钛合金带材高效电致塑性轧制系统的制作方法

专利名称:钛合金带材高效电致塑性轧制系统的制作方法
【专利摘要】一种钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其包括轧机和高能脉冲电源，该轧机包括：轧辊，轧辊输入侧的开卷装置，轧辊输出侧的收卷装置，以及对应设置在开卷装置与轧辊之间和轧辊与收卷装置之间用于支撑钛合金带材的第一支撑辊和第二支撑辊，所述轧辊和第一支撑辊之间设置两个电接触装置；高能脉冲电源的正负输出端对应连接所述两个电接触装置，用于向所述两个电接触装置之间的钛合金带材提供频率为60-760Hz、电压为10-600V、脉冲宽度为10-6000μs的高能脉冲电流。通过该轧制系统处理后能获得具有良好综合力学性能的钛合金带材，且能够降低轧制过程的变形抗力和避免带材热加工过程的氧化问题。
【专利说明】钛合金带材高效电致塑性轧制系统

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及钛合金带材轧制系统，更具体地说，是一种钛合金带材高效电致 塑性轧制系统。

【背景技术】
[0002] 随着世界性的能源危机和环境污染问题日趋严重，为了降低能耗和减少机动机械 尾气排放造成的环境污染，在航空、航天和汽车等领域，结构轻量化所带来的效益十分显 著，包括可以提高飞行器和机动车辆的机动性，减少油耗，降低了对运送工具的要求和运送 的费用。汽车、商（军）用飞行器是量大而广的交通工具，材料结构微小的改进，就会产生 显著的经济效益。传统的结构材料（钢铁、铝等）在国民经济中面临节能、降耗、减排和环 保的严峻形势。在这种情况下，应用和开发轻质结构材料钛合金已成为近几年国内外研宄 和发展的热点和重点。
[0003] 钛合金是一种重要的轻质结构材料，尤其是钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性 强、可焊、中温性能好和无磁等优点，使之在航空、航天、船舰、兵器、核能、交通运输产业、军 事和电子、信息产业等领域有着广泛的应用。因此金属钛合金被誉为"21世纪最重要的绿 色工程材料"。
[0004] 近年来，TC4钛合金作为最重要的王牌商业钛合金之一得到飞速的发展和广泛的 应用，但目前变形钛合金在应用面上还远不如铸造钛合金，主要是基于钛合金室温下加工 塑性差（韧性低）的限制性：低温下，钛合金主要以a-Ti的形式存在，a-Ti属于密排六 方晶体结构，滑移系少，只有三个几何滑移系和两个独立滑移系，容易出现孪生现象（加工 性能差，单道次变形量仅为25%以下）。目前变形钛合金带材的轧制加工方法主要包括：
[0005] 完全退火后冷轧。变形钛合金在经过一系列变形（如热挤、热轧）后，通过 700-800°C、约30分钟至1小时左右的再结晶退火，进入冷轧工序来获得带材产品。该方法 产品表面质量较好，但此时两次退火间的总轧制变形率不超过35%，否则出现轧裂现象。因 此如需获得箔材，需反复多次进行中间退火处理。因该方法退火工序太多，而不适于实际生 产；
[0006] 热轧加工。通过升高温度增加滑移系（彡850°C)的手段增加其塑性变形能力，因 此可提高两次退火间的总轧制变形率（25% -40% )来减少退火次数。目前加热方式又可 分为炉卷加热、在线超高频加热、直接热辊三种。此三种方式都是利用了温度效应来提高轧 制变形能力，均带来表面质量难以保证（易氧化变色）、产品尺寸精度难以控制（乳棍加热 后刚度下降）、材料性能较低（升高温度造成晶粒尺寸偏大）等诸多问题。另外由于加热的 过程中存在温度场不均匀及材料轧制过程中加热时间不相等等因素，还会带来板、带材性 能一致性差等问题。 实用新型内容
[0007] 鉴于现有钛合金带材轧制加工存在上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种钛合 金带材高效电致塑性轧制系统，通过该轧制系统处理后能获得具有良好综合力学性能的钛 合金带材，且能够降低轧制过程的变形抗力和避免带材热加工过程的氧化问题。
[0008] 为达上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
[0009] 一种钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其包括：
[0010] 轧机，该轧机包括：乳棍，轧辊输入侧的开卷装置，轧辊输出侧的收卷装置，以及对 应设置在开卷装置与轧辊之间和轧辊与收卷装置之间用于支撑钛合金带材的第一支撑辊 和第二支撑辊，所述轧辊和第一支撑辊之间设置两个电接触装置；以及
[0011] 高能脉冲电源，其正负输出端对应连接所述两个电接触装置，用于向所述两 个电接触装置之间的钛合金带材提供频率为60-760HZ、电压为10-600V、脉冲宽度为 10-6000ys的高能脉冲电流。
[0012] 为了使轧制处理后的钛合金带材的组织为由细小但不均匀的等轴组织组成的细 晶化组织，优选地，所述高能脉冲电源的输出参数包括：频率60-460HZ、电压10-600V、脉 冲宽度10-6000ys。更优选地，所述高能脉冲电源的输出参数包括：频率60-90HZ、电压 10-600V、脉冲宽度 300-6000ys。
[0013] 为了使轧制处理后的钛合金带材的组织为均匀的超细晶等轴组织，优选地，所述 高能脉冲电源的输出参数包括：频率420-760HZ、电压10-600V、脉冲宽度10-6000ys。
[0014] 在上述钛合金带材高效电致塑性轧制系统中，所述两个电接触装置之间的距离优 选10-1800mm。更优选地，所述两个电接触装置分别为所述第一支撑辊和轧辊。进一步，所 述第一支撑辊最好由两个导电轮组成，且导电轮的轮面设计为槽状，这样在轧制加工中，导 电轮与开卷钛材形成一定的包角，能够保证接触良好，减少接触电阻。
[0015] 在上述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统中，进一步还可以包括：电流采样装 置、和/或计时装置、和/或温度测量装置，该电流采样装置连接于所述高能脉冲电源的输 出回路，该计时装置连接于所述高能脉冲电源的输出回路。该温度测量装置用于测量两个 电接触装置之间的钛合金带材（即被加工带材加电区段）的温度。
[0016] 在上述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统中，没有额外的加热装置和冷却装 置。
[0017]与现有技术相比，本钛合金带材高效电致塑性轧制系统具有以下优点：
[0018] 其由轧机和具有特定输出参数的高能脉冲电源构成，高能脉冲电源与轧机上的电 接触装置连接，能够在钛合金带材被轧制前向其施加特定的高能脉冲电流，经实验证明，经 该系统处理后能够有效改善钛合金的显微组织，从而大幅度提高材料的综合力学性能；
[0019] 经实验，采用本轧制系统轧制TC4钛合金带材，延伸率可达43. 6%以上，而采用现 有冷轧工艺处理，延伸率仅有6. 8%，可见，采用本轧制系统能够降低轧制过程的变形抗力， 从而能够提高单道次极限变形率，降低轧制成本；
[0020] 采用本轧制系统，被处理带材上任何一点完全处理的时间在16秒钟以内，而且处 理最高温度为350°C-660°C，远远低于传统热轧工艺温度850°C，在低温和短时间内钛合金 带材不会发生氧化现象；
[0021] 其能够实现在线连续生产，生产效率高，广泛适用于可热处理强化的钛合金带材 的尚效乳制和提尚广品的综合力学性能。

【附图说明】

[0022] 图1为本实用新型钛合金带材高效电致塑性轧制系统一实施例的结构示意图。

【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型。
[0024] 参照图1，本钛合金带材高效电致塑性轧制系统包括：乳机，高能脉冲电源4。
[0025] 轧机包括：第一支撑辊1，轧辊2,第二支撑辊3,开卷装置5,收卷装置6。开卷装 置5位于乳棍2的输入侧，收卷装置6位于乳棍2的输出侧。第一支撑棍1和第二支撑棍 3对应设置在开卷装置5与轧辊2之间、以及轧辊2与收卷装置6之间，用于支撑钛合金带 材。第一支撑辊1和轧辊2同时还作为电接触装置，显然，乳辊2和第一支撑辊1均应与轧 机的机架绝缘。
[0026] 高能脉冲电源4的正负输出端对应连接第一支撑辊1和轧辊2 (即两个电接触 装置），用于向第一支撑辊1和轧辊2之间的钛合金带材提供频率为60-760HZ、电压为 10-600V、脉冲宽度为10-6000ys的高能脉冲电流。高能脉冲电源4的功率可为5-80KW。
[0027] 来自开卷装置5的钛合金带材7经过第一支撑辊1、轧辊2、第二支撑辊3到收卷 装置6卷绕紧，钛合金带材与轧辊2紧密弹性接触，旋转的轧辊2通过摩擦力带动钛合金带 材7以一定速度向收卷装置6方向传输；第一支撑棍1与乳棍2分别连接高能脉冲电源4 的正、负输出端，高能脉冲电源4通过该第一支撑辊1和轧辊2将高能脉冲电流输入到第一 支撑辊1和轧辊2之间的运动的钛合金带材（即钛合金带材7的加电区域段7'），高能脉 冲电流在钛合金带材的加电区域段7'产生焦耳热效应和非热效应，对该加电区域段同时进 行高效电致塑性轧制。电致塑性轧制后的钛合金带材在室温空气中自然冷却，经第二支撑 辊3由收卷装置6收卷，无需导入任何额外的冷却介质强制冷却。
[0028] 轧辊2和钛合金带材7之间紧密弹性接触，乳辊2对钛合金带材7产生塑性变形， 钛合金带材7的运动速度为0. 6-160mpm，该速度可通过轧辊2的转动速度来调整。而轧辊 2的转动速度可由控制轧辊转动的变频器和马达调整控制（图中未画出）。
[0029] 第一支撑辊1由一对采用铜-石墨制成的直径为140-160mm、宽度约为轧辊2宽度 的导电轮构成。导电轮的轮面11设计为槽状，这样在轧制加工中，导电轮与开卷钛材形成 一定的包角，能够保证接触良好，减少接触电阻。两导电轮中心连线的中点与轧辊2中心连 线的中点间的距离（即两个电接触装置之间的距离）可在10-1800mm范围内调整，该距离 可根据来料的截面尺寸、来料的状态和轧辊2的旋转速度来做适当的调整，如来料的截面 尺寸越大、乳辊2的旋转速度越大，则该距离相应加长，反之亦然。导电轮也可采用弥散强 化铜或黄铜等导电性较好且耐磨的材料制成。
[0030] 在上述轧制系统中进一步还包括：电流采样装置8、计时装置9、温度测量装置10 及温度存储分析装置11。该电流采样装置8连接于所述高能脉冲电源4的输出回路，该计 时装置9连接于所述高能脉冲电源4的输出回路。该温度测量装置10和温度存储分析装 置11用于测量和存储被加工带材加电区段7'的温度。
[0031] 在上述轧制系统中，在轧辊2带动钛合金带材向收卷装置6方向传输时，通过第一 支撑辊1和轧辊2将高能脉冲电源4输出的高能脉冲电流输入到运动的钛合金带材的加电 区域段7'，对其进行高效电致塑性轧制，处理过程处于室温的空气中，无需任何额外的冷却 介质对材料进行冷却。在钛合金带材加电区域段7'输入高能脉冲电流对该区域段进行高 效电致塑性轧制的温度为350°C_660°C。所述钛合金带材的加电区域段长度为10_1800mm。
[0032]实验1:
[0033] 来料为经去应力退火后的TC4钛合金带材，厚度为1.6mm，宽度为6. 0mm。
[0034] 对该TC4钛合金带材进行冷乳，在冷轧至1. 20mm后开始出现开裂现象，即临界变 形下压率只有25%。
[0035] 用本实用新型电致塑性轧制系统对将该TC4钛合金带材进行高效电致塑性轧 制，带材传输速度6mpm，两个电接触装置间的距离为360mm，高能脉冲电源的参数为：频率 660Hz，电压20V，脉冲宽度80ys。轧制至0.5mm仍未开裂，而且轧制后材料表面光洁度与 冷轧无差异，可见即单道次总变形率超过68. 75 %。
[0036] 实验2 :分别用电致塑性轧制和冷轧轧至1. 2mm厚进行对比
[0037] 来料为完全退火态的TC4钛合金带材，厚度为1. 6_，宽度为5.0_。
[0038] 用本实用新型电致塑性轧制系统进行电致塑性轧制中，带材传输速度6mpm，两 个电接触装置间的距离为225mm。一号实验中采用的高能脉冲电源为输出电压20V，频率 360Hz，脉冲宽度为80ys的高能脉冲电源。二号实验中采用的高能脉冲电源为输出电压 20V，频率660Hz，脉冲宽度为80ys的高能脉冲电源。
[0039] 表1示出了电致塑性轧制和冷轧后带材的力学实验数据。
[0040]表1
[0041]

【权利要求】
1. 一种钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，包括：轧机，该轧机包括：乳辊，乳辊输入侧的开卷装置，乳辊输出侧的收卷装置，以及对应设 置在开卷装置与轧辊之间和轧辊与收卷装置之间用于支撑钛合金带材的第一支撑辊和第 二支撑辊，所述轧辊和第一支撑辊之间设置两个电接触装置；以及高能脉冲电源，其正负输出端对应连接所述两个电接触装置，用于向所述两个电接触 装置之间的钛合金带材提供频率为60-760HZ、电压为10-600V、脉冲宽度为10-6000 y s的 高能脉冲电流。2. 如权利要求1所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，所述高能脉 冲电源的输出参数包括：频率60-460HZ、电压10-600V、脉冲宽度10-6000 y s。3. 如权利要求2所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，所述高能脉 冲电源的输出参数包括：频率60-90HZ、电压10-600V、脉冲宽度300-6000 y s。4. 如权利要求1所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，所述高能脉 冲电源的输出参数包括：频率420-760HZ、电压10-600V、脉冲宽度10-6000 y s。5. 如权利要求1所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，所述两个电 接触装置之间的距离为10_1800mm。6. 如权利要求1所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，所述两个电 接触装置分别为所述第一支撑辊和轧辊。7. 如权利要求6所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，所述第一支 撑辊由两个导电轮组成，导电轮的轮面呈槽状。8. 如权利要求1所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，该轧制系统 还包括： 电流采样装置，该电流采样装置连接于所述高能脉冲电源的输出回路；和/或计时装置，该计时装置连接于所述高能脉冲电源的输出回路；和/或用于测量两个电接触装置之间的钛合金带材的温度的装置。9. 如权利要求1所述的钛合金带材高效电致塑性轧制系统，其特征在于，该轧制系统 没有加热装置和冷却装置。
【文档编号】B21B3-02GK204294619SQ201420707103
【发明者】唐国翌, 叶肖鑫, 宋国林[申请人]清华大学深圳研究生院