一种耐热钛合金丝材的制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种耐热钛合金Ti60丝材加工制造方法和应用，采用真空自耗熔炼工艺熔炼Ti60钛合金铸锭；采用自由锻造工艺将熔炼出的Ti60钛合金铸锭锻造成棒材；采用精锻工艺将Ti60钛合金棒材精锻成粗棒坯；采用热轧工艺将Ti60钛合金粗棒坯轧制成直条丝坯；对Ti60钛合金退火丝坯进行表面处理，去除丝坯表面的缺陷后进行预氧化挂氧化膜处理；采用直拉丝机对表面处理后的Ti60钛合金丝坯进行连续高温拉拔变形；采用电加热张力矫直拉拔后的丝材；对经矫直后的丝材进行退火热处理，最后进行无心磨。本发明专利技术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。

Preparation and Application of a Heat-resistant Titanium Alloy Wire

The invention provides a processing and manufacturing method and application of heat-resistant titanium alloy Ti60 wire, using vacuum consumable melting process to melt Ti60 titanium alloy ingot, free forging process to forge Ti60 titanium alloy ingot into bar, precision forging process to forge Ti60 titanium alloy bar into rough bar, hot rolling process to roll Ti60 titanium alloy rough bar into straight bar; Ti alloy annealed billet was treated by surface treatment, Pre-oxidation and hanging oxide film treatment after removing defects on the surface of billet; Ti60 alloy billet after surface treatment was continuously deformed by high temperature drawing with wire drawing machine; wire after straightening and drawing with electric heating tension; wire after straightening was annealed and heat-treated, and finally no central grinding was carried out. The alloy of the invention can obtain different matches of tensile strength, plasticity and shear strength through different combination of thermal processing and heat treatment processes, and can be used to make fasteners such as rivets, bolts and nuts for advanced aerospace applications, and can be used in the range of 600-650 C.

【技术实现步骤摘要】
一种耐热钛合金丝材的制备方法和应用
本专利技术属于钛基合金领域，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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种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。本专利技术的技术方案是：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。本专利技术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。本专利技术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：本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术钛合金熔炼过程中，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，本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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；首先对钛合金直条丝坯进行扒皮处理，去除丝坯表面的缺陷，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。...

【技术特征摘要】
1.一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；首先对钛合金直条丝坯进行扒皮处理，去除丝坯表面的缺陷，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。2.按权利要求1所述的耐热钛合金丝材的制备方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱绍祥，王清江，刘建荣，陈志勇，王磊，赵子博，李文渊，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21