板式热交换器专用钛板的超塑性成形方法

摘要

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的板式热交换器专用钛板的超塑性成形方法。包括如下步骤：①选用海绵钛作为熔炼原料；②将海绵钛置入真空等离子束熔炼炉，直接浇铸成板坯；③经加热、热轧、酸碱洗、再加热、再热轧、酸碱洗、一次退火，形成2.0～2.4mm厚的板材；④经真空炉退火后的2.0～2.4mm厚的板材，冷轧、清洗、二次退火、再冷轧、酸碱洗、三次退火，最后获得厚度为0.5～0.6mm的钛板材。本发明采用较高含氧、铁、氮量的海绵钛在真空等离子束熔炼炉中直接生产的钛板坯，不经过锻压，直接轧制成板的工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的方法，特别是一种板式热交换器专用钛板的超塑性成形方法。

背景技术

目前，钛合金的超塑性成形是全球公认的标准工业技术。超塑性是指金属材料在合理的(高)成形温度和(小)的应变速率下不发生宏观颈缩而产生极大塑性应变的能力，超塑性具有以下几个要求：变形温度应达到熔化温度的一半左右；变形速率必须低。超塑性成形就是利用材料在某一特定的条件下具有较大塑性应变能力的现象，对材料进行加工变形。对于牌号为GR1的钛板板坯，常温下其塑性只有40～50％，但在温度达到它熔化温度的一半时(一般为900℃)，其塑性很容易超过1000％。这个数值对于钛板的轧制来说，大大降低了轧制压力，减少了轧制难度，道次压下量得到增大，使得加工时可以通过更少的轧制道次来达到同样的总压下量(总变形量)。而且各道次压下量的增加更能使晶粒充分破碎，所得的产品性能更均匀。

对钛板材而言，加工比较困难且成本较高，特别是在采用传统冷成形技术制造薄板方面。而且较高的加工成本导致钛板的应用受到了极大限制。1991年Osaka第四届国际先进材料超塑性会议第一次为超塑性下了一个通用定义：超塑性是指多晶体材料在失效前呈现出极高的拉伸伸长率的能力，通常具有各向异性。实验论证，几乎所有的多晶体材料在合适的温度和应变速率下都呈现出高的拉伸变形，前提是这些材料在热成形过程中能形成足够细小的晶粒组织，并表现出足够高的抑制晶粒长大的能力。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号：200510009906，公开号：1672918，发明名称：一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材及其制备方法。该技术自述：一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材及其制备方法，它涉及一种TiAl金属间化合物-钛合金复合板材及其制备工艺。本发明的复合板材包括至少一层材质为TiAl金属间化合物的板材(1)和至少一层材质为纯钛或钛合金的板材(2)，加工方法为：轧制之前对材质为TiAl金属间化合物的板材或块材和材质为纯钛或钛合金的板材或块材进行磨光或抛光处理，然后采用包套轧制方法制备复合板材，工艺参数为：温度600～1400℃，道次变形量2～40％，轧制总变形量5～95％。本发明获得的复合板材结合了TiAl金属间化合物的轻质、耐热和钛合金高强、塑性好的优点，复合板材的室温抗拉强度为550～950Mpa，室温塑性为2.5～5％，700℃抗拉强度为500～700Mpa，700℃塑性超过8％。该技术制备的复合板材是用多片板料叠轧成一片，其塑性又远远低于板换专用钛板的塑性值。

检索中还发现，中国专利申请号：200510089940，公开号：1824409，申请日：2005年8月8日，发明名称：外加热金属板材高温超高水压一次成形技术、方法与设备。其中成形方法为：一种利用水在高温下所产生的巨大内高压，以板材为坯料，①将高压容器中加满水；②将板材覆盖在容器上面；③将凹形密封槽与凸形密封环对齐，下行模具；④旋紧螺丝，将板材密封在高压容器和模具之间；⑤加热高压容器中的工作水至高温；⑥当容器中由高温水所产生的压力超过板材所能承受的张力时，板材向凹形模具拉深变形，直至与内模表面一致。该技术针对管状材料不易从内向外进行拉深变形，利用高温下水能产生较大的压力来使其发生拉深变形，但是一条生产线也只能对单个零件进行加工，而且每个零件都需经装水、密封、加热、变形、冷却、拆卸才能完成，步骤繁复。遇到不同口径的产品，还要重新设计外套及密封装置以保证其密封性，不利于加工多种类型的产品。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种板式热交换器专用钛板的超塑性成形方法。使其采用较高含氧、铁、氮量的海绵钛在真空等离子束熔炼炉中直接生产的钛板坯，不经过锻压，直接轧制成板的工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

①选用海绵钛作为熔炼原料；

所述的海绵钛的组分和质量百分比：0.05％≤铁≤0.08％、0.05％≤氧≤0.08％、0.008％≤氮≤0.015％、0＜碳≤0.03％、0＜氢≤0.008％，其它杂质含量＜0.4％，余量为钛。

所述的其它杂质，是指镍、硅、铝、钒、锌、钼、锆等所有常见残留元素。

所述的海绵钛，HB为：100～110。

②将海绵钛置入真空等离子束熔炼炉，直接浇铸成板坯；

所述的板坯：H×B×L＝220mm×900mm×1000mm或相近尺寸的长方体。

③经加热、热轧、酸碱洗、再加热、再热轧、酸碱洗、一次退火，形成2.0～2.4mm厚的板材；

所述的加热，是指：在加热炉加热，温度控制在900～920℃。

所述的热轧，是指：将板坯热轧制成8～9mm厚的板材。

所述的酸碱洗，在碱锅中加热，温度控制在440～500℃，经水爆后进酸洗池剥落氧化皮，再用水清洗后烘干。

所述的再加热，是指：在加热炉加热，温度控制在800～850℃。

所述的再热轧，是指：将8～9mm厚的板材再热轧制成2.0～2.4mm厚的板材。

所述的一次退火，在真空炉中进行退火，温度和时间为：720℃±10℃，1～2h。

④经真空炉退火后的2.0～2.4mm厚的板材，冷轧、清洗、二次退火、再冷轧、酸碱洗、三次退火，最后获得厚度为0.5～0.6mm的钛板材。

所述的冷轧，是指：将2.0～2.4mm厚的板材冷轧，制成1.0～1.2mm厚的板材。

所述的二次退火，是指：在真空炉中进行退火，温度和时间为：720℃±10℃，1h。

所述的再冷轧，是指：将1.0～1.2mm厚的板材冷轧，制成0.5～0.6mm厚的板材。

所述的三次退火，在真空炉中进行退火，温度和时间为：680～720℃，1～2h。

本发明涉及的原料是目前较容易取得的较高含氧、铁、氮量的海绵钛在真空等离子束熔炼炉中直接生产的钛板坯，不经过锻压，直接轧制成板的工艺。本发明采用大变形量的热轧工艺，结合多次真空退火工艺，使金属材料的晶粒充分破碎，得到较细小的晶粒组织和较紧密的晶界，并保证较小的温度误差，使材料的机械性能达到超塑性成形的要求，便于板坯的加工。本发明用较少的热轧及冷轧次数进行生产，减少板料的加热次数及热处理的次数，减少板料的吸气量，降低α层的生成，还采用真空退火处理降低材料经过多道次加工吸附的H、O、N等有害气体元素，降低杂质含量，保证产品质量。由于常温状态下板料屈服强度较高，热轧尽量将板料轧薄，降低冷轧总变形量，且确保冷轧单程的变形量，最后用三次退火的真空蠕变对板料进行软化、矫形。

本发明的有益效果：目前，世界上生产板式热交换器专用钛板由于原料的等级不一和熔炼控制上的难度，难以大批量生产高纯度低杂质的钛锭，因而板式热交换器专用钛板的生产受到了限制。本发明采用较高含氧、铁、氮量的海绵钛在真空等离子束熔炼炉中直接生产的钛板坯，不经过锻压，直接轧制成板的工艺。生产板式热交换器专用钛板，降低了对来料的要求，大大增加了板式热交换器专用钛板的产量，提高了生产效益。使用本发明生产板式热交换器专用钛板，比使用一般方法的月产量提高了30％，而且产量还在增加。成品的性能指标也都满足并优于板换产品的标准。本发明利用材料本身具有的超塑性对其进行加工生产，大大降低了生产难度，原料要求的降低，加工难度的简化，必然会使生产量大幅度提高，满足市场需要。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实例1

1、采用海绵钛作为熔炼原料；

其质量百分比分别为：氧＝0.05％、铁＝0.05％、氮＝0.01％、碳＝0.015％、氢＝0.005％，其它杂质镍、硅、铝、钒、锌、钼、锆含量0.39％，余量为钛，HB＝100。

2、真空等离子束熔炼炉熔炼后直接浇铸成板坯。

板坯规格：H×B×L＝220mm×900mm×1000mm。

3、在加热炉中加热至900℃，然后一火轧制成8mm厚的板材。

4、8mm厚的板材经酸碱洗、修磨后，再经过加热炉加热至820℃，热轧至2.0mm厚的板材。

5、2.0mm厚的板材再经过酸碱洗、修磨后，在真空炉中进行退火。退火规范：710℃，2h。

6、经真空炉退火后的2.0mm厚的板材，冷轧至1.0mm的板材。

7、1.0mm的板材经除油、清洗后，在真空炉中进行710℃，1h退火。

8、经真空炉退火后的1.0mm的板材，冷轧至0.5mm的板材。

9、冷轧至0.5mm的板材经酸碱洗后，在真空炉中进行退火，退火：700℃，100min。

对成品取样作性能测试，结果为：

APV GR1抗拉/Mpa屈服/Mpa延伸/％  杯突/mm  纵  327  194  4810.36  横  337  224  37

实例2

1、采用海绵钛作为熔炼原料；

其质量百分比分别为：氧＝0.08％、铁＝0.08％、氮＝0.008％、碳＝0.03％、氢＝0.007％，其它杂质镍、硅、铝、钒、锌、钼、锆含量0.39％，余量为钛。HB＝110。

2、真空等离子束熔炼炉熔炼后直接浇铸成板坯。

板坯规格：H×B×L＝240mm×900mm×1000mm。

3、在加热炉中加热至920℃，然后一火轧制成9mm厚的板材。

4、9mm厚的板材经酸碱洗、修磨后，再经过加热炉加热至830℃，热轧至2.3mm厚的板材。

5、2.3mm厚的板材再经过酸碱洗、修磨后，在真空炉中进行退火，退火：720℃，2h。

6、经真空炉退火后的2.3mm厚的板材，冷轧至1.2mm的板材。

7、1.2mm的板材经除油、清洗后，在真空炉中进行710℃，1h退火。

8、经真空炉退火后的1.2mm的板材，冷轧至0.6mm的板材。

9、冷轧至0.6mm的板材经酸碱洗后，在真空炉中进行退火，退火：710℃，2h。

对成品取样作性能测试，结果为：

APV GR1抗拉/Mpa屈服/Mpa延伸/％  杯突/mm  纵  345  215  429.95  横  348  230  34

实例3

1、采用海绵钛作为熔炼原料；

其质量百分比分别为：氧＝0.07％、铁＝0.06％、氮＝0.009％、碳＝0.02％、氢＝0.006％，其它杂质镍、硅、铝、钒、锌、钼、锆含量0.39％，余量为钛。HB＝105。

2、真空等离子束熔炼炉熔炼后直接浇铸成板坯。

板坯规格：H×B×L＝200mm×900mm×1000mm。

3、在加热炉中加热至900℃，然后一火轧制成8mm厚的板材。

4、8mm厚的板材经酸碱洗、修磨后，再经过加热炉加热至800℃，热轧至2.0mm厚的板材。

5、2.0mm厚的板材再经过酸碱洗、修磨后，在真空炉中进行退火。退火：700℃，2h。

6、经真空炉退火后的2.0mm厚的板材，冷轧至1.0mm的板材。

7、1.0mm的板材经除油、清洗后，在真空炉中进行690℃，1h退火。

8、经真空炉退火后的1.0mm的板材，冷轧至0.5mm的板材。

9、冷轧至0.5mm的板材经酸碱洗后，在真空炉中进行退火，退火：700℃，100min。

对成品取样作性能测试，结果为：

APV GR1抗拉/Mpa屈服/Mpa延伸/％  杯突/mm  纵  350  221  44  10.42横36023236

板式热交换器专用钛板的APV GR1标准：

APV GR1抗拉/Mpa屈服/Mpa延伸/％ 杯突/mm  纵  240～390  170～230  40＞9.5  横  240～410  170～248  30

两者比较后可以得出，通过本发明的实施例生产的成品性能可以达到或者优于板换产品的标准。如果用同样的原料和现有技术生产，不可能达到此标准。由于原料铁、氮、氧的含量较高，现有技术生产板式热交换器专用钛板必须选用杂质含量较低的原料，这样不仅增加了成本，还会因为原料不足导致产量上不去。