一种超低温用TA7ELI钛合金板材的制备方法

摘要

本发明公开了一种超低温用TA7ELI钛合金板材的制备方法，该方法包括：一、将TA7ELI钛合金板坯进行第一次加热；二、将经第一次加热后的TA7ELI钛合金板坯轧制得第一半成品板坯；三、将第一半成品板坯依次打磨、酸洗和切割得第二半成品板坯；四、将第二半成品板坯进行第二次加热；五、将经第二次加热后的第二半成品板坯轧制得第二半成品板坯；六、将第二半成品板坯保温后矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材。本发明采用高温加热处理和换向轧制的方法，为板材在超低温下占主导变形地位的孪生变形提供了较大的变形空间，并促进了板坯组织的均匀化，得到了超低温用TA7ELI钛合金板材。

说明书

技术领域

本发明属于钛合金材料制备技术领域，具体涉及一种超低温用TA7ELI钛合金板材的制备方法。

背景技术

TA7ELI钛合金(成分为Ti-5Al-2.5Sn)属于单相α钛合金，具有较好的耐腐蚀性和较高的比强度，该合金间隙元素极低时，在超低温(-253℃)还具有良好的韧性和综合性能，是优良的超低温用合金，可以作为液氢条件下使用的工程材料，在航天领域得到广泛应用。

目前，国内的TA7ELI钛合金在超低温领域应用的主要型材为饼材和棒材，并已制定了相关的标准。但锻件的生产成本远高于轧制的成本，且后续加工成本也比板材高，难度大，因此对于一些形状不太复杂，承受载荷或冲击较小的工件，可以采用板材进行加工获得。行业中要求TA7ELI钛合金板材在20℃的室温条件下的抗拉强度不小于690MPa，延伸率不小于10％，在-253℃的超低温条件下的抗拉强度不小于1220MPa，延伸率不小于9％。而TA7ELI钛合金的加工塑性差、易开裂，压力加工允许变形量较小，因此易出现组织不均匀的问题，尤其是对于变形量有限的中厚板材。另外，钛合金的组织遗传性较强，且该合金又为单相合金，加工过程中产生的织构(取向性)对后续成品板材的低温性能影响较大，国内尚未开发出超低温用TA7ELI钛合金板材。为了加快我国航天领域的发展，有必要研究超低温用TA7ELI钛合金板材的生产方法，这对降低航天领域某些工件的制造成本将起到重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种超低温用TA7ELI钛合金板材的制备方法。该方法对TA7ELI钛合金板坯采用高温加热处理和轧制方向互相垂直的换向轧制的方法，为板材在超低温下占主导变形地位的孪生变形提供了较大的变形空间，并消除了轧制加工过程中产生的织构，促进了板坯组织的均匀化，得到了超低温用TA7ELI钛合金板材，解决了超低温用TA7ELI钛合金板材的生产问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种超低温用TA7ELI钛合金板材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将经过爆炸复合制备得到的TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上30℃～80℃的条件下保温3.5h～4.5h，然后在TA7ELI钛合金相变点以下10℃～50℃的条件下保温0.5h～1h，完成第一次加热处理；所述TA7ELI钛合金板坯的厚度为150mm～220mm，宽度为800mm～1200mm，长度为1200mm～1500mm；

步骤二、将步骤一中经第一次加热处理后的TA7ELI钛合金板坯进行第一火次轧制，得到第一半成品板坯；所述第一火次轧制为单向轧制，第一火次轧制的总变形率为60％～70％，终轧温度不低于800℃；所述第一半成品板坯的厚度为50mm～80mm，宽度为800mm～1200mm；

步骤三、将步骤二中得到的第一半成品板坯依次进行打磨和酸洗，然后进行切割，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为50mm～80mm，宽度为800mm～1200mm，长度为1050mm～1500mm；

步骤四、将步骤三中得到的第二半成品板坯在TA7ELI钛合金相变点以下10℃～50℃的条件下保温80min～120min，完成第二次加热处理；

步骤五、将步骤四中经第二次加热处理后的第二半成品板坯进行第二火次轧制，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为25mm～35mm，宽度为1050mm～1500mm，长度为1600mm～2400mm；所述第二火次轧制的方向与步骤二中第一火次轧制的方向垂直；所述第二火次轧制的总变形率为50％～60％；

步骤六、将步骤五中得到的第二半成品板坯在750℃～850℃的条件下保温1h～1.5h，然后进行矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材；所述TA7ELI钛合金板材在-253℃的超低温条件下的抗拉强度不小于1350MPa，延伸率不小于9％。将TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上加热，使板坯组织均匀化和粗大化，而均匀粗大的组织为板坯在超低温下占主导变形地位的孪生变形提供了较大的变形空间，促进了孪生变形的进行，从而有利于TA7ELI钛合金板坯在超低温下的变形；而采用轧制方向互相垂直的两火次换向轧制，减少了TA7ELI钛合金板坯横纵方向上的变形差异，进而减少了板坯内组织结构在横纵方向上的差异，消除了轧制加工过程中产生的织构，促进了板坯组织的均匀化。

上述的一种超低温用TA7ELI钛合金板材的制备方法，其特征在于，步骤二中所述第一火次轧制的道次变形率为5％～15％，道次为10～12次，第一火次轧制的轧制速率为3m/s～5m/s。在第一火次轧制过程中，通过合理控制轧制的道次变形率、道次和轧制速率，促进TA7ELI钛合金板材的晶粒细化与均匀化，获得均匀优良的晶粒组织。

上述的一种超低温用TA7ELI钛合金板材的制备方法，其特征在于，步骤五中所述第二火次轧制的道次变形率为7％～17％，道次为6～8次，第二火次轧制的轧制速率为3m/s～5m/s。第二火次轧制过程中采用与第一火次轧制接近的轧制参数，进一步保证了TA7ELI钛合金板材中晶粒组织的均匀性，使最终得到的TA7ELI钛合金板材同时具备较高的强度和良好的塑性，且强塑性匹配程度较高。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明对TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上温度进行高温加热处理，使板坯组织均匀化和粗大化，而均匀粗大的组织为板坯在超低温下占主导变形地位的孪生变形提供了较大的变形空间，促进了孪生变形的进行，从而提高了TA7ELI钛合金板坯的超低温变形性能，然后通过轧制方向互相垂直的两火次换向轧制方式进一步消除了轧制加工过程中产生的织构，进一步促进了板坯组织的均匀化，改善了TA7ELI钛合金板材的超低温变形性能，从而得到超低温用TA7ELI钛合金板材。

2、本发明通过控制第一火次轧制和第二火次轧制的轧制温度、总变形率、道次变形量、轧制方向、轧制道次等工艺参数，获得均匀优良的晶粒组织，使TA7ELI钛合金板材同时具备较高的强度和良好的塑性，且强塑性匹配程度较高。

3、本发明制备得到的TA7ELI钛合金板材在-253℃的超低温条件下的抗拉强度不小于1350MPa，延伸率不小于9％，完全满足行业要求，解决了超低温用TA7ELI钛合金板材的生产问题，降低了航天领域某些工件的制造成本，满足了我国航天领域发展的需求。

下面通过实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将经过爆炸复合制备得到的TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上30℃的条件下保温3.5h，然后在TA7ELI钛合金相变点以下50℃的条件下保温0.5h，完成第一次加热处理；所述TA7ELI钛合金板坯的厚度为150mm，宽度为1200mm，长度为1500mm；

步骤二、将步骤一中经第一次加热处理后的TA7ELI钛合金板坯进行第一火次轧制，得到第一半成品板坯；所述第一火次轧制为单向轧制，第一火次轧制的道次为10次，各道次的变形率分别为：6.7％，9.3％，12.6％，12.6％，13.4％，11.9％，12.2％，10.8％，8.6％，5.7％，第一火次轧制的总变形率为67％，终轧温度为800℃，第一火次轧制的轧制速率为3m/s；所述第一半成品板坯的厚度为50mm，宽度为1200mm；

步骤三、将步骤二中得到的第一半成品板坯依次进行打磨和酸洗，然后进行切割，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为50mm，宽度为1200mm，长度为1050mm；

步骤四、将步骤三中得到的第二半成品板坯在TA7ELI钛合金相变点以下50℃的条件下保温80min，完成第二次加热处理；

步骤五、将步骤四中经第二次加热处理后的第二半成品板坯进行第二火次轧制，得到第二半成品板坯；所述第二火次轧制的方向与步骤二中第一火次轧制的方向垂直；所述第二火次轧制的道次为6次，各道次的变形率分别为：10％，13％，13％，12％，10％，7％，总变形率为50％，第二火次轧制的轧制速率为3m/s；所述第二半成品板坯的厚度为25mm，宽度为1050mm，长度为2400mm；

步骤六、将步骤五中得到的第二半成品板坯在750℃的条件下保温1h，然后进行矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材。

经检测，本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材的晶粒尺寸为40μm～50μm，TA7ELI钛合金板材在20℃的室温条件下的抗拉强度为800MPa，屈服强度为755MPa，延伸率为16.5％，在-253℃的超低温条件下的抗拉强度为1461MPa，延伸率为9％，均符合行业要求；超声波探伤结果显示本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材满足了GB/T5193-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中A1级标准要求，说明本实施例制备的TA7ELI钛合金板材的显微组织均匀，低温力学性能和室温力学性能均优异。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将经过爆炸复合制备得到的TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上50℃的条件下保温4h，然后在TA7ELI钛合金相变点以下30℃的条件下保温0.8h，完成第一次加热处理；所述TA7ELI钛合金板坯的厚度为170mm，宽度为1000mm，长度为1300mm；

步骤二、将步骤一中经第一次加热处理后的TA7ELI钛合金板坯进行第一火次轧制，得到第一半成品板坯；所述第一火次轧制为单向轧制，第一火次轧制的道次为11次，各道次的变形率分别为：5％，6％，13％，11％，9％，8％，8％，8％，7％，6％，5％，第一火次轧制的总变形率为60％，终轧温度为830℃，第一火次轧制的轧制速率为4m/s；所述第一半成品板坯的厚度为68mm，宽度为1000mm；

步骤三、将步骤二中得到的第一半成品板坯依次进行打磨和酸洗，然后进行切割，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为68mm，宽度为1000mm，长度为1200mm；

步骤四、将步骤三中得到的第二半成品板坯在TA7ELI钛合金相变点以下30℃的条件下保温100min，完成第二次加热处理；

步骤五、将步骤四中经第二次加热处理后的第二半成品板坯进行第二火次轧制，得到第二半成品板坯；所述第二火次轧制的方向与步骤二中第一火次轧制的方向垂直；所述第二火次轧制的道次为7次，各道次的变形率分别为：17％，12％，11％，11％，10％，8％，8％，总变形率为56％，第二火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第二半成品板坯的厚度为30mm，宽度为1200mm，长度为2266mm；

步骤六、将步骤五中得到的第二半成品板坯在800℃的条件下保温1.2h，然后进行矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材。

经检测，本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材的晶粒尺寸为45μm～55μm，TA7ELI钛合金板材在20℃的室温条件下的抗拉强度为790MPa，屈服强度为738MPa，延伸率为16％，在-253℃的超低温条件下的抗拉强度为1430MPa，延伸率为14％，均符合行业要求；超声波探伤结果显示本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材满足了GB/T5193-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中A1级标准要求，说明本实施例制备的TA7ELI钛合金板材的显微组织均匀，低温力学性能和室温力学性能均优异。

实施例3

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将经过爆炸复合制备得到的TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上80℃的条件下保温4.5h，然后在TA7ELI钛合金相变点以下10℃的条件下保温1h，完成第一次加热处理；所述TA7ELI钛合金板坯的厚度为220mm，宽度为800mm，长度为1200mm；

步骤二、将步骤一中经第一次加热处理后的TA7ELI钛合金板坯进行第一火次轧制，得到第一半成品板坯；所述第一火次轧制为单向轧制，第一火次轧制的道次为11次，各道次的变形率分别为：7％，10％，15％，11％，11％，10％，7％，7％，7％，6％，6％，第一火次轧制的总变形率为64％，终轧温度为830℃，第一火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第一半成品板坯的厚度为80m，宽度为800mm；

步骤三、将步骤二中得到的第一半成品板坯依次进行打磨和酸洗，然后进行切割，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为80mm，宽度为800mm，长度为1500mm；

步骤四、将步骤三中得到的第二半成品板坯在TA7ELI钛合金相变点以下10℃的条件下保温120min，完成第二次加热处理；

步骤五、将步骤四中经第二次加热处理后的第二半成品板坯进行第二火次轧制，得到第二半成品板坯；所述第二火次轧制的方向与步骤二中第一火次轧制的方向垂直；所述第二火次轧制的道次为8次，各道次的变形率分别为：14％，13％，12％，9％，8％，8％，7％，7％，总变形率为56％，第二火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第二半成品板坯的厚度为35mm，宽度为1500mm，长度为1828mm；

步骤六、将步骤五中得到的第二半成品板坯在850℃的条件下保温1.5h，然后进行矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材。

经检测，本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材的晶粒尺寸为40μm～50μm，在20℃的室温条件下的抗拉强度为805MPa，屈服强度为763MPa，延伸率为17％，在-253℃的超低温条件下的抗拉强度为1350MPa，延伸率为17％，均符合行业要求；超声波探伤结果显示本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材满足了GB/T5193-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中A1级标准要求，说明本实施例制备的TA7ELI钛合金板材的显微组织均匀，低温力学性能和室温力学性能均优异。

实施例4

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将经过爆炸复合制备得到的TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上40℃的条件下保温4.5h，然后在TA7ELI钛合金相变点以下30℃的条件下保温0.6h，完成第一次加热处理；所述TA7ELI钛合金板坯的厚度为200mm，宽度为1000mm，长度为1200mm；

步骤二、将步骤一中经第一次加热处理后的TA7ELI钛合金板坯进行第一火次轧制，得到第一半成品板坯；所述第一火次轧制为单向轧制，第一火次轧制的道次为11次，各道次的变形率分别为：8％，11％，15％，13％，12％，12％，11％，8％，8％，8％，8％，第一火次轧制的总变形率为70％，终轧温度为840℃，第一火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第一半成品板坯的厚度为60mm，宽度为1000mm；

步骤三、将步骤二中得到的第一半成品板坯依次进行打磨和酸洗，然后进行切割，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为60mm，宽度为1000mm，长度为1200mm；

步骤四、将步骤三中得到的第二半成品板坯在TA7ELI钛合金相变点以下30℃的条件下保温120min，完成第二次加热处理；

步骤五、将步骤四中经第二次加热处理后的第二半成品板坯进行第二火次轧制，得到第二半成品板坯；所述第二火次轧制的方向与步骤二中第一火次轧制的方向垂直；所述第二火次轧制的道次为6次，各道次的变形率分别为：17％，16％，12％，11％，9％，7％，总变形率为56％，第二火次轧制的轧制速率为4m/s；所述第二半成品板坯的厚度为28mm，宽度为1200mm，长度为2142mm；

步骤六、将步骤五中得到的第二半成品板坯在820℃的条件下保温1.2h，然后进行矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材。

经检测，本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材的晶粒尺寸为45μm～55μm，在20℃的室温条件下的抗拉强度为798MPa，屈服强度为756MPa，延伸率为16.5％，在-253℃的超低温条件下的抗拉强度为1412MPa，延伸率为15％，均符合行业要求；超声波探伤结果显示本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材满足了GB/T5193-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中A1级标准要求，说明本实施例制备的TA7ELI钛合金板材的显微组织均匀，低温力学性能和室温力学性能均优异。

实施例5

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将经过爆炸复合制备得到的TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上30℃的条件下保温3.8h，然后在TA7ELI钛合金相变点以下30℃的条件下保温0.6h，完成第一次加热处理；所述TA7ELI钛合金板坯的厚度为180mm，宽度为900mm，长度为1200mm；

步骤二、将步骤一中经第一次加热处理后的TA7ELI钛合金板坯进行第一火次轧制，得到第一半成品板坯；所述第一火次轧制为单向轧制，第一火次轧制的道次为10次，各道次的变形率分别为：8％，11％，14％，12％，12％，11％，10％，9％，8％，5％，第一火次轧制的总变形率为65％，终轧温度为840℃，第一火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第一半成品板坯的厚度为62.5mm，宽度为900mm；

步骤三、将步骤二中得到的第一半成品板坯依次进行打磨和酸洗，然后进行切割，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为62.5mm，宽度为900mm，长度为1200mm；

步骤四、将步骤三中得到的第二半成品板坯在TA7ELI钛合金相变点以下30℃的条件下保温120min，完成第二次加热处理；

步骤五、将步骤四中经第二次加热处理后的第二半成品板坯进行第二火次轧制，得到第二半成品板坯；所述第二火次轧制的方向与步骤二中第一火次轧制的方向垂直；所述第二火次轧制的道次为7次，各道次的变形率分别为：16％，15％，15％，13％，10％，9％，7％，总变形率为60％，第二火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第二半成品板坯的厚度为25mm，宽度为1200mm，长度为2250mm；

步骤六、将步骤五中得到的第二半成品板坯在800℃的条件下保温1.2h，然后进行矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材。

经检测，本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材的晶粒尺寸为40μm～50μm，在20℃的室温条件下的抗拉强度为795MPa，屈服强度为752MPa，延伸率为16％，在-253℃的超低温条件下的抗拉强度为1423MPa，延伸率为13％，均符合行业要求；超声波探伤结果显示本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材满足了GB/T5193-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中A1级标准要求，说明本实施例制备的TA7ELI钛合金板材的显微组织均匀，低温力学性能和室温力学性能均优异。

实施例6

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将经过爆炸复合制备得到的TA7ELI钛合金板坯在TA7ELI钛合金相变点以上30℃的条件下保温4h，然后在TA7ELI钛合金相变点以下40℃的条件下保温0.8h，完成第一次加热处理；所述TA7ELI钛合金板坯的厚度为200mm，宽度为800mm，长度为1250mm；

步骤二、将步骤一中经第一次加热处理后的TA7ELI钛合金板坯进行第一火次轧制，得到第一半成品板坯；所述第一火次轧制为单向轧制，第一火次轧制的道次为12次，各道次的变形率分别为：8％，10％，12％，12％，10％，9％，9％，7％，7％，6％，5％，5％，第一火次轧制的总变形率为65％，终轧温度为820℃，第一火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第一半成品板坯的厚度为70mm，宽度为800mm；

步骤三、将步骤二中得到的第一半成品板坯依次进行打磨和酸洗，然后进行切割，得到第二半成品板坯；所述第二半成品板坯的厚度为70mm，宽度为800mm，长度为1100mm；

步骤四、将步骤三中得到的第二半成品板坯在TA7ELI钛合金相变点以下40℃的条件下保温100min，完成第二次加热处理；

步骤五、将步骤四中经第二次加热处理后的第二半成品板坯进行第二火次轧制，得到第二半成品板坯；所述第二火次轧制的方向与步骤二中第一火次轧制的方向垂直；所述第二火次轧制的道次为6次，各道次的变形率分别为：14％，13％，13％，11％，7％，7％，总变形率为50％，第二火次轧制的轧制速率为5m/s；所述第二半成品板坯的厚度为35mm，宽度为1100mm，长度为1600mm；

步骤六、将步骤五中得到的第二半成品板坯在830℃的条件下保温1.3h，然后进行矫直，空冷至室温后得到TA7ELI钛合金板材。

经检测，本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材的晶粒尺寸为45μm～55μm，在20℃的室温条件下的抗拉强度为788MPa，屈服强度为739MPa，延伸率为18％，在-253℃的超低温条件下的抗拉强度为1416MPa，延伸率为14％，均符合行业要求；超声波探伤结果显示本实施例制备得到的TA7ELI钛合金板材满足了GB/T5193-2007钛及钛合金加工产品超声波探伤方法中A1级标准要求，说明本实施例制备的TA7ELI钛合金板材的显微组织均匀，低温力学性能和室温力学性能均优异。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。