一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法技术

本发明专利技术一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法涉及机械加工领域，具体涉及一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法，包括以下步骤：轧制工具设计，包括轧辊设计和导板设计，将轧辊设置为双曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊的母线由两个曲线相连而成；将导板的一面设置为曲面；构造变形区：将所述两个导板曲面相对放置，两个轧辊放置在所述导板之间，两个导板和两个轧辊围成的区域为变形区；构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变；选取轧制进料方式：倒进式轧制方式；本发明专利技术提供一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法，通过设计双曲面类圆台形轧辊和曲面形导板，构造等椭圆度变形区，可以在显著抑制心部曼内斯曼效应的前提下产生剧烈塑性变形。

A Ultrafine Grain Rolling Method for Large-Size Titanium Alloy Bars

The invention relates to the field of mechanical processing, in particular to a method of ultra-fine grain rolling of large-sized titanium alloy bars, including the following steps: design of rolling tools, including roll design and guide plate design, setting the roll as a hyperboloid circular table roll, specifically: the busbar of the roll is connected by two curves; One side of the plate is set as a curved surface; the deformation zone is constructed: the curved surfaces of the two guide plates are placed relative to each other, the two rolls are placed between the guide plates, and the area surrounded by the two guide plates and two rolls is the deformation zone; the deformation zone with equal ellipticity is constructed: the ellipticity in the deformation zone remains unchanged; the rolling feeding mode is selected: the inverted rolling mode; the invention provides a large-size titanium alloy bar. The ultra-fine grain rolling method can produce severe plastic deformation under the premise of significantly restraining the Mannesmann effect in the center by designing hyperboloid-like cylindrical rolls and curved guide plates and constructing isoelliptic deformation zones.

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法
本专利技术涉及机械加工领域，具体涉及一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法。
技术介绍
超细晶/纳米晶材料及制备技术是当前材料科学领域的研究热点之一。这一方向的研究集中体现了人们通过持续细化晶粒不断提高多晶材料强韧化水平的努力。其中，尤其以剧烈塑性变形（SeverePlasticDeformation，简称SPD）技术的研究成果令人瞩目。现在，主流的SPD工艺包括高压扭转（HPT）、等通道转角挤（ECAP）、累积叠轧（ARB）、多向锻造（MF）和扭转挤压（TE）五种方法，其中：（1）高压扭转变形：在材料厚度上加载数个GPa的压力的同时，下模或者下冲头旋转通过主动的摩擦作用施加扭矩在材料横截面上，促使材料产生轴向压缩和切向剪切变形的塑性加工成形工艺，高压扭转的特点在于工件为盘状，尺寸较小，直径一般为10-20mm，厚度为0.2-0.5mm。Chen等人在室温条件下使用6GPa压力制得了厚度为3mm的纯钛。（2）等径角挤压变形：试样在冲头的压力作用下通过两个相同通道的转角,产生剪切大塑性变形,而试样横截面的形状和面积保持不变,故经过多次反复挤压就可以将各道次的应变量累积。Luo和Xia等人通过ECAP制到了5mm×3mm×0.15mm的纯钛，其晶粒尺寸小于0.8μm。（3）累积叠轧法：板料经过表面脱脂钢刷处理以露出其新鲜的表面,然后将两块板料叠合在一起并在室温或者一定的加热温度下进行轧制使两块板料结合成为一块板料，此后将轧制复合的板料从中间切断,从而得到尺寸与原始单板料尺寸相同的两块复合板,然后将得到的两块复合板料进行新一轮的加工。王点等人通过累积叠轧技术制备了厚度为2mm的TC4合金，获得晶粒尺寸为300-600nm的超细晶组织。（4）扭转挤压：Beygelzime等提出该工艺。此方法也是通过剪切变形细化晶粒的成型技术，将柱状坯料挤压通过扭转模，与HPT类似，存在变形不均匀问题，细化晶粒效果低于ECAP和HPT。（5）多向锻造：对材料不同的方向进行反复墩粗和拔长，引入大的塑性变形，以此来实现晶粒的细化以及材料性能的提高。但是，该方法存在明显的应变梯度，应变均匀性较其他SPD方法差，实际有效的剧烈变形区尺寸也远不能满足工业级的要求。因而晶粒细化效果要明显低于ECAP和HPT。陈卓等人对Ti-22Al-23合金进行了三步等温多向锻造实验，合金平均晶粒尺寸为1.32μm，但是变形不均匀。（6）一种大尺寸钛合金超细晶棒材的等距螺旋轧制方法（申请号201810172305.9），采用正锥形辊对圆形坯料进行等辊距轧制，该成型过程中技术参数：送进角α为15-17度、辗轧角β为17-19度、轧辊转速n为28-50r/min、直径压下率ε为6%-14%、孔型椭圆度为1.2-1.4等，实现了大尺寸超细晶棒材的制备。但是，该方法存在变形不均匀严重且变形较小等不足，有待进一步改善。国内外对于钛合金超细晶工艺的专利报道相对较少。西部超导朱燕丽等人在专利【CN106180251B】提及了一种TC20钛合金细晶棒材的制备方法，其中提及详细的热处理及单火多道次轧制的超细晶工艺参数。此工艺采用采单火多道次精锻加工和轧制，属于传统加工方法。因单道次变形区范围和穿深较小，为了获得超细晶组织，一般需要6-8道次的反复变形。由于工艺条件的限制，只能制备出Φ8-Φ15mm的小尺寸钛合金棒材。西北有色金属研究院麻西群等人在专利【CN107574394A】提及了一种医用超细晶TC4钛合金板材的制备方法。该方法是对直径为90-410mm的TC4钛合金圆锭进行多向锻造，然后经热处理和修磨得到厚度为5-25mm的超细晶TC4钛合金板材。由于存在明显的应变梯度，实际有效的剧烈变形区尺寸也远不能满足工业级的要求。西北有色金属研究院韩寅奔等人在专利【CN108929962A】提及了新型β型钛合金低模量高精度超细晶箔材制备方法。采用大变形量交叉轧制和中间退火工艺，再经过多道次的板坯轧制和堆叠精轧制形成的钛合金箔材。受加载能力和变形不均匀程度的限制，因而只能生产出厚度为0.05-0.07mm的超薄钛合金箔材。现有技术的缺点：（1）ECAP变形过程中，坯料与模具全接触，摩擦力大，因而成型载荷大，成品尺寸小，且材料利用率低，生产效率低，难以实现工业化需求的大尺寸超细晶材料的制备。（2）HPT成形载荷巨大，现有成形设备一般不具备工业化大尺寸制品的超过几十GPa的加载能力，只适用于超薄制品如薄膜的成形，通常变形前坯料为Φ10~15×1~10mm的圆柱体。（3）ARB工艺受限于变形区体积和变形均匀性的影响，其变形区厚度仅为mm级别。同时，由于所制备的超细晶均为饼状的拉长晶粒，其力学性能较三维等轴晶粒差。因此，受加载能力和变形不均匀程度的限制，ARB仅能制备超薄板材。（4）MF和TE由于变形不均匀性严重，致使晶粒尺度不均，晶粒结构稳定性较差，性能降低，而且同样无法制备大尺寸锻件。（5）一种大尺寸钛合金超细晶棒材的等距螺旋轧制方法（申请号201810172305.9）存在以下问题：1）原有技术的轧辊形状为正圆锥形，坯料进入轧辊后，因轧辊直径逐渐增加，轧辊与坯料接触区域速度逐渐增加，会导致坯料心部与边部的变形速度差增加，从而加剧变形不均性。2）轧辊间距为等间距，直径压下率逐渐降低，变形较小，因而晶粒细化效果会逐渐减弱。综合分析可知：现有专利或论文中提及的钛合金超细晶工艺，均采用传统多道次轧制方法，受变形区体积限制，仅能制备小尺寸超细晶材料，难以制备工业级整体超细晶的大尺寸（Φ60~Φ500mm）材料。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种可明显减少横向宽展变形，降低心部拉应力，同时还能增大螺距，减少螺旋轧制的反复辗轧次数，从而抑制曼氏效应，减小裂纹出现几率并提高变形均匀性，晶粒细化效果会逐渐加强，晶粒细化效果更好的一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法。本专利技术一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法，包括以下步骤：1）轧制工具设计，具体包括轧辊设计和导板设计，将轧辊设置为双曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊的母线由两个曲线相连而成；将导板的一面设置为曲面；2）构造变形区：将所述两个导板曲面相对放置，两个轧辊放置在所述导板之间，两个导板和两个轧辊围成的区域为变形区；两个轧辊中的一个轧辊上由该轧辊的大端面中心处指向该轧辊小端面中心处的方向为第一方向；另一轧辊上由该轧辊的大端面中心处指向该轧辊小端面中心处的方向为第二方向；所述第一方向和第二方向之间的夹角为锐角；3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变；4）选取轧制进料方式：倒进式轧制方式，即轧制过程中坯料从轧辊的大端进入变形区；5）选材：选取直径Φ60-500mm，长度300-15000mm的TC4合金坯料；6）轧制：两个轧辊分别绕其中心轴线转动，将坯料经过加热后，按照上述轧制进料方式将加热后的坯料送入变形区，坯料在变形区内螺旋前进，并从轧辊小端输出，实现变截面轧制，完成轧制过程后，进行坯料冷却。优选地，轧辊母线上靠近轧辊大端的曲线为第一曲线，第一曲线两端之间的连线为第一中线，轧辊母线上靠近小端的曲线为第二曲线，第二曲线两端之间的连线为第二中线；第一曲线上的点距离第一中线的最大距离不大于5mm，第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法，包括以下步骤：1）轧制工具设计，具体包括轧辊设计和导板设计，将轧辊设置为双曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊的母线由两个曲线相连而成；将导板的一面设置为曲面；2）构造变形区：将所述两个导板曲面相对放置，两个轧辊放置在所述导板之间，两个导板和两个轧辊围成的区域为变形区；3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变；4）选取轧制进料方式：倒进式轧制方式，即轧制过程中坯料从轧辊的大端进入变形区；5）选材：选取直径60‑500mm，长度300‑15000mm的TC4合金坯料；6）轧制：两个轧辊分别绕其中心轴线转动，将坯料经过加热后，按照上述轧制进料方式将加热后的坯料送入变形区，坯料在变形区内螺旋前进，并从轧辊小端输出，实现变截面轧制，完成轧制过程后，进行坯料冷却。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法，包括以下步骤：1）轧制工具设计，具体包括轧辊设计和导板设计，将轧辊设置为双曲面类圆台形轧辊，具体为：轧辊的母线由两个曲线相连而成；将导板的一面设置为曲面；2）构造变形区：将所述两个导板曲面相对放置，两个轧辊放置在所述导板之间，两个导板和两个轧辊围成的区域为变形区；3）构造等椭圆度变形区：变形区内椭圆度保持不变；4）选取轧制进料方式：倒进式轧制方式，即轧制过程中坯料从轧辊的大端进入变形区；5）选材：选取直径60-500mm，长度300-15000mm的TC4合金坯料；6）轧制：两个轧辊分别绕其中心轴线转动，将坯料经过加热后，按照上述轧制进料方式将加热后的坯料送入变形区，坯料在变形区内螺旋前进，并从轧辊小端输出，实现变截面轧制，完成轧制过程后，进行坯料冷却。2.如权利要求1所述一种大尺寸钛合金棒材的超细晶轧制方法，其特征在于，所述轧辊母线上靠近轧辊大端的曲线为第一曲线，第一曲线两端之间的连线为第一中线，轧辊母线上靠近小端的曲线为第二曲线，第二曲线两端之间的连线为第二中线；第一曲线上的点距离第一中线的最大距离不大于5mm，第二曲线上的点距离第二中线的最大距离不大于2.5mm；第一中线和...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，王建国，张润强，
申请(专利权)人：西安东耘新金属材料有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61