本发明属于钛合金技术领域，具体涉及一种生产α、近α或α+β钛合金棒材的方法。
背景技术：
含有α稳定元素且在室温稳定状态下基体为α相的钛合金称为α钛合金，以α相为基体，仅含有少量β相的钛合金称为近α钛合金，室温稳定状态下由α相及β相组成的钛合金称为α+β钛合金。由于α钛合金、近α钛合金和α+β钛合金材料兼具耐腐蚀和优异的机械性能，在多个行业得到了广泛的应用。
α钛合金棒材、近α钛合金棒材和α+β钛合金棒材的制备方法通常是将真空熔炼得到的晶粒相对粗大并具有疏松组织结构的钛合金铸锭进行锻造加工，从而得到晶粒相对细小并具有致密组织结构和特定性能的钛合金棒材。α钛合金棒材、近α钛合金棒材和α+β钛合金棒材的力学性能与其微观组织结构和形态密切相关，微观组织细化且结构排列有序，钛合金棒材的力学性能越好，微观组织粗大结构紊乱，钛合金棒材的力学性能降低。在接近相变点或高于相变点温度的条件下进行加热，钛合金的晶粒变得粗大，甚至产生晶界，钛合金的力学性能恶化。因此，钛合金加工过程中对温度较为敏感。
目前行业中α钛合金棒材、近α钛合金棒材和α+β钛合金棒材的制备工艺一般沿用或参考苏联工艺，首先采用2000吨油压机将钛合金铸锭分别在相变点以上100℃～150℃、相变点以上20℃～50℃、相变点以下20℃～50℃镦拔制坯，然后采用500kg～5t的自由锻空气锤在相变点以下20℃～50℃锻造得到成品。该工艺在高于相变点的温度条件下进行1火次以上的开坯锻造，而且在低于相变点还要进行多火次锻造，以便使铸造态粗大的组织改善成为晶粒细化的组织，由于工序较多，存在着工艺复杂、耗时长和干扰因素多等缺点，所得到的钛合金棒材的一致性和稳定性差。
技术实现要素：
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，提供一种生产α、近α或α+β钛合金棒材的方法。该方法采用一火次大变形镦拔制坯和一火次径锻成型，使钛合金铸锭组织中的晶粒快速细化和破碎，变形较为均匀，大大减少了制坯的次数，简化了生产步骤，提高了生产效率，降低了生产成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种生产α、近α或α+β钛合金棒材的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将钛合金铸锭在相变点以上160℃的条件下进行加热保温，然后进行一火次的镦拔锻造，经滚圆后得到钛合金中间坯料；所述钛合金铸锭为α钛合金铸锭、近α钛合金铸锭或α+β钛合金铸锭，所述钛合金铸锭符合gb/t26060-2010《钛及钛合金铸锭》的要求；所述镦拔锻造为九镦九拔的锻造，所述镦拔锻造的终锻温度不低于相变点以下200℃；所述钛合金中间坯料的直径为150mm～270mm；
步骤二、将步骤一中得到的钛合金中间坯料进行修磨处理，去除端头和表面的裂纹、折叠等缺陷；
步骤三、将步骤二中经修磨处理后的钛合金中间坯料在相变点以下500℃的条件下进行预热并保温，然后加热到相变点以下70℃的条件下先保温，再采用径锻机组进行一火次的径锻，并利用径锻余温进行矫直处理，得到钛合金棒坯；所述径锻过程中经修磨处理后的钛合金中间坯料被夹持旋转作径向移动，钛合金中间坯料径向移动的同时在同一横截面上被4个锤头锤打，归圆缩径变形直至锻造尺寸；其中，4个所述锤头中相邻两个锤头之间的夹角为90°，所述旋转的速度为30r/min；一火次的径锻的总变形量不小于45％；
步骤四、将步骤三中得到的钛合金棒坯进行退火处理，并利用退火余温进行矫直，得到钛合金棒材；所述钛合金棒材的室温力学性能符合gb/t2965-2007《钛及钛合金棒材》的要求。
上述的一种生产α、近α或α+β钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金铸锭的直径为500mm～700mm，步骤四中所述钛合金棒材的直径为50mm～200mm。
上述的一种生产α、近α或α+β钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤一中所述钛合金铸锭的质量为500kg～1000kg。
上述的一种生产α、近α或α+β钛合金棒材的方法，其特征在于，步骤一中所述镦拔锻造的道次变形量不小于30％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明依次对钛合金铸锭进行一火次大变形镦拔制坯和一火次径锻成型，生产α钛合金棒材、近α钛合金棒材和α+β钛合金棒材，首先通过在相变点以上160℃条件下的大变形镦拔，使钛合金铸锭组织中的晶粒得到快速细化和充分破碎，得到钛合金中间坯料，然后采用径锻机组对钛合金中间坯料进行连续径向旋转捶打和轴向拔长变形，使钛合金中间坯料各部分均匀变形，同时改善了镦拔后的钛合金中间坯料的组织粗大缺陷，减少了裂纹的产生，大大减少了制坯的次数，简化了生产步骤，提高了生产效率，降低了生产成本。
2、本发明在相变点以上160℃的条件下进行高温镦拔，在钛合金的变形抗力较小的情况下，使α钛合金铸锭、近α钛合金铸锭或者α+β钛合金铸锭充分变形，晶粒破碎，从而在一火次内完成九镦九拔锻造，使α钛合金铸锭、近α钛合金铸锭或者α+β钛合金铸锭中的粗大晶粒转化为组织细小的晶粒，微观组织结构趋于有序，从而保证了产品钛合金棒材的力学性能。
3、本发明采用径锻机组对钛合金中间坯料进行连续快速径向旋转移动捶打，径锻的变形发热一定程度上补偿了钛合金中间坯料辐射、对流、传导降温的热损失，延长了可锻时间，从而实现了一火次径锻成型。
4、本发明制备得到的α钛合金棒材、近α钛合金棒材和α+β钛合金棒材的室温力学性能均符合gb/t2965-2007《钛及钛合金棒材》中的要求。
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
图1是本发明实施例1制备的tc4钛合金中间坯料的显微组织图。
图2是本发明实施例1制备的tc4钛合金棒材的显微组织图。
图3是本发明实施例2制备的tc4钛合金中间坯料的显微组织图。
图4是本发明实施例2制备的tc4钛合金棒材的显微组织图。
图5是本发明实施例3制备的tc4钛合金中间坯料的显微组织图。
图6是本发明实施例3制备的tc4钛合金棒材的显微组织图。
图7是本发明实施例4制备的ta15钛合金中间坯料的显微组织图。
图8是本发明实施例4制备的ta15钛合金棒材的显微组织图。
图9是本发明实施例5制备的ta2钛合金中间坯料的显微组织图。
图10是本发明实施例5制备的ta2钛合金棒材的显微组织图。
具体实施方式
本发明实施例1～实施例5中所采用的径锻机组均为奥地利gfm公司的sx-40径锻机组。
实施例1
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量为3200kg、直径为500mm的tc4钛合金铸锭去除冒口和冒底，然后沿着长度方向锯切为6件质量均为500kg的tc4钛合金铸锭，将质量为500kg的tc4钛合金铸锭在1150℃的条件下先加热保温5h，再采用3000吨油压机逐件进行一火次的九镦九拔锻造，经滚圆后得到tc4钛合金中间坯料；所述钛合金铸锭符合gb/t26060-2010《钛及钛合金铸锭》的要求；所述3000吨油压机的压速度为1～2次/min；所述九镦九拔锻造的道次变形量为50％，所述九镦九拔锻造的终锻温度为800℃；所述tc4钛合金中间坯料的直径为150mm；
步骤二、将步骤一中得到的tc4钛合金中间坯料进行修磨处理，去除端头和表面的裂纹、折叠等缺陷；
步骤三、将步骤二中经修磨处理后的tc4钛合金中间坯料在500℃的条件下进行预热并保温2h，然后加热到930℃先保温，再进行一火次的径锻，并利用径锻余温进行矫直处理，得到tc4钛合金棒坯；所述径锻过程中经修磨处理后的tc4钛合金中间坯料被夹持旋转作径向移动，tc4钛合金中间坯料径向移动的同时在同一横截面上被4个锤头锤打，归圆缩径变形直至锻造尺寸；其中，4个所述锤头中相邻两个锤头之间的夹角为90°，所述旋转的速度为30r/min；一火次的径锻的总变形量为89％；
步骤四、将步骤三中得到的tc4钛合金棒坯在800℃的条件下进行退火处理2h，然后空冷并利用退火余温进行矫直，得到tc4钛合金棒材；所述tc4钛合金棒材的直径为50mm。
经检测，本实施例制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能见下表1。
表1实施例1制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能
由表1可知，本实施例制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能符合gb/t2965-2007《钛及钛合金棒材》中的要求，说明本发明的制备方法在减少制坯和径锻次数的同时，保证了产品tc4钛合金棒材的力学性能。
图1是本实施例制备的tc4钛合金中间坯料的显微组织图，从图1可以看出本实施例制备的tc4钛合金中间坯料主要由β组织间隔的片状α组织构成，存在粗大的集束，说明虽然经过大变形镦拔锻造使tc4钛合金组织中的晶粒得到了细化和破碎，但尚不充分。
图2是本实施例制备的tc4钛合金棒材的显微组织图，从图2可以看出本实施例制备的tc4钛合金棒材主要由等轴α组织构成，同时有少量的β组织，说明一火次径锻使tc4钛合金中间坯料组织的变形更加均匀充分，使镦拔后的tc4钛合金中间坯料的集束缺陷得到改善。
实施例2
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量为3200kg、直径为600mm的tc4钛合金铸锭去除冒口和冒底，然后沿着长度方向锯切为4件质量均为750kg的tc4钛合金铸锭，将质量为750kg的tc4钛合金铸锭在1150℃的条件下先加热保温5h，再采用3000吨油压机逐件进行一火次的九镦九拔锻造，经滚圆后得到tc4钛合金中间坯料；所述钛合金铸锭符合gb/t26060-2010《钛及钛合金铸锭》的要求；所述3000吨油压机的压速度为1～2次/min；所述九镦九拔锻造的道次变形量为40％，所述九镦九拔锻造的终锻温度为800℃；所述tc4钛合金中间坯料的直径为200mm；
步骤二、将步骤一中得到的tc4钛合金中间坯料进行修磨处理，去除端头和表面的裂纹、折叠等缺陷；
步骤三、将步骤二中经修磨处理后的tc4钛合金中间坯料在500℃的条件下进行预热并保温2h，然后加热到930℃先保温，再进行一火次的径锻，并利用径锻余温进行矫直处理，得到tc4钛合金棒坯；所述径锻过程中经修磨处理后的tc4钛合金中间坯料被夹持旋转作径向移动，tc4钛合金中间坯料径向移动的同时在同一横截面上被4个锤头锤打，归圆缩径变形直至锻造尺寸；其中，4个所述锤头中相邻两个锤头之间的夹角为90°，所述旋转的速度为30r/min；一火次的径锻的总变形量为45％；
步骤四、将步骤三中得到的tc4钛合金棒坯在800℃的条件下进行退火处理2h，然后空冷并利用退火余温进行矫直，得到tc4钛合金棒材；所述tc4钛合金棒材的直径为150mm。
经检测，本实施例制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能见下表2。
表2实施例2制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能
由表2可知，本实施例制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能符合gb/t2965-2007《钛及钛合金棒材》中的要求，说明本发明的制备方法在减少制坯和径锻次数的同时，保证了产品tc4钛合金棒材的力学性能。
图3是本实施例制备的tc4钛合金中间坯料的显微组织图，从图3可以看出本实施例制备的tc4钛合金中间坯料主要由拉长α组织和部分网篮组织构成，说明虽然经过大变形镦拔锻造使tc4钛合金组织中的晶粒得到了细化和破碎，但尚不充分。
图4是本实施例制备的tc4钛合金棒材的显微组织图，从图4可以看出本实施例制备的tc4钛合金棒材主要由等轴α组织和片状α组织构成，同时有少量的β组织，说明一火次径锻使tc4钛合金中间坯料组织的变形更加均匀充分，使镦拔后的tc4钛合金中间坯料的网篮组织得到改善。
实施例3
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量为3200kg、直径为700mm的tc4钛合金铸锭去除冒口和冒底，然后沿着长度方向锯切为3件质量均为1000kg的tc4钛合金铸锭，将质量为1000kg的tc4钛合金铸锭在1150℃的条件下先加热保温7h，再采用3000吨油压机逐件进行一火次的九镦九拔锻造，经滚圆后得到tc4钛合金中间坯料；所述钛合金铸锭符合gb/t26060-2010《钛及钛合金铸锭》的要求；所述3000吨油压机的压速度为1～2次/min；所述九镦九拔锻造的道次变形量为30％，所述九镦九拔锻造的终锻温度为800℃；所述tc4钛合金中间坯料的直径为270mm；
步骤二、将步骤一中得到的tc4钛合金中间坯料进行修磨处理，去除端头和表面的裂纹、折叠等缺陷；
步骤三、将步骤二中经修磨处理后的tc4钛合金中间坯料在500℃的条件下进行预热并保温2h，然后加热到930℃先保温，再进行一火次的径锻，并利用径锻余温进行矫直处理，得到tc4钛合金棒坯；所述径锻过程中经修磨处理后的tc4钛合金中间坯料被夹持旋转作径向移动，tc4钛合金中间坯料径向移动的同时在同一横截面上被4个锤头锤打，归圆缩径变形直至锻造尺寸；其中，4个所述锤头中相邻两个锤头之间的夹角为90°，所述旋转的速度为30r/min；一火次的径锻的总变形量为45％；
步骤四、将步骤三中得到的tc4钛合金棒坯在800℃的条件下进行退火处理2h，然后空冷并利用退火余温进行矫直，得到tc4钛合金棒材；所述tc4钛合金棒材的直径为200mm。
经检测，本实施例制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能见下表3。
表3实施例3制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能
由表3可知，本实施例制备的tc4钛合金棒材的室温力学性能符合gb/t2965-2007《钛及钛合金棒材》中的要求，说明本发明的制备方法在减少制坯和径锻次数的同时，保证了产品tc4钛合金棒材的力学性能。
图5是本实施例制备的tc4钛合金中间坯料的显微组织图，从图5可以看出本实施例制备的tc4钛合金中间坯料主要由β组织间隔的片状α组织构成，存在粗大的集束，说明虽然经过大变形镦拔锻造使tc4钛合金组织中的晶粒得到了细化和破碎，但尚不充分。
图6是本实施例制备的tc4钛合金棒材的显微组织图，从图6可以看出本实施例制备的tc4钛合金棒材主要由等轴α组织、片状α组织和拉长α组织构成，同时有少量的β组织，说明一火次径锻使tc4钛合金中间坯料组织的变形更加均匀充分，使镦拔后的tc4钛合金中间坯料的集束缺陷得到改善。
实施例4
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量为3200kg、直径为700mm的ta15钛合金铸锭去除冒口和冒底，然后沿着长度方向锯切为3件质量均为1000kg的ta15钛合金铸锭，将质量为1000kg的ta15钛合金铸锭在1150℃的条件下先加热保温7h，再采用3000吨油压机逐件进行一火次的九镦九拔锻造，经滚圆后得到ta15钛合金中间坯料；所述ta15钛合金铸锭符合gb/t26060-2010《钛及钛合金铸锭》的要求；所述3000吨油压机的压速度为1～2次/min；所述九镦九拔锻造的道次变形量为30％，所述九镦九拔锻造的终锻温度为800℃；所述ta15钛合金中间坯料的直径为270mm；
步骤二、将步骤一中得到的ta15钛合金中间坯料进行修磨处理，去除端头和表面的裂纹、折叠等缺陷；
步骤三、将步骤二中经修磨处理后的ta15钛合金中间坯料在500℃的条件下进行预热并保温2h，然后加热到930℃先保温，再进行一火次的径锻，并利用径锻余温进行矫直处理，得到ta15钛合金棒坯；所述径锻过程中经修磨处理后的ta15钛合金中间坯料被夹持旋转作径向移动，ta15钛合金中间坯料径向移动的同时在同一横截面上被4个锤头锤打，归圆缩径变形直至锻造尺寸；其中，4个所述锤头中相邻两个锤头之间的夹角为90°，所述旋转的速度为30r/min；一火次的径锻的总变形量为45％；
步骤四、将步骤三中得到的ta15钛合金棒坯在800℃的条件下进行退火处理2h，然后空冷并利用退火余温进行矫直，得到ta15钛合金棒材；所述ta15钛合金棒材的直径为200mm。
经检测，本实施例制备的ta15钛合金棒材的室温力学性能见下表4。
表4实施例4制备的ta15钛合金棒材的室温力学性能
由表4可知，本实施例制备的ta15钛合金棒材的室温力学性能符合gb/t2965-2007《钛及钛合金棒材》中的要求，说明本发明的制备方法在减少制坯和径锻次数的同时，保证了产品ta15钛合金棒材的力学性能。
图7是本实施例制备的ta15钛合金中间坯料的显微组织图，从图7可以看出本实施例制备的ta15钛合金中间坯料主要由等轴α、片状α和拉长α组织构成，部分α组织粗大，说明虽然经过大变形镦拔锻造使ta15钛合金组织中的晶粒得到了细化和破碎，但尚不充分。
图8是本实施例制备的ta15钛合金棒材的显微组织图，从图8可以看出本实施例制备的ta15钛合金棒材主要由等轴α、片状α和拉长α组织构成，同时有少量的β组织，说明一火次径锻使ta15钛合金中间坯料组织的变形更加均匀充分，使镦拔后的ta15钛合金中间坯料的组织粗大缺陷得到改善。
实施例5
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量为3200kg、直径为700mm的ta2钛合金铸锭去除冒口和冒底，然后沿着长度方向锯切为3件质量均为1000kg的ta2钛合金铸锭，将质量为1000kg的ta2钛合金铸锭在1070℃的条件下先加热保温7h，再采用3000吨油压机逐件进行一火次的九镦九拔，经滚圆后得到ta2钛合金中间坯料；所述ta2钛合金铸锭符合gb/t26060-2010《钛及钛合金铸锭》的要求；所述3000吨油压机的压速度为1～2次/min；所述九镦九拔锻造的道次变形量为30％，所述九镦九拔的终锻温度为800℃；所述ta2钛合金中间坯料的直径为270mm；
步骤二、将步骤一中得到的ta2钛合金中间坯料进行修磨处理，去除端头和表面的裂纹、折叠等缺陷；
步骤三、将步骤二中经修磨处理后的ta2钛合金中间坯料在500℃的条件下进行预热并保温2h，然后加热到840℃先保温，再进行一火次的径锻，并利用径锻余温进行矫直处理，得到ta2钛合金棒坯；所述径锻过程中经修磨处理后的ta2钛合金中间坯料被夹持旋转作径向移动，ta2钛合金中间坯料径向移动的同时在同一横截面上被4个锤头锤打，归圆缩径变形直至锻造尺寸；其中，4个所述锤头中相邻两个锤头之间的夹角为90°，所述旋转的速度为30r/min；一火次的径锻的总变形量为45％；
步骤四、将步骤三中得到的ta2钛合金棒坯在700℃的条件下进行退火处理2h，然后空冷并利用退火余温进行矫直，得到ta2钛合金棒材；所述ta2钛合金棒材的直径为200mm。
经检测，本实施例制备的ta2钛合金棒材的室温力学性能见下表5。
表5实施例5制备的ta2钛合金棒材的室温力学性能
由表5可知，本实施例制备的ta2钛合金棒材的室温力学性能符合gb/t2965-2007《钛及钛合金棒材》中的要求，说明本发明的制备方法在减少制坯和径锻次数的同时，保证了产品ta2钛合金棒材的力学性能。
图9是本实施例制备的ta2钛合金中间坯料的显微组织图，从图9可以看出本实施例制备的ta2钛合金中间坯料主要由粗大的α组织构成，说明虽然经过大变形镦拔锻造使ta2钛合金组织中的晶粒得到了细化和破碎，但尚不充分。
图10是本实施例制备的ta2钛合金棒材的显微组织图，从图10可以看出本实施例制备的ta2钛合金棒材主要由细化的等轴α组织构成，说明说明一火次径锻使ta2钛合金中间坯料组织的变形更加均匀充分，使镦拔后的ta2钛合金中间坯料的组织粗大缺陷得到改善。
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。