一种高冲击韧性的钛合金板材及其加工工艺的制作方法

本发明涉及有色金属加工技术领域，具体涉及一种高冲击韧性的钛合金板材及其加工工艺。

背景技术：

钛合金具有较高的屈服强度、高比模量、较低的密度、较高的比强度、优异的耐蚀性及良好的力学性能，广泛应用于航空航天、汽车、医疗、化工、海洋工程等领域。钛合金经常作为结构材料应用于潜艇、深潜器和船舶上，在海洋石油开采领域，钛合金油井管也有不小的应用前景。在这些应用上，除了常规的力学性能以外，对钛合金的冲击韧性的要求也非常高。冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下下吸收塑性变形功和断裂功的能力，可以反应材料对外来冲击负荷的抵抗能力，一般由冲击韧性值（ak）和冲击功（ak）表示，其单位分别为j/cm²和j（焦耳）。

通常，钛合金的冲击韧性不高，与应用场合要求不相匹配时有发生，cn106695064a的中国专利公开了一种优化亚稳态钛合金韧性匹配的方法，在热处理条件下提供较高温度的冷却氛围；在氩弧焊条件下将坡口区母材加热到一定温度；在电子束焊接条件下采用三次焊接、每次熔合区逐步增大的焊接成型工艺，从而优化热处理结构/焊接接头区域的温度场，减缓起冷却速度，抑制亚稳脆性相合成，提高焊接接头的韧性。而对于钛合金，其热加工工艺形成的组织类型对强度、冲击韧性等性能有很大的影响，双态组织在β转变组织的基体上分布着互不相连的初生α相，且初生α相的总含量不超过50%；等轴组织在均匀分布的含量超过50%的初生α相基体上，分布着一定数量的转变β组织；魏氏组织具有粗大的原始β晶粒和完整的晶界α相，在原始β晶粒内形成尺寸较大的“束集”，同一“束集”有较多的α片彼此平行，成同一取向。对不同热加工工艺得到的钛合金进行取10×10×55mm的标准冲击样，开v型缺口，在-10℃下进行低温冲击试验，得到的结果显示：双态组织的钛合金试样冲击韧性最高，等轴组织的钛合金试样的冲击韧性次之，魏氏组织的钛合金试样的冲击韧性最低。因此，要提高钛合金的冲击韧性，则需要调整加工工艺，确保最后得到的钛合金组织为等轴或双态组织。

技术实现要素：

为解决现有钛合金冲击韧性差的技术问题，本发明提供一种高冲击韧性的钛合金板材及其加工工艺，通过对热加工工艺的优化，使得钛合金板材的冲击韧性明显提高，且综合力学性能优异。

本发明采用的技术方案是：一种高冲击韧性的钛合金板材，所述钛合金板材为等轴或双态组织，屈服强度为900~970mpa、抗拉强度为950~1050mpa，延伸率为10~12%，-10℃下v型缺口冲击功≥50j。

本发明还提供高冲击韧性的钛合金板材的加工工艺，所述加工工艺包括以下步骤：

（1）锻造板坯：以海绵钛为原料熔炼，经800~960℃两相区锻造制得板坯；

（2）板坯轧制：将板坯以880~980℃、保温30~60min处理，然后轧制、冷却，得钛合金板材。

优选的，所述步骤（1）中锻造条件为800~960℃两相区锻造，采用三墩三拔工艺。

优选的，所述步骤（1）中熔炼过程中加入合金元素，控制板坯化学成分含量（wt.%）为al：5.0%~7.0%，nb：2.0%~3.0%，zr：0.5%~2.0%，mo：0.7%~1.2%，fe：0.02%~0.05%，si：0.01%~0.03%，余量为ti；所得板坯的组织为等轴或双态组织。

优选的，所述步骤（2）中轧制为在两辊或四辊可逆式轧机上进行两道次轧制。

更优选的，所述步骤（2）中轧制时控制开轧温度为850~950℃，轧制速率为0.001s^-1~1s^-1，累计变形量为30%~60%。

优选的，所述冷却条件为空冷，冷却速率10~20℃/min。

优选的，所述步骤（2）中轧制前扒皮去除0.5-1mm表层。

优选的，所述钛合金板材为等轴或双态组织，屈服强度为900~970mpa、抗拉强度为950~1050mpa，延伸率为10~12%，-10℃下v型缺口冲击功≥50j。

优选的，所述品钛合金板材的规格范围为：厚度12~18mm，宽度600~1010mm，长度为2000~3000mm。

上述技术方案中，提供一种高冲击韧性的钛合金板材，钛合金板材为等轴或双态组织，其屈服强度为900~970mpa、抗拉强度为950~1050mpa，延伸率为10~12%，-10℃下v型缺口冲击功≥50j。本高冲击韧性的钛合金板材的加工工艺包括以下步骤：选择海绵钛为原料，海绵钛属于纯钛，一般情况下，选择原料海绵钛的纯度（质量）一般为99.1~99.7%，其α相占比90%以上，熔炼铸锭，钛合金在800~820℃之间开始发生相变，经800~960℃两相区锻造制得板坯；进一步将板坯以880~980℃、保温30~60min处理，保温过程中，随温度升高α相会发生溶解，体积分数减少；然后轧制，在轧制过程中，组织沿轧制方向拉长，但同时由于界面能升高，相界面活动能力变强，被拉长的α相会部分发生等轴化以降低界面能使自身处于低自由能状态，最后冷却，得钛合金板材。上述加工工艺加工过程在双相区温度区间进行，轧制变形抗力较低，回复及再结晶充分，随后板材以较慢的速率冷却，热应力较低，通过加热、冷却的温度和速度控制，所得板材残余应力非常小，因此省略了后续热处理工艺，能源节约、加工效率显著提高，工艺简化，还使生产成本大大降低。

本发明的有益效果是：本发明提供的钛合金板材冲击韧性高、综合力学性能优异；优化的加工工艺步骤简化，温度控制科学合理，节能高效，成本大大降低，工业化规模生产前景好；所得板材可广泛应用于潜艇、深潜器、船舶以及海洋石油开采等领域。

附图说明

图1是本发明实施例1锻造完后得到的钛合金板坯的金相组织；

图2是本发明实施例1热加工完成后得到的钛合金的金相组织；

图3是本发明实施例2热加工完成后得到的钛合金的金相组织；

图4是本发明实施例3热加工完成后得到的钛合金的金相组织；

图5是本发明实施例4热加工完成后得到的钛合金的金相组织；

图6是对比例1热加工完成后得到的钛合金的金相组织。

具体实施方式

以下以具体实施例详细说明本发明所提供的高冲击韧性的钛合金板材及其加工工艺，但不以任何形式限制本发明的保护范围，所属领域技术人员根据技术方案所进行的改善修改或者类似替换，均应包含在本发明的保护范围之内，实施例中所用采用，如无特别说明，均可市售获得，所采用设备、方法，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1

按照以下工艺加工高冲击韧性的钛合金板材，步骤如下：

（1）锻造板坯：以海绵钛为原料，采用真空自耗电弧炉熔炼三次，熔炼过程中加入合金元素，控制板坯化学成分含量（wt.%）为al：6.8%，nb：2.8%，zr：1.8%，mo：1.2%，fe：0.03%，si：0.02%，余量为ti；再在950℃条件下开始锻造，终锻温度为800℃，锻造工艺为三墩三拔，即锻打时墩粗三次，拔长三次，交替间隔进行，末道次的压下量为60%。通过锻造工艺制得板坯，其金相组织参见附图1示，从图1可以看出，该组织为等轴组织，组织中有大量的初生α相，在初生α相基体上，分布着少量的残余β相组织。

（2）板坯轧制：将板坯放入步进式燃气加热炉加热，加热温度设定为930℃，并于930℃保温50min处理，然后将钛合金板坯出炉，用高压水除去氧化皮，在两辊可逆式轧机上进行两道次轧制，开轧温度为900℃，轧制速率为0.001s^-1，累计变形量60%；再将轧制完的板材放置在冷床上空冷，冷却速率约为10~20℃/min，即控制板材降温速度10~20℃/min，得到钛合金板材。

对所得钛合金板材的性能进行测定，金相结构参见附图2所示，从图2可以看出，该组织为典型的双态组织，在β转变的层片组织基体上，分布着互不相连的初生α相，但总量不超过50%。

力学测试结果显示在-10℃的冲击韧性为90j/cm²，室温拉伸性能为：σb=1020mpa，σ0.2=950mpa，δ=10%。

注：σb表示抗拉强度，σ0.2表示屈服强度，δ表示延伸率。

实施例2

按照以下工艺加工高冲击韧性的钛合金板材，步骤如下：

（1）锻造板坯：以海绵钛为原料，采用真空自耗电弧炉熔炼三次，熔炼过程中加入合金元素，控制板坯化学成分含量（wt.%）为al：6.8%，nb：2.8%，zr：1.8%，mo：1.2%，fe：0.03%，si：0.02%，余量为ti；再在950℃条件下开始锻造，终锻温度为800℃，锻造工艺为三墩三拔，即锻打时墩粗三次，拔长三次，间隔进行，末道次的压下量为60%。通过锻造工艺制得板坯；

（2）板坯轧制：将板坯放入步进式燃气加热炉加热，加热温度设定为980℃，并于980℃保温50min处理，然后将钛合金板坯出炉，用高压水除去氧化皮，在两辊可逆式轧机上进行两道次轧制，开轧温度为950℃，轧制速率为0.1s^-1，累计变形量60%；再将轧制完的板材放置在冷床上空冷，冷却速率约为10~20℃/min，得到钛合金板材。

对所得钛合金板材的性能进行测定，金相结构参见附图3所示，显示得到的组织为典型的双态组织，在β转变的层片组织基体上，分布着少量的初生α相，总量不超过50%。力学测试结果显示，在-10℃的冲击韧性为94j/cm²，室温拉伸性能为：σb=900mpa，σ0.2=950mpa，δ=12%。

实施例3

按照以下工艺加工高冲击韧性的钛合金板材，步骤如下：

（1）锻造板坯：以海绵钛为原料，采用真空自耗电弧炉熔炼三次，熔炼过程中加入合金元素，控制板坯化学成分含量（wt.%）为al：6.8%，nb：2.8%，zr：1.8%，mo：1.2%，fe：0.03%，si：0.02%，余量为ti；再在950℃条件下开始锻造，终锻温度为800℃，锻造工艺为三墩三拔，末道次的压下量为60%。通过锻造工艺制得板坯；

（2）板坯轧制：将板坯放入步进式燃气加热炉加热，加热温度设定为880℃，并于880℃保温50min处理，然后将钛合金板坯出炉，用高压水除去氧化皮，在两辊可逆式轧机上进行两道次轧制，开轧温度为850℃，轧制速率为1s^-1，累计变形量60%；再将轧制完的板材放置在冷床上空冷，冷却速率约为10~20℃/min，得到钛合金板材。

对所得钛合金板材的性能进行测定，金相结构参见附图4所示，显示得到的组织为等轴组织，均匀分布的含量超过50%的初生α相基体上，分布着少量的转变β组织。力学测试结果显示，在-10℃的冲击韧性为70j/cm²，室温拉伸性能为：σb=1050mpa，σ0.2=970mpa，δ=10%。

实施例4

按照以下工艺加工高冲击韧性的钛合金板材，步骤如下：

（1）锻造板坯：以海绵钛为原料，采用真空自耗电弧炉熔炼三次，熔炼过程中加入合金元素，控制板坯化学成分含量（wt.%）为al：6.8%，nb：2.8%，zr：1.8%，mo：1.2%，fe：0.03%，si：0.02%，余量为ti；再在950℃条件下开始锻造，终锻温度为800℃，锻造工艺为三墩三拔，末道次的压下量为60%，通过锻造工艺制得板坯；

（2）板坯轧制：将板坯放入步进式燃气加热炉加热，加热温度设定为880℃，并于880℃保温50min处理，然后将钛合金板坯出炉，用高压水除去氧化皮，在两辊可逆式轧机上进行两道次轧制，开轧温度为850℃，轧制速率为0.1s^-1，累计变形量30%；再将轧制完的板材放置在冷床上空冷，冷却速率约为10~20℃/min，得到钛合金板材。

对所得钛合金板材的性能进行测定，金相结构参见附图5所示，显示得到的组织为等轴组织，均匀分布的含量超过50%的初生α相基体上，分布着少量的转变β组织。力学测试结果显示，在-10℃的冲击韧性为84j/cm²，室温拉伸性能为：σb=980mpa，σ0.2=900mpa，δ=12%。

对比例1

按照以下工艺加工高冲击韧性的钛合金板材，步骤如下：

（1）锻造板坯：以海绵钛为原料，采用真空自耗电弧炉熔炼三次，熔炼过程中加入合金元素，控制板坯化学成分含量（wt.%）为al：6.8%，nb：2.8%，zr：1.8%，mo：1.2%，fe：0.03%，si：0.02%，余量为ti；再在950℃条件下开始锻造，终锻温度为800℃，锻造工艺为三墩三拔，末道次的压下量为60%。通过锻造工艺制得板坯；

（2）板坯轧制：将板坯放入步进式燃气加热炉加热，加热温度设定为1020℃，并于1020℃保温50min处理，然后将钛合金板坯出炉，用高压水除去氧化皮，在两辊可逆式轧机上进行两道次轧制，开轧温度为980℃，轧制速率为0.001s^-1，累计变形量60%；再将轧制完的板材放置在冷床上空冷，冷却速率约为10~20℃/min，得到钛合金板材。

对所得钛合金板材的性能进行测定，金相结构参见附图6所示，显示得到的组织为魏氏组织，其具有粗大的原始β晶粒和完整的晶界α相，在原始β晶粒内形成尺寸较大的“束集”，同一“束集”有较多的α片彼此平行，且成同一取向。力学测试结果显示，在-10℃的冲击韧性为58j/cm²，室温拉伸性能为：σb=950mpa，σ0.2=850mpa，δ=10%。本对比例板坯轧制过程中温度高于本方法精选温度，所得钛合金板材组织与本发明的等轴或双态组织即不同，且冲击韧性大大降低。

本发明实施例的力学性能与对比例的力学性能进行对比，可知，实施例的-10℃的冲击韧性、室温下的抗拉强度和屈服强度均强于对比例，可见，本发明实施例制备的钛合金板材力学性能更优异。

综上可见，本发明提供的钛合金板材加工工艺简化，通过综合控制锻造、板坯加热保温及轧制过程的温度、时间和控制冷却降温速率，只需由原料经锻造、加热、轧制和冷却，即得钛合金板材，能源节约，加工效率高，加工成本大大降低，工业化规模生产前景好；所得钛合金板材冲击韧性高，均不低于65j/cm²，高于普通钛合金的冲击韧性，且综合力学性能优异，可广泛应用于潜艇、深潜器、船舶以及海洋石油开采等领域。