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(guò)程。

國(guó)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(kāi)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(guó)于50年代后期開(kāi)始鈦板帶生產(chǎn)，60年代中期建成了較大型的鈦加工廠(chǎng)，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(jiǎn)明生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)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(chēng)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(duì)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(guò)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(shí)，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(shí)，為防止熱應(yīng)力可能引起的錠坯開(kāi)裂，通常采用低溫慢速、高溫快速的分段加熱法?？刂棋V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(jiàn)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(guò)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(shí)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(guò)程的重要工序。制定鈦合金板帶材熱軋工藝制度時(shí)，還應(yīng)考慮到晶粒組織對(duì)力學(xué)性能的影響。為了減少加熱時(shí)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(shí)間。然而降低溫度會(huì)使軋制時(shí)變形抗力急劇增加，同時(shí)塑性也下降，這對(duì)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(jiàn)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(shí)，為了提高材料的塑性和降低軋制時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(mǎn)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(shí)，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(duì)缺口敏感，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的表面缺陷如裂紋和吸氣層等，應(yīng)及時(shí)采用打磨等方法清除干凈，以防變形過(guò)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。