一种TA18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法与流程

一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法
技术领域
1.本发明属于钛及钛合金管加工技术领域，具体涉及一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法。


背景技术：

2.先进飞机发动机中的管路系统，诸如液压、燃油、空调等管路系统被誉为飞机的血管，其性能直接关乎飞机的整体安全及使用寿命。ta18(ti-3al-2.5v)钛合金作为航空发动机管路的首选轻质、耐压材料，已广泛应用于国内外先进发动机中。目前我国四代机相关机型所使用的ta18钛合金小口径(φ6mm～φ20mm)无缝管均为国外进口的ams 4946标准ⅰ类管材，该类管材强度高(抗拉强度＝862mpa～979mpa)且室温塑性(延伸率≥10％)和工艺性能优异，可冷弯成形。基于金属材料的性能与其晶粒尺寸密切相关，细晶材料的强度、硬度、塑性和韧性比粗晶材料更优，因此细化晶粒成为提高钛合金性能的重要手段之一。通过对满足ams 4946标准ⅰ类要求的进口ta18管材样品进行分析，发现其正是由于具有晶粒尺寸《5μm的超细晶组织，从而实现了合金强度和塑性的双重提升。目前国内的小口径钛无缝管工艺技术还不成熟、设备能力不足，制备的ta18钛合金管材性能停留在中强(rm≥620mpa)级别，先进发动机管路系统所需的小口径高强高塑ta18管材至今未能实现国产批量化生产。超细晶高性能ta18钛管的高效、低成本批量化制备，已成为制约国产航空发动机性能提升的瓶颈。
3.国内φ20mm以下的小口径无缝钛管材通常采用“管坯+开坯轧制+多道次精轧”的冷加工方式生产，使用小口径管坯能够大幅减少后续轧制道次，降低材料缺陷的多道次累积，在提高生产效率的同时有效提高成品管材的探伤合格率。因此，获得晶粒细小的ta18钛合金小口径管坯是攻克上述高性能ta18管材制备难题的关键。现有的钛管坯制备方法主要有挤压、穿孔、棒材机加三种方式，能够获得的最小管坯规格分别是φ32mm
×
4mm挤压管、φ32mm穿孔管、φ20mm棒材机加管。尚无资料表明，常规挤压和穿孔方式能够制备φ30mm以下的钛合金坯管；棒材机加方法虽然能够制备出φ25mm以下的坯管，但是机加工序造成原材料巨大浪费，降低了管材的成材率、提升了生产成本，不适用于管材的批量生产。同时，现有的管坯生产方法制备出的管坯晶粒尺寸也偏大。挤压钛管在α+β相区进行加工，通常获得“α
等轴
+α
条
+β
转”网篮组织，晶粒尺寸跨度较大，通常约5μm～50μm之间；斜轧穿孔时温度高于相变点，通常获得有明显β晶界的“α
针
+β
转”魏氏组织，通常β晶尺寸》100μm；锻轧的机加用ta18合金棒材通常能够在α+β相区加工，获得的组织多为平均尺度》10μm等轴组织。中国发明专利(授权公告号：cn102974645b)采用800℃～1000℃、保温1.5h～3h的常规工艺挤压获得φ45mm
×
4.5mm规格的ta18钛合金管坯，虽然该专利并未提及管坯组织状况，但挤压坯料在再结晶温度以上200℃长时间保温必然使再结晶晶粒长大至20μm以上。
4.目前超细晶材料制备工艺主要有挤压、轧制、旋压、粉末冶金等种类，其中最常见的“等径角挤压/等通道转角挤压”技术、“往复挤压”技术均属于采用挤压工艺实现的剧烈塑性变形技术。但“剧烈变形挤压技术”需要借助大吨位设备和复杂模具实现小规格(断面
直径/对角线小于10mm)棒材或型材的制备，加工道次多、制备流程复杂、模具机构复杂、材料适用性差且生产成本高昂，只适用于实验室级别少量短管制备，无法将该技术推广应用于ta18钛管的批量化制备。“高压扭转”、“累积叠轧”、“强力旋压”、“粉末冶金+非晶晶化法”则是采用非剧烈塑性变形方式进行的材料细晶强化工艺。其中“高压扭转”目前主要用于实验室圆柱、盘状小规格试样制备，坯料变形的应变均匀性差，无法用于管材生产。“累积叠轧”属于采用累积大变形制备细晶板材的高效方法，能够制备出晶粒尺度＜1μm的材料，但受管材轧制设备结构和材料冷轧塑性所限，无法用于ta18管材制备。“强力旋压”是一种管材近净成形方法，其特点是管材局部逐点发生连续变形，累积大变形率使晶粒受到碾压而充分破碎实现晶化，但该方法主要适用于直径大于30mm的薄壁管材，且模具成本高，ta18钛合金极限减薄率低冷旋易开裂，因此并不适合。“粉末冶金+非晶晶化法”是一种适用于多组元、加工塑性差金属的特殊细晶方法，整体加工过程均采用热加工方式，模具形式单一、生产成本高，无法用于管材的批量制备。
5.综上所述，目前国内现有工艺技术手段均无法实现ta18钛合金小口径超细晶管坯的批量稳定制备。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法。该方法对ta18钛合金棒坯通过控制挤压坯料的加热方式、加热温度、保温时间以及挤压比、加压速度等工艺参数实现超细晶ta18钛合金的批量制备，制备得到的ta18钛合金小口径超细晶挤压管表面质量高、强塑性匹配良好，适用于航空发动机管路系统用高强高塑小口径无缝管材的制备要求。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
8.步骤一、将ta18钛合金棒坯进行机械加工得到ta18钛合金挤压坯料；
9.步骤二、将步骤一得到的ta18钛合金挤压坯料采用紫铜包覆得到ta18钛合金包覆挤压坯料；
10.步骤三、将步骤二中得到的ta18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至800℃～845℃并保温5min～10min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到ta18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中控制挤压比为10.7～26.4，挤压速度为120mm/s～150mm/s。
11.上述的一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤一中所述ta18钛合金棒坯为满足gb/t 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中a1级要求的锻棒、轧棒或挤压棒。
12.上述的一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述ta18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为1μm～4μm。
13.上述的一种ta18钛合金小口径超细晶挤压管的制备方法，其特征在于，步骤三中所述ta18钛合金小口径超细晶挤压管的规格外径
×
壁厚为(16mm～25mm)
×
(3mm～4.5mm)。
14.本发明与现有技术相比具有以下优点：
15.1、本发明将ta18钛合金棒坯包覆后加热并进行挤压，通过控制挤压坯料的加热方
式、加热温度、保温时间以及挤压比、加压速度等工艺参数实现超细晶ta18钛合金的批量制备，具体地，采用短时的中频感应加热方式实现了对挤压坯料晶粒尺寸的控制，采用大变形、高速挤压工艺实现了晶粒的进一步破碎，制备得到的ta18钛合金小口径超细晶挤压管表面质量高、强塑性匹配良好，适用于航空发动机管路系统用高强高塑小口径无缝管材的制备要求。
16.2、本发明采用紫铜单包套，并在共晶温度以下进行挤压，包套工艺简单，保证产物ta18挤压管的表面无低熔共晶污染物存在，且后续表面处理容易。
17.3、本发明采用常规卧式或立式挤压机即可实现晶粒尺寸1μm～4μm超细晶ta18挤压管的生产，加工方法简单，不依赖设备及模具，有效提高了成品率及降低了成本，适用于ta18钛合金小口径超细晶挤压管的批量生产。
18.4、本发明采用的原料ta18棒来源于锻棒、轧棒或挤压棒，选择范围广，扩大了本发明的适用范围。
19.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
20.图1为本发明实施例1制备的ta18钛合金小口径超细晶挤压管的sem显微组织图。
21.图2为本发明实施例2制备的ta18钛合金小口径超细晶挤压管的sem显微组织图。
22.图3为本发明实施例3制备的ta18钛合金小口径超细晶挤压管的sem显微组织图。
具体实施方式
23.实施例1
24.本实施例包括以下步骤：
25.步骤一、将ta18钛合金棒坯进行机械加工得到规格外径
×
内径
×
长度为60mm
×
19mm
×
200mm的ta18钛合金挤压坯料；所述ta18钛合金棒坯为满足gb/t 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中a1级要求的锻棒，所述ta18钛合金挤压坯料的入模端需进行倒直角边长度20mm、45
°
斜角；
26.步骤二、将步骤一得到的ta18钛合金挤压坯料的外表面采用厚度δ0.8mm的紫铜板包覆，内壁采用规格直径
×
壁厚为19mm
×
1mm的紫铜管包覆，得到外径小于65mm的ta18钛合金包覆挤压坯料；
27.步骤三、将步骤二中得到的ta18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至845℃并保温5min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到外径
×
壁厚为25mm
×
4.5mm的ta18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中采用直径65mm的挤压筒，控制挤压比为10.7，挤压速度为150mm/s。
28.将本实施例得到的ta18钛合金小口径超细晶挤压管装入电阻炉中在680℃下保温10min进行热处理，然后进行显微组织检测，结果如图1所示。
29.图1为本实施例制备的ta18钛合金小口径超细晶挤压管的sem显微组织图，从图1可以看出，该ta18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为4.01μm。
30.实施例2
31.本实施例包括以下步骤：
32.步骤一、将ta18钛合金棒坯进行机械加工得到规格外径
×
内径
×
长度为60mm
×
15mm
×
200mm的ta18钛合金挤压坯料；所述ta18钛合金棒坯为满足gb/t 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中a1级要求的轧棒，所述ta18钛合金挤压坯料的入模端需进行倒直角边长度20mm、45
°
斜角；
33.步骤二、将步骤一得到的ta18钛合金挤压坯料的外表面采用厚度δ0.8mm的紫铜板包覆，内壁采用规格直径
×
壁厚为15mm
×
1mm的紫铜管包覆，得到外径小于65mm的ta18钛合金包覆挤压坯料；
34.步骤三、将步骤二中得到的ta18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至820℃并保温10min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到外径
×
壁厚为20mm
×
4mm的ta18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中采用直径65mm的挤压筒，控制挤压比为15.9，挤压速度为130mm/s。
35.将本实施例得到的ta18钛合金小口径超细晶挤压管装入电阻炉中在680℃下保温10min进行热处理，然后进行显微组织检测，结果如图2所示。
36.图2为本实施例制备的ta18钛合金小口径超细晶挤压管的sem显微组织图，从图2可以看出，该ta18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为2.04μm。
37.实施例3
38.本实施例包括以下步骤：
39.步骤一、将ta18钛合金棒坯进行机械加工得到规格外径
×
内径
×
长度为60mm
×
13mm
×
120mm的ta18钛合金挤压坯料；所述ta18钛合金棒坯为满足gb/t 5193《钛及钛合金加工产品超声检验方法》中a1级要求的挤压棒，所述ta18钛合金挤压坯料的入模端需进行倒直角边长度20mm、45
°
斜角；
40.步骤二、将步骤一得到的ta18钛合金挤压坯料的外表面采用厚度δ0.8mm的紫铜板包覆，内壁采用规格直径
×
壁厚为13mm
×
1mm的紫铜管包覆，得到外径小于65mm的ta18钛合金包覆挤压坯料；
41.步骤三、将步骤二中得到的ta18钛合金包覆挤压坯料采用中频感应加热至800℃并保温10min，取出后涂抹高温润滑剂，放置于挤压机上进行挤压，得到外径
×
壁厚为16mm
×
3mm的ta18钛合金小口径超细晶挤压管；所述挤压过程中采用直径65mm的挤压筒，控制挤压比为26.4，挤压速度为120mm/s。
42.将本实施例得到的ta18钛合金小口径超细晶挤压管装入电阻炉中在680℃下保温10min进行热处理，然后进行显微组织检测，结果如图3所示。
43.图3为本实施例制备的ta18钛合金小口径超细晶挤压管的sem显微组织图，从图3可以看出，该ta18钛合金小口径超细晶挤压管的显微组织为超细晶，平均晶粒尺寸为1.09μm。
44.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。