一种耐热钛合金丝材的制备方法和应用与流程

本发明属于钛基合金领域，具体涉及到一种在600℃～650℃内使用耐热钛合金丝材的加工制造方法和应用。

背景技术：

钛合金由于具有比强度高、使用温度范围广、抗疲劳性能优异等特点，非常适合在高速飞行器上作为紧固件使用。另外，钛合金比合金钢更耐腐蚀，在许多环境下不需要保护涂层，因而也是应用于某些腐蚀或高温等恶劣环境下的紧固件材料。使用钛合金紧固件产生的减重效果，对提高飞行器的推进力、增加射程、节省燃料等都将产生巨大的效应。

目前，航空钛合金紧固件使用比较广泛，常见的原材料有tc4、tc16钛合金等。国内的大部分工作对合金化、热处理、热加工等对钛合金紧固件用丝材的组织、性能都进行了一些研究，但几乎全部都是对室温环境下航空用紧固件丝材的报道，而对于航空航天紧固件用高温钛合金丝材的研究还没有报道。随着航天巡航导弹马赫数的增加，对高温钛合金紧固件的需求也逐渐加大，特别是对600℃～650℃范围内使用的紧固件用丝材需求日益加大。作为发动机转动件材料，ti60钛合金是国内比较成熟的600℃长时使用的钛合金，可以作为高温钛合金紧固件的选用材料。大量的工作对ti60钛合金小棒材、大棒材、模锻件和板材等产品的加工工艺都进行了非常详细的研究，但对于丝材的加工工艺还没有研究。

对于tc4、tc16等钛合金丝材的制备，常采用大变形量轧制，使用圆盘拉丝机冷拉或加热拉拔，采用双曲线或滑块矫直机冷矫直的方式获得丝材，这基于此类合金较低的强度和优异的塑形。600℃长时使用的钛合金具备优异的高温蠕变和持久性能，但室温或中低温塑形较差，无法使用传统的加工工艺制备。本发明公开了一种使用温度超过600℃的耐热钛合金丝材的制备工艺，制备出性能和表面质量均满足要求的钛合金丝材。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种600℃～650℃范围内使用的耐热钛合金ti60丝材的制备方法。该方法利用多种中间合金添加及真空自耗三次熔炼制备铸锭，锻造、精锻和热轧工艺将ti60钛合金棒坯加工成丝材，然后再利用摩擦力小、丝材拉拔过程中无明显弯曲和剪切的直拉机进行连续高温拉拔，从而制备出具有高质量的ti60丝材。本方法特别适用于工业化制备ti60丝材，生产工序简单，易于控制丝材的性能和质量。

本发明的技术方案是：

一种耐热钛合金丝材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用真空自耗熔炼工艺熔炼ti60钛合金铸锭；

原材料采用0～1级海绵钛，合金元素sn、mo、si、nb、ta以中间合金形式加入；al部分由中间合金带入，不足部分以纯al加入；zr和c分别以海绵zr和碳粉形式加入；

步骤二、采用自由锻造工艺将熔炼出的钛合金铸锭锻造成棒材；

铸锭在1000～1200℃加热2～6小时，采用油压机自由锻造2～4火次，加热温度随锻造火次增加逐渐降低，最大降幅不超过100℃；

步骤三、采用精锻工艺将钛合金棒材精锻成粗棒坯；

棒材在950～1050℃加热30～75min，锻造加热温度随锻造火次增加逐渐降低，采用精锻机热锻造总火次3～5火；

步骤四、采用热轧工艺将钛合金粗棒坯轧制成φ10mm～φ12mm的直条丝坯；

步骤五、对钛合金退火丝坯进行表面处理；所述表面处理的具体过程为：首先对钛合金直条丝坯进行扒皮处理，去除丝坯表面的氧化皮、裂纹等缺陷，然后再进行预氧化挂氧化膜处理；

步骤六、采用直拉丝机对步骤五中表面处理后的ti60钛合金丝坯进行连续高温拉拔变形，累计变形量为55～75％，得到直径较小的丝材；

步骤七、采用电加热张力矫直经过步骤六拉拔后的丝材；

步骤八、对经步骤七矫直后的丝材在750～820℃加热，保温1～3小时，炉冷或空冷，进行退火热处理；

步骤九、对经步骤八退火后的ti60丝材进行无心磨。

作为优选的技术方案：

步骤一中，中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极；将电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼3次，制成合金铸锭；其中制备电极时采用布料方式，即海绵钛平均分为四层，混合均匀后的中间合金分为三层，平均夹在四层海绵钛中间。

步骤二中，每火次名义变形量不低于40％，单次进砧量不低于10％。

步骤三中，每火次名义变形量不低于40％，单道次变形量不低于10％以保证心部充分变形。

步骤四中，棒材在950～1050℃加热，保温1～2小时，采用热轧工艺，轧制变形量控制在84％～88％。

步骤五中，采用无心车，对轧制成的直条棒材进行扒皮，车掉表面氧化皮、裂纹等缺陷；采用管式炉或台车炉在750～850℃加热30-120分钟，表面挂氧化膜。

步骤六中，在750～850℃加热，采用石墨乳和二硫化钼润滑，采用直拔工艺，将轧棒热拉成丝材；其中拉丝速率为0.5m/min～1.5m/min，道次变形量为5％～8％，累计变形量50％～80％。

步骤七中，拉拔后的丝材加热到750～800℃，采用电加热张力矫直工艺将丝材矫直。

步骤八中，优选的热处理方法为：在800℃加热，保温2小时，炉冷，进行退火热处理。

步骤九中，使用无心磨工艺，磨抛光丝材。

本发明合金通过不同的热加工和热处理工艺组合，可获得拉伸强度、塑性、剪切强度的不同匹配，可用于制作先进航空航天用铆钉、螺栓、螺母等紧固件，在600～650℃范围内使用。

本发明的耐热钛合金丝材加工制造方法的选择，是经过多年的深入研究和反复实验而得出的，其设计思想分别说明如下：

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明钛合金熔炼过程中，为避免各种熔点不一的元素有烧损或未熔的情况，选择二元中间合金的方式加入。ti60钛合金中主要合金元素为al、sn、zr、mo、si、nb、ta等。相对于ti元素，al元素的熔点较低，密度较小，熔点为660.4℃，密度为2.70g/cm³(20℃时)，同一温度下的饱和蒸汽压远远大于ti的饱和蒸汽压，而sn熔点231.9℃，与al同为易挥发的合金元素。mo元素为高熔点难容金属，其熔点为2623℃，较ti的熔点高约1000℃左右，密度为10.22g/cm³(20℃时)，是ti密度的二倍多。mo元素在铸锭结晶时具有较大的偏析倾向。nb熔点为2477℃，ta熔点则高达3017℃。熔点的巨大差距极易造成元素烧损或未熔。因此采取有效措施保证al、sn、mo、nb、ta各元素充分合金化和均匀化是ti60钛合金铸锭熔炼工艺研究的关键之一。合金元素的加入方式选择不当，极易造成高密度夹杂及偏析的冶金缺陷。为了使各元素在铸锭中充分合金化，本发明采用了熔点及密度与基体较为接近的中间合金，例如低熔点元素sn以ti-sn或al-sn中间合金的方式加入，高密度难熔金属mo、nb、ta元素以中间合金al-mo、al-nb和al-ta、ti-ta或al-ta-ti中间合金的方式加入，si元素以al-si的方式加入，因此绝大多数的al元素被二元中间合金带入，剩余少量al元素用纯al配齐，以此满足ti60钛合金铸锭的生产要求。

铸锭化学成分的均匀性与电极中各合金元素原始分布的合理性有很大关系。本发明未采用合金添加剂以合金包方式加入，而采用特殊的布、混料生产工艺，以提高合金元素在电极中的分布的合理性，进一步保证铸锭中各元素的分布均匀性。制备电极时采用布料方式，即海绵钛平均分为四层，混合均匀后的中间合金分为三层，平均夹在四层海绵钛中间，具体操作过程如下：

(1)按配料单称量海绵钛、中间合金和合金元素，每支电极重22kg；

(2)中间合金与合金元素混合均匀；

(3)在模具的底部铺垫一层海绵钛(约海绵钛重量的四分之一)；

(4)将已混好的中间合金与合金元素的三分之一倒入底层海绵钛上；

(5)倒入另外四分之一的海绵钛；

(6)倒入另外三分之一的中间合金与合金元素；

(7)倒入另外四分之一的海绵钛；

(8)倒入剩下的三分之一中间合金与合金元素；

(9)倒入剩下四分之一的海绵钛；

(10)液压机加压至1500吨以上；

(11)脱模，得电极。

2、为了获得均匀的显微组织，钛合金需要在α+β两相区有充分变形。本发明合金添加的合金元素种类多、合金化程度高、锻造开裂倾向明显。研究发现：本发明的钛合金，其锻造开裂倾向与显微组织均匀性及晶粒尺寸有关，均匀细小的显微组织开裂倾向会显著降低。为此，在α+β两相区也采用了多火次逐级降温的方法，随着变形火次的增加及显微组织均匀性的改善，逐渐降低变形加热温度，在有效减少开裂的同时，获得均匀细小的锻态显微组织。

3、研究发现，热变形过程中尤其是在圆到方变形时，单次进砧量低于10％时会出现明显的变形死区，圆到方变形时死区出现在心部，方到方变形时死区在砧头接触面周围。为最大限度防止变形死区出现，提高锻造效率，本发明要求进砧量不低于10％(名义变形)。

4、良好的棒材外表面是保证ti60钛合金轧制过程中丝材不开裂的关键因素。本发明采用具有四个方向锤头的精锻机进行高频锻造。高频锻造频率可达600次每分钟，全自动棒料旋转及四个锤头的高频锻造保证ti60棒材表面光滑，无明显缺陷。

5、本发明的轧制工艺比较关键，与其它钛合金轧制工艺不同，ti60钛合金轧制变形量过大极易造成开裂，轧制变形量过小又会造成粗大的组织破碎不充分，因此选择在高的两相区温度或β相变点左右进行轧制，变形量控制在84％～88％。

6、研究还发现，ti60由于其耐高温特性导致轧制表面微裂纹较多，如采用传统的先规圆再模具扒皮的方式会造成裂纹向棒材内部扩展。本发明采用无心车，对轧制成的直条棒材进行扒皮，车掉表面氧化皮、微裂纹等缺陷；然后采用管式炉在750～850℃加热30～120分钟，表面挂氧化膜以增加丝材表面润滑剂的附着力。

7、本发明中拉丝采用直拉方式，避免了采用圆盘拉丝会造成的丝材断裂等问题。。此外，ti60钛合金丝材不能采用传统的双曲线或滑块冷矫直，必须采用电加热张力矫直，控制温度和张力，保证丝材直度及显微组织。

附图说明

图1为实施例1制备的ti60钛合金丝材显微形貌。

图2为实施例2制备的ti60钛合金丝材显微形貌。

图3为实施例3制备的ti60钛合金丝材显微形貌。

图4为实施例4制备的ti60钛合金丝材显微形貌。

图5为实施例5制备的ti60钛合金丝材显微形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

冶炼工艺：原材料采用0级海绵钛，合金元素sn、mo、si、nb、ta以中间合金的形态加入；al除中间合金带入部分外，不足部分以纯al豆形态加入；zr和c分别以海绵zr和碳粉形态加入。含sn中间合金为ti-sn，含mo中间合金为al-mo，含si中间合金为al-si，含nb中间合金为al-nb，含ta中间合金为al-ta-ti，海绵钛平均分为四层，混合均匀后的中间合金分为三层，平均夹在四层海绵钛中间，中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼3次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。

自由锻造工艺：将φ365mm的ti60钛合金铸锭在1150℃下，保温3小时，锻造成220mm方坯；锯切修磨后，在1150℃下保温2小时，锻造成φ170mm棒；锯切修磨后，在1100℃下保温2小时，锻造成φ120mm棒；

精锻工艺：将φ120mm棒锯切修磨后，在1050℃下保温70分钟，锻造成φ80mm棒；锯切修磨后，在1050℃下保温45分钟，锻造成φ55mm棒；锯切修磨后，在1000℃下保温30分钟，锻造成φ30mm棒。

轧制工艺：将φ30mm的ti60钛合金粗棒坯修磨锯切后在1000℃下，保温1小时，轧制至φ12mm。

拉丝工艺：将φ12mm棒材采用无心车扒皮至φ11mm；采用管式炉在850℃加热30分钟，表面挂氧化膜；在850℃加热，采用石墨乳和二硫化钼润滑，利用直拔工艺，将轧棒热拉成丝材，拉丝速率为1.5m/min，道次变形量约为8％，累计变形量为60％，得到直径为φ6.9mm的丝材；在780℃加热，采用电加热张力矫直工艺将丝材矫直。

热处理工艺：丝材逐根摆放在内壁平直的耐高温铸铁内，在820℃加热，保温2小时，炉冷进行退火热处理；使用无心磨床磨抛光丝材，得到直径为φ6.1mm的成品丝材；具体化学成分见表1，具体力学性能见表2，显微组织见图1。

表1：1#实施例合金成分(质量百分数，wt％)

表2：1#实施例热处理制度及性能

实施例2

冶炼工艺：原材料采用0级海绵钛，合金元素sn、mo、si、nb、ta以中间合金的形态加入；al除中间合金带入部分外，不足部分以纯al豆形态加入；zr和c分别以海绵zr和碳粉形态加入。含sn中间合金为ti-sn，含mo中间合金为al-mo，含si中间合金为al-si，含nb中间合金为al-nb，含ta中间合金为al-ta-ti，中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼3次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。

自由锻造工艺：将φ365mm的ti60钛合金铸锭在1150℃下，保温3小时，锻造成220mm方坯；锯切修磨后，在1100℃下保温2小时，锻造成φ170mm棒；锯切修磨后，在1080℃下保温2小时，锻造成φ130mm棒。

精锻工艺：将φ130mm棒锯切修磨后，在1050℃下保温70分钟，锻造成φ80mm棒；锯切修磨后，在1050℃下保温45分钟，锻造成φ55mm棒；锯切修磨后，在1000℃下保温30分钟，锻造成φ30mm棒。

轧制工艺：将φ30mm的ti60钛合金粗棒坯在1020℃下，保温1小时，轧制至φ12mm。

拉丝工艺：将φ12mm棒材采用无心车扒皮至φ11mm；采用管式炉在820℃加热30分钟，表面挂氧化膜；在850℃加热，采用石墨乳和二硫化钼润滑，利用直拔工艺，将轧棒热拉成丝材，拉丝速率为1.5m/min，道次变形量约为8％，累计变形量为60％，得到直径为φ6.9mm的丝材；在780℃加热，采用电加热张力矫直工艺将丝材矫直。

热处理工艺：丝材逐根摆放在内壁平直的耐高温铸铁内，在800℃加热，保温2小时，炉冷进行退火热处理；使用无心磨床磨抛光丝材，得到直径为φ6.1mm的成品丝材；具体化学成分见表3，具体力学性能见表4，显微组织见图2。

表3：2#实施例合金成分(质量百分数，wt％)

表4：2#实施例热处理制度及性能

实施例3

冶炼工艺：原材料采用0级海绵钛，合金元素sn、mo、si、nb、ta以中间合金的形态加入；al除中间合金带入部分外，不足部分以纯al豆形态加入；zr和c分别以海绵zr和碳粉形态加入。含sn中间合金为ti-sn，含mo中间合金为al-mo，含si中间合金为al-si，含nb中间合金为al-nb，含ta中间合金为al-ta，中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼3次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。

自由锻造工艺：将φ365mm的ti60钛合金铸锭在1180℃下，保温3小时，锻造成220mm方坯；锯切修磨后，在1100℃下保温2小时，锻造成φ170mm棒；锯切修磨后，在1080℃下保温2小时，锻造成φ120mm棒。

精锻工艺：将φ130mm棒锯切修磨后，在1050℃下保温70分钟，锻造成φ80mm棒；锯切修磨后，在1050℃下保温45分钟，锻造成φ55mm棒；锯切修磨后，在1000℃下保温30分钟，锻造成φ33mm棒。

轧制工艺：将φ33mm的ti60钛合金粗棒坯在1000℃下，保温1小时，轧制至φ12mm。

拉丝工艺：将φ12mm棒采用无心车扒皮至φ11mm；采用管式炉在820℃加热45分钟，表面挂氧化膜；在820℃加热，采用石墨乳和二硫化钼润滑，利用直拔工艺，将轧棒热拉成丝材，拉丝速率为1.5m/min，道次变形量约为8％，累计变形量为60％，得到直径为φ6.9mm的丝材；在780℃加热，采用电加热张力矫直工艺将丝材矫直；

热处理工艺：丝材逐根摆放在内壁平直的耐高温铸铁内，在820℃加热，保温2小时，炉冷进行退火热处理；使用无心磨工艺，磨抛光丝材，得到直径为φ6.1mm的成品丝材；具体化学成分见表5，具体力学性能见表6，显微组织见图3。

表5：3#实施例合金成分(质量百分数，wt％)

表6：3#实施例热处理制度及性能

实施例4

冶炼工艺：原材料采用0级海绵钛，合金元素sn、mo、si、nb、ta以中间合金的形态加入；al除中间合金带入部分外，不足部分以纯al豆形态加入；zr和c分别以海绵zr和碳粉形态加入。含sn中间合金为ti-sn，含mo中间合金为al-mo，含si中间合金为al-si，含nb中间合金为al-nb，含ta中间合金为ti-ta，中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼3次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。

自由锻造工艺：将φ365mm的ti60钛合金铸锭在1180℃下，保温3小时，锻造成220mm方坯；锯切修磨后，在1150℃下保温2小时，锻造成φ170mm棒；锯切修磨后，在1080℃下保温2小时，锻造成φ125mm棒。

精锻工艺：将φ125mm棒锯切修磨后，在1050℃下保温70分钟，锻造成φ80mm棒；锯切修磨后，在1050℃下保温45分钟，锻造成φ55mm棒；锯切修磨后，在1000℃下保温30分钟，锻造成φ35mm棒。

轧制工艺：将φ35mm的ti60钛合金粗棒坯在1000℃，保温1小时，轧制至φ12mm。

拉丝工艺：将φ12mm棒采用无心车扒皮至φ11mm；采用台车炉在850℃加热120分钟，表面挂氧化膜；在820℃加热，采用石墨乳和二硫化钼润滑，利用直拔工艺，将轧棒热拉成丝材，拉丝速率为1.5m/min，道次变形量约为8％，累计变形量为60％，得到直径为φ6.9mm的丝材；在780℃加热，采用电加热张力矫直工艺将丝材矫直；

热处理工艺：丝材逐根摆放在内壁平直的耐高温铸铁内，在800℃加热，保温2小时，炉冷进行退火热处理；使用无心磨床磨抛光丝材，得到直径为φ6.1mm的成品丝材；具体化学成分见表7，具体力学性能见表8，显微组织见图4。

表7：4#实施例合金成分(质量百分数，wt％)

表8：4#实施例热处理制度及性能

实施例5

冶炼工艺：原材料采用0级海绵钛，合金元素sn、mo、si、nb、ta以中间合金的形态加入；al除中间合金带入部分外，不足部分以纯al豆形态加入；zr和c分别以海绵zr和碳粉形态加入。含sn中间合金为ti-sn，含mo中间合金为al-mo，含si中间合金为al-si，含nb中间合金为al-nb，含ta中间合金为ti-ta，中间合金与海绵钛经配料、混料后，用压机压制成电极。将若干支电极组焊在一起，在真空自耗电弧炉中熔炼3次，制成合金铸锭。铸锭在切除帽口、剔除表面缺陷后，进入热加工工序。

自由锻造工艺：将φ365mm的ti60钛合金铸锭在1180℃下，保温3小时，锻造成220mm方坯；锯切修磨后，在1150℃下保温2小时，锻造成φ170mm棒；锯切修磨后，在1080℃下保温2小时，锻造成φ125mm棒。

精锻工艺：将φ125mm棒锯切修磨后，在1050℃下保温70分钟，锻造成φ80mm棒；锯切修磨后，在1050℃下保温45分钟，锻造成φ55mm棒；锯切修磨后，在1000℃下保温30分钟，锻造成φ32mm棒。

轧制工艺：将φ32mm的ti60钛合金粗棒坯在1050℃，保温1小时，轧制至φ10mm。

拉丝工艺：将φ10mm棒采用无心车扒皮至φ9mm；采用台车炉在850℃加热120分钟，表面挂氧化膜；在820℃加热，采用石墨乳和二硫化钼润滑，利用直拔工艺，将轧棒热拉成丝材，拉丝速率为1.5m/min，道次变形量约为8％，累计变形量为72％，得到直径为φ4.7mm的丝材；在780℃加热，采用电加热张力矫直工艺将丝材矫直；

热处理工艺：丝材逐根摆放在内壁平直的耐高温铸铁内，在750℃加热，保温2小时，炉冷进行退火热处理；使用无心磨床磨抛光丝材，得到直径为φ4.0mm的成品丝材；具体化学成分见表9，具体力学性能见表10，显微组织见图4。

表9：5#实施例合金成分(质量百分数，wt％)

表10：5#实施例热处理制度及性能

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。