鈦合金板、鈦板材的生產(chǎn)加工工藝

鈦及鈦合金板帶生產(chǎn)(production of titanium and titanium alloy plate，sheet and strip)

將鈦及鈦合金經(jīng)熔煉、鑄錠、平輥軋制、熱處理和精整等工序加工成截面為矩形的單張或成卷的加工材的過程。

國際上鈦合金板帶的工業(yè)化生產(chǎn)自20世紀(jì)50年鈦ta代初開始，現(xiàn)已能生產(chǎn)卷重達(dá)4～5t的帶材和寬度達(dá)4．2m的厚板。中國于50年代后期開始鈦板帶生產(chǎn)，60年代中期建成了較大型的鈦加工廠，形成了生產(chǎn)體系，產(chǎn)品已經(jīng)系列化，能生產(chǎn)厚度為0．3～30mm的板材以及厚度為0．01～2．0mm的帶材。

鈦合金板帶材的簡明生產(chǎn)工藝流程見圖。

熔煉與鑄錠 鈦的熔點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)活潑，在高溫或熔融狀態(tài)下容易與空氣和耐火材料發(fā)生作用。鈦及鈦合金通常在真空或惰性氣體保護(hù)的氣氛下，在水冷或液體金屬冷卻的銅坩堝內(nèi)熔鑄。目前鈦錠生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的是真空自耗電極電弧爐熔煉。

將一定比例的海綿鈦、返回料和合金元素混合均勻后，在液壓機(jī)上壓制成塊狀(稱電極塊)，再采用等離子焊接方法將電極塊焊接成電極(棒)，在真空自耗電極電弧爐中經(jīng)二次重熔成錠。為保證鑄錠成分均勻，對加入的合金元素、返回料和海綿鈦的粒度均控制在一定范圍之內(nèi)，并采取三次真空重熔。工業(yè)規(guī)模熔煉的鈦合金錠一般為3～6t，大型鑄錠達(dá)15t。通常用真空自耗電極電弧爐熔得的鑄錠為圓形。近年也采用其他方法，如等離子熔煉、電子束熔煉、殼式熔煉和電渣熔煉等，熔得鈦合金扁錠和方錠。例如日本采用等離子束爐熔煉得重達(dá)3t的扁錠，直接供軋制板帶之用。

鍛造 是破碎鑄態(tài)結(jié)晶組織、改善材料性能和獲得一定尺寸、形狀板坯的主要方法。板坯鍛造前的加熱過程中，鈦合金很容易與空氣發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，形成氧化皮和吸氣層，降低材料的塑性和其他性能。因此，常采用感應(yīng)加熱或在氣密性好的室狀電阻爐中加熱。當(dāng)采用火焰爐加熱時，應(yīng)保持爐內(nèi)為微氧化性氣氛，也可在錠坯表面涂保護(hù)層，或在惰性氣體中加熱。鈦合金的熱導(dǎo)率低，在加熱大截面或高合金化錠坯時，為防止熱應(yīng)力可能引起的錠坯開裂，通常采用低溫慢速、高溫快速的分段加熱法。控制錠坯的加熱和終鍛溫度以及鍛造變形量是獲得高質(zhì)量鈦板坯的重要保證。幾種主要鈦合金板坯的鍛造工藝制度見表1。

表1 幾種鈦合金板坯鍛造工藝制度

鈦合金板坯的鍛造一般采用水壓機(jī)和鍛錘。為了保證隨后的軋制過程順利進(jìn)行和保證板材的表面質(zhì)量，鍛造的板坯和鑄錠應(yīng)進(jìn)行機(jī)械加工，剝?nèi)ケ砻媪鸭y及深度達(dá)3～4mm的吸氣層。

軋制 與鋁、銅、鋼相比，鈦合金板帶材軋制時的特點(diǎn)是變形抗力大、塑性低、高溫下易氧化，因而加工比較困難。軋制包括熱軋、溫軋和冷軋。熱軋是鈦板帶生產(chǎn)過程的重要工序。制定鈦合金板帶材熱軋工藝制度時，還應(yīng)考慮到晶粒組織對力學(xué)性能的影響。為了減少加熱時吸氣層和氧化皮的形成，純鈦和低合金化鈦合金采用較低的加熱溫度，且在熱透情況下盡可能縮短保溫時間。然而降低溫度會使軋制時變形抗力急劇增加，同時塑性也下降，這對于高合金化鈦合金往往是不允許的。為了獲得均勻細(xì)小晶粒組織和具有良好性能的板帶材，生產(chǎn)中常常采用多次熱軋、包覆疊軋和溫軋等，以保證板帶材在α或α+β相區(qū)有足夠的變形量。因此，確定合理的熱軋工藝制度是十分重要的。幾種鈦合金熱軋工藝制度見表2。

表2 幾種鈦合金熱軋工藝制度

鈦板帶材的熱軋可采用帶卷取機(jī)的可逆式四輥熱軋機(jī)、四輥可逆式爐卷軋機(jī)和多機(jī)架四輥熱連軋機(jī)等。與熱連軋機(jī)組相比，帶卷取機(jī)的可逆式四輥熱軋機(jī)設(shè)備投資少，占地面積小，可以軋制質(zhì)量良好、厚度3～6mm的熱軋板卷，是適于小批量多品種鈦合金板帶的生產(chǎn)設(shè)備。一般采用熱軋法生產(chǎn)厚度大于3mm的各種鈦合金板材。

板厚小于2mm的鈦合金板通常采用冷軋法生產(chǎn)。同熱軋相比，冷軋板具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高、尺寸公差小等優(yōu)點(diǎn)。冷軋板可用帶式法生產(chǎn)，然而鈦合金的冷軋板大多采用塊式法生產(chǎn)。冷軋通常在四輥可逆式冷軋機(jī)上進(jìn)行，也可采用多機(jī)架串列式冷軋機(jī)組。厚度小于0．5mm的板帶材在20輥軋機(jī)上軋制。為提高產(chǎn)品質(zhì)量，這些軋機(jī)應(yīng)使用計(jì)算機(jī)控制。為了獲得不同厚度鈦合金板帶材，冷軋、中間退火和精整工序可反復(fù)多次進(jìn)行。當(dāng)生產(chǎn)高合金化鈦合金板帶時，為了提高材料的塑性和降低軋制時的變形抗力，也可以在600～850℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫軋。

退火 將鈦合金板帶材加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜的速度冷卻。鈦合金板帶材的退火包括中間退火和成品退火兩種。中間退火的目的是消除加工硬化，恢復(fù)鈦合金塑性和變形能力，以利于繼續(xù)軋制。成品退火是為了獲得具有一定組織和性能的產(chǎn)品。對于α和α+β型合金，退火可以采用在α和α+β相區(qū)溫度范圍內(nèi)保溫和較慢的冷卻速度冷卻，以獲得均勻細(xì)小的再結(jié)晶組織，保證材料具有良好的性能。對于β型鈦合金，退火在β相區(qū)某一溫度范圍內(nèi)保溫后，通常以較快的冷卻方式冷卻，以保證獲得高塑性的B相晶粒組織，滿足隨后的進(jìn)一步加工和使用。較厚的板帶材可在空氣中退火；較薄的板帶材常在真空或惰性氣體保護(hù)下退火。幾種鈦合金退火工藝制度如表3。軋制和退火后的幾種鈦合金板帶材的力學(xué)性能如表4。

精整 包括堿洗、酸洗、矯直、剪切、噴砂和打磨等。鈦合金板材在氫氧化鈉熔融液中堿洗和在含氫氟酸水溶液中酸洗時，一定要加入適量的硝酸鈉和硝酸作為氧化劑，以防鈦合金吸氫。鈦合金屈強(qiáng)比高，彈性模量小，回彈大，因而矯直和平整較為困難，可采用熱矯直和熱平整或采用真空蠕變矯直等方法。由于鈦合金對缺口敏感，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的表面缺陷如裂紋和吸氣層等，應(yīng)及時采用打磨等方法清除干凈，以防變形過程中缺陷進(jìn)一步加深。因此，在鈦合金板帶材生產(chǎn)中精整工序十分重要，是使產(chǎn)品的表面質(zhì)量、幾何形狀和組織性能符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的保證。