一种超大口径TA24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法与流程

一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法
技术领域
1.本发明涉及金属机械加工领域，具体而言，涉及一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法。


背景技术：

2.钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能优异、无磁性等显著优势，目前已应用于深海装备用关键材料，能够大幅提高装备的安全可靠性和服役周期；基于耐蚀减重的明确需求，船舶海水管路系统、高压空气系统等选用钛及钛合金无缝管材来替代现有铜镍合金或者钢质材料；目前在役装备船舶海水管路系统已批量应用屈服强度500mpa级以下纯钛管或者合金管，其中，最大口径仅为dn200；多采用相对成熟斜轧穿孔+冷轧的制造技术；但是随着深海装备排水量增加带来承压能力的提高；对高强度超大口径薄壁(通常指外径不小于600mm、径厚壁≥35)钛合金无缝管材提出明确需求。
3.目前超大口径薄壁钛合金无缝管材的全流程制备过程描述如下：采用真空自耗熔炼的方法制备圆铸锭，通常熔炼工序的材料损耗约为8～10％；圆铸锭自由锻造或者精锻成棒坯后机加工成光棒，通常锻造工序的材料损耗约为15～25％；棒坯采用机加工或者斜轧穿孔的方法制备厚壁管坯、然后通过挤压法或者锻轧的方法制备毛管，通常轧制工序的材料损耗约为10～20％；最后毛管热处理后机加工成品管，通常机加工工序的材料损耗约为20～30％。总体来说，超大口径薄壁钛合金无缝管材的制备过程包含铸锭熔炼、棒坯锻造、管坯轧制、管材机加工等多个工序，导致无缝管材制造工序多、材料损耗多、生产效率低、成本高等难题，无法满足深海装备的批量化应用，因而，研究如何提高超大口径薄壁钛合金无缝管材制备的效率以及降低制备成本是一个亟待解决的问题。
4.在专利cn106493187a提供了一种大口径厚壁钛及其合金无缝管材的低成本制造方法，主要采用拉拔扩径和冷轧进行大口径钛管的制造；然而拉拔扩径法属于一种冷成型方法，更适合于纯钛或者400mpa强度等级以下中低强度的钛合金；由于钛合金材料室温塑性较低、采用冷成型的方法，通常降低道次变形量来控制成型过程的开裂问题；因此成型过程需要多个道次、同时每个道次间需要中间退火；故而存在制造成本高、加工周期长等问题，而在专利cn111167862a中提及的一种大口径钛及钛合金无缝管的制造方法，主要采用钛合金锻坯斜轧穿孔制备管坯，管坯通过采用芯棒热扩的方法获得管坯，最后机加工成品管材，能够一定程度的解决成本制造较高的问题，但是由于需要先熔炼后锻造才能获得管坯，最后机加工成品，使得制造过程不连续，工序复杂，且存在生产周期长、效率低等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，以解决现有技术中存在的无缝管材制造过程不连续、生产工序多、成本高、周期长等的瓶颈问题；以此达到实现超大口径钛合金无缝管材高效连铸连轧的制备成型，简化管材的生产工序，降低管材的生产成本，减小管材的生产周期，提高管材的生产效率，提高材料的
利用率。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.本发明涉及的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，所述方法包括以下步骤：
8.步骤一、制备空心圆铸锭：对制备的钛合金进行原料配比，采用电子束冷床炉单次熔炼制备空心圆铸锭；
9.步骤二、铸锭加热：将空心圆铸锭放置于电阻加热炉中初次加热；
10.步骤三、斜轧扩孔：将加热后的空心圆铸锭放入斜轧扩孔机中，进行连续且至少一道次的轧制变形得到母管；
11.步骤四、铸锭二次加热：将母管传送至步进式再加热炉进行加热；
12.步骤五、旋轧扩孔：将加热后的母管传送至旋轧扩孔机中进行轧制成型，并进行热处理。
13.进一步，步骤一中，单次熔炼制备的空心圆铸锭外径尺寸范围为φ400mm～610mm，空心圆铸锭壁厚尺寸范围为φ50mm～100mm，空心圆铸锭长度尺寸范围为1500mm～12000mm。
14.进一步，步骤二中，将空心圆铸锭放置于电阻加热炉中加热的温度需要控制在α+β/α相变点以上30℃～50℃范围内，保温加热5h～11h。
15.进一步，步骤三中，空心圆铸锭受斜轧扩孔机轧制后，空心圆铸锭的轧制变形量范围为30％～80％，且最终轧制温度≥α+β/α相变点以下200℃。
16.进一步，步骤四中，步进式再加热炉对母管的加热温度控制在α+β/α相变点以下100℃～200℃范围内，保温加热3h～6h。
17.进一步，步骤五包括：
18.步骤s51：旋轧扩孔：将加热后的母管传送至旋轧扩孔机中进行轧制成型，获得满足表面质量和尺寸要求的成品管材；
19.步骤s52：退火热处理，获得中高强ta24钛合金无缝管材。
20.进一步，中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中抗拉强度rm≥750mpa。
21.进一步，中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中屈服强度rp0.2≥600mpa。
22.进一步，中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中断口伸长率a≥13％。
23.进一步，中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中冲击功kv2≥60j。
24.相对于现有技术，本发明所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，具有以下有益效果：
25.通过所述制备方法，能够实现超大口径钛合金无缝管材高效连铸连轧的制备成型，与传统工艺相比，省去中间多次熔炼工序、多火次锻造工序和机加工等环节，有效的简化管材的生产工序，降低管材的生产成本，减小管材的生产周期，提高管材的生产效率，提高材料的利用率，进而使得管材能够实现高效连续的成型，并有效的提高了管材的质量，提升了制备的管材的尺寸精度，且能够使所制备的管材具有良好的室温综合力学性能。
附图说明
26.构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施
例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
27.图1为200微米下，φ680*15mm ta24合金无缝管材的金相组织形貌示意图；
28.图2为50微米下，φ680*15mm ta24合金无缝管材的金相组织形貌示意图；
29.图3为200微米下，φ760*20mm ta24合金无缝管材的金相组织形貌图示意图；
30.图4为50微米下，φ760*20mm ta24合金无缝管材的金相组织形貌图示意图。
具体实施方式
31.下文将使用本领域技术人员向本领域的其它技术人员传达他们工作的实质所通常使用的术语来描述本公开的发明概念。然而，这些发明概念可体现为许多不同的形式，因而不应视为限于本文中所述的实施例。
32.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
34.在现有技术中，超大口径薄壁钛合金无缝管材的制备过程包含铸锭熔炼、棒坯锻造、管坯轧制、管材机加工等多个工序，此外对于大口径钛合金无缝管材的制备主要采用拉拔扩径和冷轧进行大口径钛管的制造，或是主要采用钛合金锻坯斜轧穿孔制备管坯，管坯通过采用芯棒热扩的方法获得管坯，最后加工成成品管材。
35.为了解决现有技术中无缝管材制造过程不连续、生产工序多、成本高、周期长等的瓶颈的问题；本实施例提出一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，所述方法包括以下步骤：
36.步骤一、制备空心圆铸锭：按照所制备的目标钛合金成分，对制备需要的钛合金进行原料配比，采用电子束冷床炉单次熔炼制备ebchm空心圆铸锭，其中，单次熔炼是指熔炼一次，无需多次熔炼，原料主体由海绵钛、铝钼合金、海绵锆和铝豆组成，优选的，原料中各成分的配比分别为：海绵钛93％、铝钼合金2.77％、海绵锆2.1％和铝豆2.13％；
37.步骤二、铸锭加热：将大口径的ebchm空心圆铸锭放置于电阻加热炉中初次加热，保持电阻加热炉在设定的加热温度和设定的加热时间内；
38.步骤三、斜轧扩孔：将加热后的ebchm空心圆铸锭放入斜轧扩孔机中，进行连续且至少一道次的轧制变形得到满足尺寸要求的母管，其中，满足尺寸要求的母管指的是，轧制完成的母管需要满足轧制变形量的设定要求，且最终轧制完成时的温度需要保持在大于等于α+β/α相变点以下200℃内；
39.步骤四、铸锭二次加热：将母管通过辊道快速传送至步进式再加热炉进行加热，并保持步进式加热炉的加热温度和加热时间；
40.步骤五、旋轧扩孔：将加热后的母管传送至旋轧扩孔机中进行轧制成型，并进行热处理；
41.本实施例中，电阻加热炉与步进式再加热炉的加热原理相同。
42.通过首先利用电子束冷床炉单次熔炼制备ebchm空心圆铸锭作为原始管坯直接置于电阻加热炉进行整体均匀加热；然后，通过斜轧扩径成型工艺获得满足表面质量和尺寸要求的母管；最后母管进行二次加热，通过旋轧扩径成型的方法获得目标规格的成品管材，从而实现超大口径薄壁ta24合金无缝管材从圆铸锭到无缝管材的高效短流程制造的步骤，
进而能够实现超大口径钛合金无缝管材高效连铸连轧的制备成型，与传统工艺相比，省去中间多次熔炼工序、多火次锻造工序和机加工等环节，简化管材的生产工序，降低管材的生产成本，减小管材的生产周期，提高管材的生产效率，提高制备管材的材料的利用率。
43.其中，在步骤一中，单次熔炼制备的空心圆铸锭外径尺寸范围为φ400mm～610mm，空心圆铸锭壁厚尺寸范围为φ50mm～100mm，空心圆铸锭长度尺寸范围为1500mm～12000mm。
44.通过一次成型熔炼成空心圆铸锭，有效的简化了无缝管材制备的工序，提高了管材制备的连续性，减小管材的生产周期，增加了管材的生产效率。
45.步骤二中，将空心圆铸锭放置于电阻加热炉中加热的温度需要控制在α+β/α相变点以上30℃～50℃范围内，保温加热5h～11h。
46.步骤三中，空心圆铸锭受斜轧扩孔机轧制后，空心圆铸锭的轧制变形量范围为30％～80％，且最终轧制温度≥α+β/α相变点以下200℃。
47.步骤四中，步进式再加热炉对母管的加热温度控制在α+β/α相变点以下100℃～200℃范围内，保温加热3h～6h，在本实施例中，α+β/α相变点是指α+β
→
α转变时的相变点，将母管加热温度控制在α+β/α相变点以下100℃～200℃范围内时，有助于母管的充分受热，并减少温度过高或过低影响母管旋轧扩孔。
48.通过步进式再加热炉对母管的再次加热，有效的提升了制备的管材的尺寸精度，且能够使所制备的管材具有良好的室温综合力学性能。
49.步骤五包括：
50.步骤s51：旋轧扩孔：将加热后的母管传送至旋轧扩孔机中进行轧制成型，获得满足表面质量和尺寸要求的成品管材；
51.步骤s52：退火热处理，获得中高强ta24钛合金无缝管材。
52.其中，中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中抗拉强度rm≥750mpa；中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中屈服强度rp0.2≥600mpa；中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中断口伸长率a≥13％；中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中冲击功kv2≥60j。
53.通过旋轧扩孔机的配合使用，能够有效的避免传统工艺上的拉拔扩径所造成的材料的利用率低的问题，有效的实现对管材制备过程中使用的材料的利用率的提高，降低生产的成本；此外，通过ebchm空心圆铸锭直接采用斜轧扩径工艺获得母管，然后，进行第二次加热后，通过旋轧扩径的方案获得成品目标规格管材，中间省去多火次锻造工序及管坯最终机加工工序，实现超大口径薄壁ta24合金无缝管材从圆铸锭到无缝管材的高效短流程制造，且成品管材不仅尺寸精度高、同时具有良好的室温综合力学性能，抗拉强度rm≥750mpa，屈服强度rp0.2≥600mpa，断口伸长率a≥13％，冲击功kv2≥60j，因此，该制备方法为超大口径薄壁钛合金无缝管材的提供了一种新的选择，具有广阔的应用前景。
54.实施例1：
55.步骤一：采用海绵钛、中间合金作为原材料，采用高能束熔炼ebchm一次连续熔炼后获得φ400mm(外径)*φ80mm(壁厚)*2500mm(圆铸锭长度)的ta24合金空心圆铸锭，在本实施例中，中间合金包括almo合金、海绵锆和铝豆中的任意一种或多种；
56.步骤二：ta24合金空心圆铸锭采用电阻加热炉进行充分、均匀地加热，坯料即原材
料随炉升温，升温至温度范围为980℃～1000℃，保温时间≥6h；
57.步骤三：空心圆铸锭管坯直接斜轧扩径后获得φ518mm(外径)*φ40mm(壁厚)*5020mm(圆铸锭长度)的母管，母管的轧制总变形量为50％；
58.步骤四：对母管进行二次加热，加热温度为800℃～850℃，保温时间为3h；
59.步骤五：母管进行旋轧扩径后获得φ680mm(外径)*φ15mm(壁厚)*9600mm超大口径薄壁ta24合金无缝管材；管材进行普通退火处理，其中，退火温度为750℃～800℃，保温时间为90min，管材出炉后，进行空冷；成品无缝管材的性能及组织分别见表1及图2。
60.实施例2：
61.步骤一：采用海绵钛、中间合金作为原材料，采用高能束熔炼ebchm一次连续熔炼后获得φ600mm(外径)*φ100mm(壁厚)*2500mm(圆铸锭长度)的ta24合金空心圆铸锭，在本实施例中，中间合金包括almo合金、海绵锆和铝豆中的任意一种或多种；
62.步骤二：ta24合金空心圆铸锭采用电阻加热炉进行充分、均匀地加热，坯料即原材料随炉升温，升温至温度范围为980～1000℃，保温时间≥6h；
63.步骤三：空心圆铸锭管坯直接斜轧扩径后获得φ630mm(外径)*φ45mm(壁厚)*9970mm(圆铸锭长度)的母管，母管的轧制总变形量为70％；
64.步骤四：对母管进行二次加热，加热温度为800℃～850℃，保温时间为3h；
65.步骤五：母管进行旋轧扩径后获得φ762mm(外径)*φ20mm(壁厚)*17600mm(圆铸锭长度)超大口径薄壁ta24合金无缝管材；管材进行普通退火处理，其中，退火温度为750℃～800℃，保温时间为90min，管材出炉后，进行空冷；成品无缝管材的性能及组织分别见表1及图2。
66.选用本实施例中所述制备方法制得的不同规格的ta24钛合金无缝管材，与国军标《gjb.9579-2018舰船用钛及钛合金无缝管材规范》中的技术指标相比较：在管材的牌号均为ta24钛合金的情况下，通过对无缝管材的屈服强度、抗拉强度、断口伸长率百分比的提升以及冲击功的模拟计算，本实施例所制备的无缝管材性能与设计指标的对比结果如表1所示，
67.表1实施例ta24合金无缝管材的力学性能结果
[0068][0069]
通过实施例1、实施例2结合表1和附图可以看出：该制备方法所制得的无缝管材能够满足超大口径薄壁的无缝管材特性，且具有良好的断口伸长率，以及更加耐冲击，且抗拉强度和屈服强度均有高于设计指标，另外，还可以看出口径越大，本实施例中所制备的无缝管材的冲击功耐受力越大，且断口伸长率百分比也会有较大的提升。
[0070]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤一、制备空心圆铸锭：对制备的钛合金进行原料配比，采用电子束冷床炉单次熔炼制备空心圆铸锭；步骤二、铸锭加热：将空心圆铸锭放置于电阻加热炉中初次加热；步骤三、斜轧扩孔：将加热后的空心圆铸锭放入斜轧扩孔机中，进行连续且至少一道次的轧制变形得到母管；步骤四、铸锭二次加热：将母管传送至步进式再加热炉进行加热；步骤五、旋轧扩孔：将加热后的母管传送至旋轧扩孔机中进行轧制成型，并进行热处理。2.根据权利要求1所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述步骤一中，单次熔炼制备的空心圆铸锭外径尺寸范围为φ400mm～610mm，空心圆铸锭壁厚尺寸范围为φ50mm～100mm，空心圆铸锭长度尺寸范围为1500mm～12000mm。3.根据权利要求1所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述步骤二中，将空心圆铸锭放置于电阻加热炉中加热的温度需要控制在α+β/α相变点以上30℃～50℃范围内，保温加热5h～11h。4.根据权利要求1所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述步骤三中，空心圆铸锭受斜轧扩孔机轧制后，空心圆铸锭的轧制变形量范围为30％～80％，且最终轧制温度≥α+β/α相变点以下200℃。5.根据权利要求1所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述步骤四中，步进式再加热炉对母管的加热温度控制在α+β/α相变点以下100℃～200℃范围内，保温加热3h～6h。6.根据权利要求1所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述步骤五包括：步骤s51：旋轧扩孔：将加热后的母管传送至旋轧扩孔机中进行轧制成型，获得满足表面质量和尺寸要求的成品管材；步骤s52：退火热处理，获得中高强ta24钛合金无缝管材。7.根据权利要求6所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中抗拉强度rm≥750mpa。8.根据权利要求6所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中屈服强度rp0.2≥600mpa。9.根据权利要求6所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中断口伸长率a≥13％。10.根据权利要求6所述的一种超大口径ta24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，其特征在于，所述中高强ta24钛合金无缝管材的室温力学性能中冲击功kv2≥60j。

技术总结
本发明提供一种超大口径TA24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，所述方法包括：步骤一、制备空心圆铸锭：对制备的钛合金原料配比，采用电子束冷床炉熔炼制备空心圆铸锭；步骤二、铸锭加热：将空心圆铸锭置于加热炉加热；步骤三、斜轧扩孔：将加热后的空心圆铸锭放入斜轧扩孔机中连续轧制得到母管；步骤四、铸锭二次加热：将母管传送至加热炉再次加热；步骤五、旋轧扩孔：将加热后的母管传送至旋轧扩孔机中轧制成型，并热处理；通过本发明所述一种超大口径TA24钛合金无缝管材的连铸连轧制备方法，能够实现超大口径钛合金无缝管材高效连铸连轧的制备成型，简化管材生产工序，降低管材生产成本，减小管材生产周期，提高管材生产效率，提高材料利用率。提高材料利用率。提高材料利用率。


技术研发人员：李冲 石红杰 宋德军 蒋鹏 胡伟民 李龙腾
受保护的技术使用者：洛阳船舶材料研究所（中国船舶集团有限公司第七二五研究所）
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/21