一种宽幅厚规格TC4ELI钛合金板材的制造方法与流程

本发明涉及钛合金板材生产，尤其涉及一种厚度规格50mm以上、宽度大于2800mm的宽幅厚规格tc4eli钛合金板材的制造方法。

背景技术：

1、随着航空航天、深海探潜、船舶、石油、化工及核能工业等领域技术的发展，对钛合金tc4eli板材的需求日益增加，并提出高强度、高尺寸精度以及良好冲击韧性和可焊接性的要求。目前，对宽幅、大尺寸钛合金板材的需求越来越大，主要是因为使用厚度大于50mm、宽度大于2800mm的宽幅、大尺寸钛合金板材可减少拼接焊缝，减小制造过程焊材探伤工作量，同时增加后续服役过程中耐冲击载荷，增加前服役过程中的安全性。同时，也可大幅降低工厂化预制成本，缩短材料采购周期，提升工程建造速度，因此该规格钛合金板材具有广阔的应用前景。控制轧制是一种可同时提高金属材料强度和韧性的非常有效的方法。但由于钛合金的导热性差、加工窗口窄、工艺塑性较差，易在轧件的表面及边角处产生裂纹；而且在较低温度下发生大变形的工艺将大大提高轧制设备的负荷，对轧制设备的能力提出了更高的要求，从而限制了控制轧制在钛合金板材生产中的应用。

2、目前，钛合金板材常规工艺路线的特点是“抢温快轧”，即一方面要求轧制节奏加快，使板坯加热温度处于(α+β)两相区的上限甚至处于合金相变点以上，尽可能使整个轧制过程处于相对较高的温度范围；另一方面是轧制过程变形量应较小。该工艺的优点是可以在较低轧机设备负荷下完成变形过程，但不可避免增加了整个轧制过程的能耗；而且终轧温度过高以及较小的轧制变形对于板材组织均匀及细化、综合性能的提高等都将产生不利影响。此外，由于钛合金弹性模量低，随着板厚的增加板材易产生碎浪，同时板形控制难度较大，导致在后续使用过程中无法达到自动焊接要求，严重影响客户使用。此类板材的特点为轧件厚、对轧制力及温度变化非常敏感，生产中极易出现浪形、轧废等诸多问题，废次品率高，轧后钢板会出现类似瓦楞板的板形，导致平直度超标，不易形成批量生产能力；且由于弹性模量低、回弹大，冷态板材无法通过冷矫直机及压平机进行压平挽救。导致厚规格钛合金板材的制造成本显著增加，延长了交货周期。由此可见，如何解决上述厚度规格50mm以上、宽度大于2800mm的tc4eli钛合金的板形问题，同时避免边裂及表面裂纹的产生，提高其强韧性，是厚规格、宽幅tc4eli钛合金板材开发的关键。

3、迄今为止，国内外对厚规格、宽幅tc4eli钛合金板材的强韧性、板材平直度、表面裂纹进行有效控制的方法研究甚少。公开号为cn 103203361 a的中国专利申请公开了“一种tc4钛合金宽幅厚板的轧制方法”，采用低温大变形两火轧制，通过在每火次轧制完成后均进行水冷以实现快速降温，能够保留低温大变形组织，进而保证钢板性能满足要求，但其板形控制标准没有明确，且板材宽度小于2800mm。公开号为cn 108838208 a的中国专利申请公开了“一种宽幅tc4钛合金坯料的二火轧制方法”，采用适当的加热和均热工艺，并在轧制过程中采用二火抢温轧制，有效防止了钛合金坯料在开坯轧制过程中温降导致的扣头、上翘以等现象。但其生产板材厚度为42～46mm，宽度为3800～3900mm，对厚度大于50mm的钛合金板材制造工艺并未涉及。公开号为cn 103203361 a的中国专利申请公开了“一种tc4钛合金宽幅厚板的轧制方法”，采用低温大变形两火轧制，通过在每火次轧制完成后均进行水冷以实现快速降温，能够保留低温大变形组织，进而保证板材性能满足要求，但其产品性能无法满足深海服役的技术要求，且板材宽度小于2800mm，同时其采用二火轧制，增加了能源消耗和工序成本。

4、期刊论文“轧制工艺对tc4eli钛合金超宽幅厚板材组织与力学性能的影响”(李瑞等著，《材料热处理学报》，2020年1期)中，主要通过优化控制轧制相变点温度区间，保证了板材力学性能，但其未对适于生产的板材宽度及厚度组距及板形要求进行明确说明。

5、以上文献公开的钛合金板材的制造方法，虽然改善了板材的力学性能指标及组织均匀性等问题，但不能满足厚度规格50mm以上、宽度大于2800mm的tc4eli钛合金超宽幅板材的板形、表面裂纹控制和基于深海空间服役要求的板材性能要求。而采用本发明提供的技术方案，可以有效的克服上述现有技术的不足，解决使用200～400mm厚度的钛合金扁锭生产厚度50mm以上、宽度大于2800mm的tc4eli钛合金板材时，关于板形、表面裂纹、厚度方向组织均匀性以及性能等方面的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种宽幅厚规格tc4eli钛合金板材的制造方法，采用优化的喷涂工艺、加热工艺及轧制工艺，同时采用灵活的高压水除鳞工艺和退火工艺，最终制备得到宽度为2800～4000mm、厚度50mm以上的tc4eli钛合金宽幅中厚板，解决了厚规格、宽幅tc4eli钛合金热轧中厚板生产时易产生表面裂纹的问题，表面裂纹废品率由10％以上降低至2％以下，同时无需后续离线矫直处理就能满足板形控制要求。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种宽幅厚规格tc4eli钛合金板材的制造方法，包括钛合金扁锭修磨喷涂、加热、轧制、在线热矫直及退火处理过程，具体过程如下：

4、1)钛合金扁锭修磨喷涂；

5、钛合金扁锭进行带温在线全表面修磨，修磨后的钛合金扁锭表面喷涂高温抗氧化涂料；

6、2)加热；

7、钛合金扁锭进加热炉进行加热，预热段温度为810～860℃，保温时间为35～60min；加热一段温度为890～920℃，保温时间为35～55min；加热二段温度为965～980℃，保温时间为45～60min；均热段温度为1000～1030℃，保温时间为150～180min；同时控制均热段空燃比为1:1.8～1:2.3，保证钛合金扁锭的上下表面温差在20℃以内；

8、3)轧制；

9、轧制前，将辊道冷却水关闭；对钛合金扁锭进行往返轧制，先横轧后纵轧；横轧时，单道次压下率为25％～35％；纵轧时，至少前三道次采用大压下率，单道次压下率为20％～30％；轧制过程中对轧辊采用分段冷却，轧制头部段时，轧辊冷却水量按150～200m3/h开启；轧制中间段时，轧辊水量按200～250m3/h开启；轧制尾部段时，轧辊水量按150～200m3/h开启；纵轧阶段至少前三道次每道次喷轧机除鳞水，除鳞水压力10～15mpa，每道次除鳞时间为10～20s；轧制速度为2～4.5m/s，终轧温度≥800℃，轧后抛出速度4～6.5m/s；轧制过程中采取调整辊速补偿，上下辊速差控制在-2.5％～-1.0％，末道次压下量控制在1mm以内；

10、3)在线热矫直；

11、至少进行三道矫直；热矫直的矫直温度为720～760℃，矫直力为1500～2000kn，弯辊量为1.5～3.0mm，倾动值为3～6mm；

12、4)退火处理；

13、入炉前在钛合金板材上下表面布置80mm以上钢板，钢板和钛板中间放置导热性良好的镍基合金垫块；退火处理温度为830～880℃，退火处理时间为4～6h，出炉空冷。

14、进一步的，所述tc4eli钛合金板材的化学成分按重量百分比计为o：0.08％～0.12％，fe：0.20％～0.25％，c≤0.07％，h≤0.012％，al：5.5％～6.5％，v：3.8％～4.5％，余量为ti及不可避免的杂质元素。

15、进一步的，所述tc4eli钛合金板材的厚度为50mm以上，宽度为2800mm以上。

16、进一步的，所述钛合金扁锭的制备过程为：采用一级海绵钛、al-v中间合金、al含量≥99.9％的高纯度al作为炉料，通过压制电极，在eb炉进行熔炼，得到钛合金扁锭。

17、进一步的，所述钛合金扁锭的尺寸为厚度×宽度×长度＝200～400mm×1650～1950mm×2500～4000mm。

18、进一步的，所述步骤1)中，钛合金扁锭修磨后的表面粗糙度ra≤60μm。

19、进一步的，所述步骤1)中，钛合金扁锭表面喷涂的高温抗氧化涂料为纳米sio2抗氧化涂料，厚度为0.6～1.0mm。

20、进一步的，所述步骤2)中，加热炉在均热段的炉头留2～4个空位。

21、进一步的，所述步骤3)中，钛合金扁锭全长为l，头部段为头部1/4l长度段，中间段为1/4l-3/4l长度段，尾部段为尾部1/4l长度段。

22、进一步的，钛合金板材成品力学性能为：屈服强度≥890mpa，抗拉强度≥960mpa，延伸率≥15％，室温横向kv2≥60j；钛合金板材成品的表面晶粒度与中心晶粒度等级一致，且晶粒度在5级以上；钛合金板材成品的平直度在5mm/2m以下。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、1)本发明所述钛合金板材设计成分合理，通过对o和fe元素含量进行限制，保证钛合金中o、fe含量分别在为0.08％～0.12％和0.20％～0.25％，氧含量较高时氧原子进入钛合金的内部，产生第二类内应力，导致钛合金的晶格变形，增加对位错运动的抵抗力，提高tc4eli钛合金强度；而fe作为强β相稳定元素，在钛合金中添加主要是形成tife中间相，确保在o含量添加量受限的情况下，通过杂质fe含量的增加得以提高，弥补由于o含量受限引起的tc4eli钛合金强度的不足。

25、2)采用高温纳米sio2抗氧化涂料对修磨后的钛合金扁锭在三维方向进行喷涂，避免钛合金扁锭在步进式加热炉加热过程中与明火接触，表面因过烧而产生大量魏氏β相组织，致使后续轧制过程两相变形不协调而产生表面裂纹的问题。

26、3)采用高的加热温度，同时保证均热段和加热段的在炉时间，并控制空燃比，缩短了钛合金扁锭表面与心部的温度差异，同时在加热炉均热段的炉头留2～4个空位，防止因炉头温度低影响钛合金扁锭加热均匀性；从而保证钛合金板材轧制过程中上、下表面横向、纵向金属流动均匀性。

27、4)轧制及高压水除鳞：轧制前，将粗轧至热矫区间的辊道冷却水关闭，避免大量冷却水在中间坯下表面流动而产生非受控性温降，由此增加轧制道次,同时也有利于控制中间坯保持水平或轻微上翘状态，为轧机咬入创造条件；对轧辊采用分段冷却，避免大量冷却水在板材表面流动产生非受控性温降，并因此增加轧制道次；通过合理控制轧辊的冷却水量，有效控制辊型，大幅改善由于中间坯头-中-尾温度分布不均匀，在轧制过程中产生无规律跑偏及镰刀弯等缺陷；通过换向轧制改善合金板材性能(各向异性)，在横轧阶段以及纵轧阶段的前两道次采用大压下率，促进变形过程中原始β相晶粒被拉长或破碎，同时促进β相中析出次生α相变，导致晶粒由eb扁锭表面向心部发生细化；通过控制纵轧阶段中间道次压下率，既保证两相变形协调一致，抑制裂纹产生，同时也保证足够压下率，促使片状组织发生球化转变成等轴组织；纵轧阶段的前三道次喷轧机除鳞水进行表面降温，使中心坯表面与心部产生温度梯度，从而使板材表面变形抗力大于心部，有利于变形从表面向心部扩展；轧制过程中采取调整辊速补偿，控制上下辊速差，保证板材初始板形进入热矫直机之前没有鹅头浪，末道次控制压下量在1mm以内以平整板形，降低板材内应力。

28、5)通过对矫直温度进行控制，降低两相比例差，促进内应力充分释放，保证板材内应力充分释放后再经过矫直，避免由于发生相变产生较大内应力；通过设定合适的弯辊量和倾动值，保证矫完的板材平直度良好。

29、6)通过提高退火温度，促进片状α相变宽，且长宽比变小，保证组织细化，细小的组织阻碍了塑性变形过程中滑移的进行，从而提高了材料强度；同时延长在炉时间，促进部分片层状或者针状α相尺寸增大，提高塑韧性。

30、7)退火处理前，在钛合金板材的上、下表面布置80mm以上厚度的钢板，钢板和钛合金板材之间放置导热性良好的镍基合金垫块，保证退火处理过程中钛合金板材受热均匀，同时也避免出炉后钛合金板材直接与辊道、空气接触而导致上下表面冷速过快，并利用垫块和钢板间隙均匀缓冷；此外，采用在钛合金板材的上下表面布置80mm以上厚度的钢板，也可以利用高温退火过程中钢板的自重对钛合金板材进行压平，保证厚度规格50mm以上、宽度2800mm以上的高强度tc4eli钛合金板材的平直度满足使用要求。

31、8)本发明通过成分、钛合金扁锭表面修磨与喷涂抗氧化涂料、加热、轧制、矫直及热处理工艺等多方面的系统优化，制备出厚度规格50mm以上、宽度2800mm以上的tc4eli钛合金板材，并解决了宽幅厚规格钛合金中厚板生产时易产生表面裂纹的问题，表面裂纹废品率由常规的10％以上降低至2％以下；同时无需后续离线矫直处理就能满足板材的板形控制要求(平直度在5mm/2m以下)，所制钛合金板材的力学性能为：屈服强度≥890mpa，抗拉强度≥960mpa，延伸率≥15％，室温横向kv2≥60j，表面晶粒度与中心晶粒度等级一致，且晶粒度在5级以上。