板在控制成本、减少工序的同时，又能保证获得晶粒均匀细小的显微组织的相关报道尚未见到。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种TC4细晶钛合金薄板及其制备方法，克服TC4钛合金薄板晶粒细小与制备工序冗长和生产成本高的矛盾问题，获得可满足高强度应用需求的钛合金细晶薄板。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种TC4细晶钛合金薄板，其薄板厚度为0.3～3mm，晶粒尺为寸2～5μm，室温力学性能：屈服强度(Rp0.2)为955～995MPa、抗拉强度(Rm)为1020～1050MPa、断后延伸率(A)为15～19％。

本发明所述的TC4细晶钛合金薄板的制备方法，其包括以下步骤：

1)制备TC4钛合金原始板坯，并控制原始板坯厚度为3～15mm；

2)对原始板坯进行热处理

热处理的温度为1010～1050℃，保温时间为20～40mim，热处理后水淬或风冷至600℃以下；

3)包覆处理

将至少两块热处理后的原始板坯叠放在一起进行包覆处理，制成叠扎包；

4)对叠轧包进行轧制

采用换向轧制，轧制温度为750～900℃，轧制道次控制在3～6道次，每道次变形量<25％，总变形量≥70％；

5)对轧制后的薄板进行热处理

热处理温度为890～940℃，热处理时间为20～60mim，热处理后空冷至室温，得到钛合金薄板；

6)表面处理

对步骤5)得到的钛合金薄板进行表面处理，最终得到厚度为0.3～3mm的TC4钛合金薄板。

进一步，步骤3)包覆处理时，在热处理后的原始板坯上下表面涂覆润滑剂，涂层厚度为1～2μm。

步骤4)中所述换向轧制指纵向(即平行于铸锭晶粒生长的方向或指坯料长度方向)和横向(即垂直于铸锭晶粒生长的方向或指坯料宽度方向)交叉的换向轧制模式。

本发明步骤2)通过在热变形前对原始板坯进行特殊热处理，调整其变形组织，则对原始组织的要求控制不高。该热处理可以调控薄板轧制用坯料组织，水淬后获得马氏体组织或风冷后获得薄片层组织，均有助于后续变形得到细晶组织，方法简单易操作。

本发明步骤3)包覆处理时，在热处理后的原始板坯上下表面涂镀润滑剂，润滑剂的主要成分为碳粉，涂层厚度为1～2μm，可以在不增加成本且无污染的情况下有效地改善芯板与包覆板之间的润滑效果，充分保障芯板的充分延展和均匀变形。

本发明步骤4)进行包覆叠轧时，采用低温控温轧制、换向、多道次及变形量的控轧。具体是：通过控制轧制温度在750～900℃，有效地破碎原始坯料显微组织中的α相，同时约束其长大，从而获得均匀且α相经过剧烈变形的显微组织，以提高薄板的强度和降低性能的各向异性；其次是在轧制过程中合理分配换向轧制制度，采取纵向和横向交叉的换向轧制模式，以提升组织的破碎度和均匀性。整个轧制变形要求控制：3～6道次的轧制道次，每道次变形量小于25％，总变形量控制70％以上。

本发明通过步骤5)轧制后热处理，严格控制热处理温度和时间，以有效地使α相充分球化，最终可获得均匀、细小的显微组织。

本发明的有益效果：

本发明获得的TC4细晶钛合金薄板性能均匀，强度和塑性均高于普通TC4钛合金薄板，具体性能指标如下：薄板厚度为0.3～3mm，晶粒尺寸控制在2～5μm，室温力学性能：屈服强度(Rp0.2)为955～995MPa、抗拉强度(Rm)为1020～1050MPa、断后延伸率(A)为15～19％。

本发明所述TC4钛合金薄板制备工艺流程简单，能耗低，对原始板坯的显微组织要求不高，最终是可以获得高要求的细晶组织和性能的均匀性控制，产业化后可获得较高的经济利益。

本发明提供的制备工艺工序道次少、材料收得率高、生产成本可控、具有较高实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1成品TC4钛合金薄板的组织形貌照片。

图2为本发明实施例2成品TC4钛合金薄板的组织形貌照片。

图3为本发明实施例3成品TC4钛合金薄板的组织形貌照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

实施例1：

1)制备获得厚度为3mm的热轧板坯两块；

2)将板坯加热到1010℃后保温40mim，然后水冷至600℃以下后自然冷却至室温；

3)将经过特殊热处理后的板坯进行包覆，包覆时在钛合金板坯上下表面涂覆碳粉，涂层厚度控制在1-2μm；

4)将包覆好的叠轧包进行低温首道次换向轧制，即坯料进行轧机前先换向再咬入轧机以实现宽度方向的横向变形，第2-4道次再换向至原长度方向进行纵向轧制变形；轧制温度为750℃，4道次，终轧厚度为0.3mm；每道次变形量要求是18～25％，总变形量要求是80％；

5)将步骤4)获得的轧板进行热处理，处理温度为940℃，保温时间为20min；

6)将上述薄板进行常规表面处理，获得金属本色、光洁度高的薄板表面质量，最终理化检验获得晶粒尺寸为2-4μm的薄板。

本实施例获得的成品TC4钛合金薄板的力学性能参见表1，其组织形貌照片如图1所示。由图1可知，0.3mm薄板晶粒尺寸为2-4μm且均匀分布，无轧制变形引起的流线方向性，较好满足组织均匀的细晶技术指标要求。

实施例2：

1)制备获得厚度为8mm的热轧板坯两块；

2)将板坯加热到1020℃后保温40mim，然后风冷至600℃以下后自然冷却至室温；

3)将经过特殊热处理后的板坯进行包覆，包覆时在钛合金上下表面涂覆碳粉，涂层厚度控制在1-2μm；

4)将包覆好的叠轧包进行低温多道次换向轧制，要求第一道次沿原长度方向大变形量、后续道次沿宽度方向的换向轧制模式，轧制温度为850℃，3道次，终轧厚度为1.2mm；每道次变形量要求是20～35％，总变形量要求是80～90％；

5)将步骤4)获得的轧板进行热处理，处理温度为910℃，保温时间为40min；

6)将上述薄板进行表面处理，获得金属本色、光洁度高的薄板表面质量，最终理化检验获得晶粒尺寸为2-4.5μm的薄板。

本实施例获得的成品TC4钛合金薄板的力学性能参见表1，其组织形貌照片如图2所示，由图2可知，本实施例获得1.2mm的成品薄板，其晶粒尺寸为2-4.5μm且均匀分布，无轧制变形引起的流线方向性，较好满足组织均匀的细晶技术指标要求。

实施例3：

1)制备获得厚度为15mm的热轧板坯两块；

2)将板坯加热到1020℃后保温40mim，然后水冷至600℃以下后自由冷却至室温；

3)将经过特殊热处理后的板坯进行包覆，包覆时在钛合金上下表面涂覆碳粉，涂层厚度控制在1-2μm；

4)将包覆好的板进行低温首道和第四道次换向的多道次轧制，要求坯料开轧前的第一个和第四次的咬入道次采取沿宽度方向的变形、其他道次采用沿原长度方向的轧制模式，轧制温度为900℃，5道次，终轧厚度为3mm；每道次变形量要求是15～30％，总变形量要求是75～80％；

5)将步骤4)获得的轧板进行热处理，处理温度为890℃，保温时间为60min；

6)将上述薄板进行表面处理，获得金属本色、光洁度高的薄板表面质量，最终理化检验获得晶粒尺寸为2-5μm的薄板。

本实施例获得的成品TC4钛合金薄板的力学性能参见表1，其组织形貌照片如图3所示，由图3可知，本实施例获得的3mm薄板，其晶粒尺寸为2-5μm且均匀分布，无轧制变形引起的流线方向性，较好满足组织均匀的细晶技术指标要求。

由表1可知，本发明所制备得到的成品TC4钛合金薄板室温力学性能如下：屈服强度(Rp0.2)为955～995MPa、抗拉强度(Rm)为1020～1050MPa、断后延伸率(A)为15～19％，可满足高强度应用需求。

表1