权利要求
1.一种钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.合金冶炼;采用电极压制结合三次真空自耗熔炼技术熔炼出铸锭;
S2.铸锭锻造;将铸锭加热到850℃～1000℃，锻造比3～10，锻造成圆柱体坯料;
S3.坯料首次加工;将坯料锯切下料，加工内孔，头部内孔处加工角度为46.5°的喇叭口，表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S4.坯料首次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;
S5.一次扩孔;将步骤S4中加热到温的坯料放入立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔;
S6.坯料二次加工;将步骤S5中扩孔后的坯料头尾互换，车外圆、两端平头，头部内孔处加工角度为46°～46.5°的喇叭口，清理内外表面缺陷;修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S7.坯料二次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;
S8.二次扩孔;将步骤S7中加热到温的坯料放入立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔;
S9.坯料三次加工;对步骤S8中二次扩孔后的坯料车外圆、两端平头，清理内外表面缺陷，修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S10.坯料包套;对步骤S9得到的坯料先包裹低碳钢钢套，低碳钢钢套的厚度为0.5～1mm;再包裹紫铜套，紫铜套的厚度为1～1.8mm;
S11.坯料三次加热;采用电炉加热，常温入炉，随炉升温，炉温850～950℃时，保温3.0h～5.0h;
S12.荒管挤压;对步骤S11中加热后的坯料采用带双锥模的卧式挤压机挤出荒管;
S13.矫直;在温度100℃～400℃时进行带温矫直;
S14.酸洗;
S15.修磨;去除表面缺陷和残余的铜皮、钢皮，形成成品管;
S16.精整处理;对成品管切头、理化检测、尺寸检测、无损检测、包装。
2.根据权利要求1所述的钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，坯料首次加工中，锯切长度600～900mm，端面切斜度≤3mm，坯料钻内孔偏差±0.5mm，内外圆的同心度≤1mm，内外表面及划道表面无车刀纹，外径偏差±1mm，端面垂直度≤1mm;
坯料二次加工、坯料三次加工中，外径偏差±1mm，端面垂直度≤1mm。
3.根据权利要求2所述的钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，步骤S5中的扩孔包括以下步骤：
a. 扩前的坯料外径比扩孔筒内径小5mm～12mm，扩孔筒内壁预热到温度大于350℃;
b.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
c.坯料放入扩孔筒内，将扩孔头放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为60mm/s～160mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。
4.根据权利要求3所述的钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，步骤S8中的扩孔包括以下步骤：
d. 扩前的坯料外径比扩孔筒内径小5mm～12mm，扩孔筒内壁预热到温度大于350℃;
e.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
f.坯料放入扩孔筒内，将扩孔头放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为100mm/s～200mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，步骤S12中挤压成形具体包括以下步骤：
g. 挤压筒内壁温度加热到355℃～600℃，双锥模和芯棒加热到280℃～480℃;
h. 挤压筒、芯棒和双锥模表面均匀涂抹石墨润滑剂;
i. 坯料出炉后90秒的时间内转运到挤压筒内，挤压筒内径比坯料外径大5mm～10mm;
j. 将尾垫加热至850℃～950℃，然后贴在坯料的尾部，尾垫随坯料一起挤压;
k. 挤压杆前进速度40mm/s～90mm/s，荒管的挤压比值是2.5～10.5，压余设置为30mm，挤出的荒管在冷床上自然空冷。
6.根据权利要求5所述的钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，尾垫外径与坯料外径相等，尾垫内径比坯料内径大4mm～6mm，尾垫长度为95mm。
7.根据权利要求6所述的钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，立式扩孔机采用2500吨立式扩孔机，其中，扩孔针直径比扩孔头工作段直径小10mm，剪切环内径比扩孔头工作段直径大0.5～1mm，扩孔针对扩孔桶中心线偏离≤0.5mm，扩孔筒内衬在内圆长度方向有1.1mm～1.5mm的锥度，扩孔筒的高度为1650mm～1760mm，扩孔筒内衬的厚度小于扩孔筒外壳的厚度。
8.根据权利要求7所述的钛合金无缝管挤压成形方法，其特征在于，卧式挤压机采用6300吨卧式挤压机，其中，双锥模外部圆锥面夹角γ'为24°，双锥模内部入口有两个模角，模角β为110°，模角β'为45°;定径带长度为12.5mm～15mm，模角β截面和模角β'截面过渡区域圆角半径为10mm，模角β'截面和定径带过渡区域圆角半径为10mm。
9. 一种钛合金无缝管，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的钛合金无缝管挤压成形方法制得，所述钛合金无缝管为TB17钛合金无缝管, TB17钛合金无缝管的外径范围为114～380mm，壁厚范围为10～45mm，内径大于60mm。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于金属材料加工领域，具体地说是一种钛合金无缝管挤压成形方法及其产品。
背景技术
[0002]钛合金具有优良的耐蚀性和耐热性，还具有密度小、比强度高、无磁性以及良好的强韧性和焊接性等优点，在航空航天、兵器、石油化工、造船、汽车及医药等领域得到广泛应用。
[0003]传统的钛合金管材开坯普遍采取棒材掏孔、板材卷焊、热穿孔、锻造和热挤压等生产工艺，但是，棒材掏孔工艺的材料利用率较低，板材卷焊存在焊缝使得整体性能不一致，穿孔工艺加热温度高，导致组织稳定性差，进而易产生裂纹，锻造工艺节奏慢，精度差。为此，提出了一种热挤压工艺，该工艺使坯料处于三向压缩应力状态从而更有利于提高材料的塑性变形能力，且变形量大，适合于钛合金的热加工。
[0004]目前钛合金管开坯的热挤压工艺流程为：坯料制备+一次扩孔+铜皮润滑+挤压荒管，但是该工艺存在以下问题：
一、当挤压大口径管材时，扩孔变形量比较大，当一次变形扩孔比大于1.30时经常出现被扩裂的问题，若为降低扩孔变形量而采取钻大直径的内孔又会导致材料的浪费;
二、钛合金挤压时的加热温度超过850℃，此时钛-铜界面会形成脆性Ti-Cu共晶组织，导致铜包套对钛合金管造成铜污染;
三、目前挤压机中通常采用平模，平模挤压时金属变形剧烈，挤压力偏高，且采用平模极易损坏铜套，导致管材出现裂纹。
发明内容
[0005]本发明旨在一种提供钛合金无缝管挤压成形方法及其产品，以解决现有的热挤压工艺中存在的一次变形扩孔比较大时管材被扩裂、对钛合金管造成铜污染、铜套损坏以及管材出现裂纹等问题。
[0006]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种钛合金无缝管挤压成形方法，该方法包括以下步骤：
S1.合金冶炼;采用电极压制结合三次真空自耗熔炼技术熔炼出铸锭;
S2.铸锭锻造;将铸锭加热到850℃～1000℃，锻造比3～10，锻造成圆柱体坯料;
S3.坯料首次加工;将坯料锯切下料，加工内孔，头部内孔处加工角度为46.5°的喇叭口，表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S4.坯料首次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;
S5.一次扩孔;将步骤S4中加热到温的坯料放入立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔;
S6.坯料二次加工;将步骤S5中扩孔后的坯料头尾互换，车外圆、两端平头，头部内孔处加工角度为46°～46.5°的喇叭口，清理内外表面缺陷;修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S7.坯料二次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;
S8.二次扩孔;将步骤S7中加热到温的坯料放入立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔;
S9.坯料三次加工;对步骤S8中二次扩孔后的坯料车外圆、两端平头，清理内外表面缺陷，修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S10.坯料包套;对步骤S9得到的坯料先包裹低碳钢钢套，低碳钢钢套的厚度为0.5～1mm;再包裹紫铜套，紫铜套的厚度为1～1.8mm;
S11.坯料三次加热;采用电炉加热，常温入炉，随炉升温，炉温850～950℃时，保温3.0h～5.0h;
S12.荒管挤压;对步骤S11中加热后的坯料采用带双锥模的卧式挤压机挤出荒管;
S13.矫直;在温度100℃～400℃时进行带温矫直;
S14.酸洗;
S15.修磨;去除表面缺陷和残余的铜皮、钢皮，形成成品管;
S16.精整处理;对成品管切头、理化检测、尺寸检测、无损检测、包装。
[0007]作为对本发明的限定，坯料首次加工中，锯切长度600～900mm，端面切斜度≤3mm，坯料钻内孔偏差±0.5mm，内外圆的同心度≤1mm，内外表面及划道表面无车刀纹，外径偏差±1mm，端面垂直度≤1mm;
坯料二次加工、坯料三次加工中，外径偏差±1mm，端面垂直度≤1mm。
[0008]作为对本发明的进一步限定，步骤S5中的扩孔包括以下步骤：
a. 扩前的坯料外径比扩孔筒内径小5mm～12mm，扩孔筒内壁预热到温度大于350℃;
b.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
c.坯料放入扩孔筒内，将扩孔头放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为60mm/s～160mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。
[0009]作为对本发明的进一步限定，步骤S8中的扩孔包括以下步骤：
d. 扩前的坯料外径比扩孔筒内径小5mm～12mm，扩孔筒内壁预热到温度大于350℃;
e.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
f.坯料放入扩孔筒内，将扩孔头放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为100mm/s～200mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。
[0010]作为对本发明的另一种限定，步骤S12中挤压成形具体包括以下步骤：
g. 挤压筒内壁温度加热到355℃～600℃，双锥模和芯棒加热到280℃～480℃;
h. 挤压筒、芯棒和双锥模表面均匀涂抹石墨润滑剂;
i. 坯料出炉后90秒的时间内转运到挤压筒内，挤压筒内径比坯料外径大5mm～10mm;
j. 将尾垫加热至850℃～950℃，然后贴在坯料的尾部，尾垫随坯料一起挤压;
k. 挤压杆前进速度40mm/s～90mm/s，荒管的挤压比值是2.5～10.5，压余设置为30mm，挤出的荒管在冷床上自然空冷。
[0011]作为对本发明的进一步限定，尾垫外径与坯料外径相等，尾垫内径比坯料内径大4mm～6mm，尾垫长度为95mm。
[0012]作为对本发明的进一步限定，立式扩孔机采用2500吨立式扩孔机，其中，扩孔针直径比扩孔头工作段直径小10mm，剪切环内径比扩孔头工作段直径大0.5～1mm，扩孔针对扩孔桶中心线偏离≤0.5mm，扩孔筒内衬在内圆长度方向有1.1mm～1.5mm的锥度，扩孔筒的高度为1650mm～1760mm，扩孔筒内衬的厚度小于扩孔筒外壳的厚度。
[0013]作为对本发明的进一步限定，卧式挤压机采用6300吨卧式挤压机，其中，双锥模外部圆锥面夹角γ'为24°，双锥模内部入口有两个模角，模角β为110°，模角β'为45°;定径带长度为12.5mm～15mm，模角β截面和模角β'截面过渡区域圆角半径为10mm，模角β'截面和定径带过渡区域圆角半径为10mm。
[0014]本发明还提供了一种钛合金无缝管，所述钛合金无缝管为TB17钛合金无缝管,TB17钛合金无缝管的外径范围为114～380mm，壁厚范围为10～45mm，内径大于60mm。
[0015]由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：
本发明采用一次扩孔与二次扩孔的工艺路线生产钛合金无缝管，解决了现有的采用一次大的扩孔比会导致扩裂或者采取钻大直径的内孔导致材料浪费的问题，实现了总扩孔比大于1.30的产品生产;
本发明步骤S10中在管坯上先包裹钢套，再包裹铜套，能够有效的避免铜包套对钛合金坯料造成铜污染，提高了产品的表面质量;
本发明采用双锥模挤压，能够提高金属流动平稳性，降低挤压力，减少挤压缺陷，变形平稳且均匀，能够避免管材出现裂纹，提高了管材的表面质量;同时，双锥模能够减小钛合金与模具之间的摩擦，保护铜包套。
[0016]综上所述，本发明不仅能够防止管材在一次大的扩孔比下被扩裂或材料被浪费，还能避免铜包套对钛合金坯料造成铜污染，还能提高管材的成型质量且不损坏铜包套;适用于金属材料加工行业。
附图说明
[0017]下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
[0018]图1为2500吨立式扩孔机的结构示意图;
图2为6300吨卧式挤压机的结构示意图;
图3为本发明实施例中坯料的结构示意图;
图4为双锥模的结构示意图;
图5为图4中A-A向的剖视图;
图6为模座的纵截面示意图;
图7为模座的立体结构示意图;
图8为本发明实施例的生产工艺流程示意图。
[0019]图中：1-模尾座，2-模中座，3-模座，4-双锥模，5-模支撑，6-挤压筒，7-芯棒，8-尾垫，9-挤压垫，10-挤压杆，11-芯棒传力杆，12-坯料，13-荒管;
14-顶出机构，15-扩孔筒基座，16-剪切环支承，17-剪切环，18-扩孔筒，181-扩孔筒内衬，182-扩孔筒外壳，183-高强螺栓，19-扩孔头，20-扩孔针，21-传力杆，22-约束环。
具体实施方式
[0020]以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的一种钛合金无缝管挤压成形方法及其产品为优选实施例，仅用于说明和解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0021]图1为现有的2500吨立式扩孔机，包括顶出机构14、扩孔筒基座15、剪切环支承16、剪切环17、扩孔筒18、扩孔头19、扩孔针20、传力杆21和约束环22。扩孔筒包括扩孔筒内衬181和扩孔筒外壳182，扩孔筒基座15和扩孔筒18通过四个高强螺栓183固定连接，扩孔针20通过螺纹连接件和传力杆21连接在一起，扩孔筒基座15对剪切环支承16起到支撑作用，剪切环支承16对剪切环17和坯料12起到支撑作用，剪切环17的作用是支撑坯料和切除坯料扩余，传力杆21通过扩孔针20对扩孔头19施加扩孔力，实现扩孔。上述内容为现有技术，本实施例不再详细描述。
[0022]本实施例中关于2500吨立式扩孔机的改进点在于，扩孔针20直径比扩孔头19工作段直径小10mm，剪切环17内径比扩孔头19工作段直径大0.5～1mm，扩孔针20对扩孔筒18中心线偏离≤0.5mm，扩孔筒内衬181在内圆长度方向有1.1mm～1.5mm的锥度，扩孔筒18的高度为1650mm～1760mm，扩孔筒内衬181的厚度小于扩孔筒外壳182的厚度。
[0023]图2为现有的6300吨卧式挤压机，卧式挤压机包括模尾座1、模中座2、模座3、双锥模4、模支撑5、挤压筒6、芯棒7、尾垫8、挤压垫9、挤压杆10和芯棒传力杆11。双锥模4和模支撑5安装于模座3的内部，模中座2和模尾座1设置于模支撑5的左侧，模支撑5、模中座2和模尾座1共同支撑和固定双锥模4。挤压筒6位于模座3右侧，挤压筒6的内部是坯料12，坯料12的内部是芯棒7，坯料12的右侧依次设置有尾垫8、挤压垫9，挤压垫9的右侧是挤压杆10，挤压杆10在油压系统的作用下提供挤压力，挤压垫9的作用是避免挤压杆10与坯料12直接接触，且能传递挤压力。挤压杆10的内部设置芯棒传力杆11，芯棒传力杆11通过螺纹与芯棒7连接，坯料12受芯棒7和双锥模4组成腔体的挤压形成荒管13。该部分内容为现有技术，本实施例不再详述。
[0024]本实施例中关于6300吨卧式挤压机的改进点在于，如图4、5所示，双锥模4外部圆锥面夹角γ'为24°，双锥模4内部入口有两个模角，模角β为110°，模角β'为45°;定径带长度为12.5mm～15mm，模角β截面和模角β'截面过渡区域圆角半径为10mm，模角β'截面和定径带过渡区域圆角半径为10mm。相应的，如图6、7所示，模座3内部用于安装双锥模4的位置处的锥面角γ为24°，与双锥模4外部圆锥面夹角γ'相等，便于匹配安装。
[0025]实施例1 钛合金无缝管挤压成形方法
本实施例中以挤压的钛合金管材的材质是TB17为例进行说明。
[0026]如图8所示，本实施例的钛合金无缝管挤压成形方法包括以下步骤：
S1.合金冶炼;采用电极压制结合三次真空自耗熔炼技术熔炼出铸锭，减轻宏观偏析和枝晶内部与枝晶主干间的微观偏析，净化金属;铸锭规格为直径φ920mm×长度1000mm。
[0027]S2.铸锭锻造;将铸锭加热到850℃～1000℃，本实施例中加热到890℃，锻造比3～10，锻造成规格是直径φ430mm圆柱体坯料。
[0028]S3.坯料首次加工;将坯料锯切下料，锯切长度600～900mm，本实施例中锯切长度500mm;端面锯切斜度，端面切斜度≤3mm，端面垂直度≤1mm;加工内孔，坯料钻内孔偏差±0.5mm，内外圆的同心度≤1mm，外径偏差±1mm，内外表面及划道表面无车刀纹;坯料12头部内孔处加工角度α为46.5°的喇叭口，参见图3，表面粗糙度Ra≤3.2μm。加工后的坯料规格是直径φ421mm×内径φ45mm×长度500mm。
[0029]S4.坯料首次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h，此处电炉炉温890℃，保温6h。
[0030]S5.一次扩孔;将步骤S4中加热到温的坯料放入2500吨立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔。具体的，该步骤包括以下内容：
a. 扩前的坯料外径比扩孔筒18内径小5mm～12mm，扩孔筒18内壁预热到温度大于350℃;此处扩孔筒18内径是428mm，扩孔筒18内壁预热到360℃。
[0031]b.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
c.坯料放入扩孔筒18内，将扩孔头19放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为60mm/s～160mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。本步骤中一次扩孔头19直径为168mm，扩孔比为坯料扩孔前横截面的面积和扩孔后横截面的面积比值，一次扩孔比的具体计算为：
扩孔前横截面面积：π×(421/2)2-π×(45/2)2=137544.56mm2;
扩孔后横截面积：π×(428/2)2-π×(168/2)2=121643.6mm2。
[0032]一次扩孔比为1.13。
[0033]S6.坯料二次加工;将步骤S5中扩孔后的坯料头尾互换，车外圆，外径偏差±1mm，本实施例中外径尺寸为421±1mm;两端平头，端面垂直度≤1mm;头部内孔处加工角度为46°～46.5°的喇叭口;清理内外表面的裂纹、折叠、结疤、深坑等缺陷;修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后所有表面粗糙度Ra≤3.2μm。加工后规格为直径φ421mm×内径φ168mm×长度560mm。
[0034]S7.坯料二次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;此处电炉炉温890℃时，保温5h。
[0035]S8.二次扩孔;将步骤S7中加热到温的坯料放入2500吨立式扩孔机的扩孔筒18内进行扩孔。具体的，该步骤包括以下内容：
d. 扩前的坯料外径比扩孔筒18内径小5mm～12mm，扩孔筒18内壁预热到温度大于350℃;此处扩孔筒18内径是428mm;扩孔筒18内壁预热到温度360℃。
[0036]e.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒18内壁涂抹石墨润滑剂。
[0037]f.坯料放入扩孔筒18内，将扩孔头19放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为100mm/s～200mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。本步骤中二次扩孔头19直径为238mm，二次扩孔比的具体计算为：
扩孔前横截面面积：π×(421/2)2-π×(168/2)2=116978.345mm2;
扩孔后横截面积：π×(428/2)2-π×(238/2)2=99333.9mm2。
[0038]二次扩孔比为1.18。
[0039]本实施例中一次扩孔比为1.13，二次扩孔比为1.18，每一次的扩孔比均小于1.3，避免扩裂;且二者乘积为1.33，实现了总扩孔比大于1.30的产品生产。
[0040]S9.坯料三次加工;对步骤S8中二次扩孔后的坯料车外圆，外径偏差±1mm;两端平头，端面垂直度≤1mm;清理内外表面的裂纹、折叠、结疤、深坑等缺陷;修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;加工后规格为外径φ420mm×内径φ235mm×长度650mm。
[0041]S10.坯料包套;对步骤S9得到的坯料，紧贴其内外表面先包裹低碳钢钢套，低碳钢钢套的厚度为0.5～1mm;再包裹紫铜套，紫铜套的厚度为1～1.8mm。包裹低碳钢钢套的作用是避免紫铜套与钛合金接触形成脆性物质;包裹紫铜套的作用是在热挤压时作为润滑材料。包套后规格是φ425mm(外径)×φ230mm(内径)。
[0042]S11.坯料三次加热;采用电炉加热，常温入炉，随炉升温，炉温850～950℃时，保温3.0h～5.0h;此处炉温885℃时，保温时间4.5h。
[0043]S12.荒管挤压;对步骤S11中加热后的坯料采用带双锥模4的6300吨卧式挤压机挤出荒管13。具体的，包括以下步骤：
g. 挤压筒6内壁温度加热到355℃～600℃，双锥模4和芯棒7加热到280℃～480℃;由于挤压温度过高容易产生晶粒粗大或组织异化，挤压温度过低易出现因挤压力过大而闷车的现象，本步骤中的温度能够避免该问题。
[0044]h. 挤压筒6、芯棒7和双锥模4表面均匀涂抹石墨润滑剂;
i. 坯料出炉后90秒的时间内转运到挤压筒6内，挤压筒6内径比坯料外径大5mm～10mm;此处挤压筒6内径尺寸是435mm;
j. 将提前准备的尾垫8加热至850℃～950℃，然后贴在坯料的尾部，尾垫8随坯料一起挤压，能够提高成材率;本实施例中尾垫8外径与坯料外径相等，尾垫8内径比坯料内径大4mm～6mm，尾垫8长度为95mm，此处尾垫8规格为外径φ425mm×内径φ235mm×长度95mm，尾垫8材质是20钢;
k. 挤压机的动力系统使挤压杆10推动坯料向挤出方向移动，挤压杆10前进速度40mm/s～90mm/s，双锥模4定径带处的内径是305.5mm，芯棒7的直径是218.2mm，压余设置为30mm，挤出的荒管13在冷床上自然空冷。此处荒管13的挤压比值是2.5～10.5。
[0045]挤压比具体计算为：
挤压前横截面面积：π×(435/2)2-π×(230/2)2=107015.125mm2;
挤压后横截面积：π×(305.5/2)2-π×(230/2)2=31737.74625mm2。
[0046]挤压比为约为3.37。
[0047]S13.矫直;在温度100℃～400℃时进行带温矫直。
[0048]S14.酸洗;去除铜皮和钢皮。
[0049]S15.修磨;去除表面缺陷和残余的铜皮、钢皮，形成成品管;
S16.精整处理;对成品管切头、理化检测、尺寸检测、无损检测、包装。
[0050]实施例2 钛合金无缝管
本实施例为由实施例1中钛合金无缝管挤压成形方法制成的钛合金无缝管外径范围为114～380mm，壁厚范围为10～45mm，内径大于60mm。
[0051]本实施例为TB17钛合金无缝管, TB17钛合金无缝管的规格为外径φ300mm×内径φ218mm的钛合金管材。
[0052]需要说明的是，由实施例1中的方法同样可以制得TA10、TA18、TA22、TC4、TA15、TC11、TC18、TB17或TC27等钛合金无缝管。
[0053]需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。
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技术领域
[0001]本发明属于金属材料加工领域，具体地说是一种钛合金无缝管挤压成形方法及其产品。
背景技术
[0002]钛合金具有优良的耐蚀性和耐热性，还具有密度小、比强度高、无磁性以及良好的强韧性和焊接性等优点，在航空航天、兵器、石油化工、造船、汽车及医药等领域得到广泛应用。
[0003]传统的钛合金管材开坯普遍采取棒材掏孔、板材卷焊、热穿孔、锻造和热挤压等生产工艺，但是，棒材掏孔工艺的材料利用率较低，板材卷焊存在焊缝使得整体性能不一致，穿孔工艺加热温度高，导致组织稳定性差，进而易产生裂纹，锻造工艺节奏慢，精度差。为此，提出了一种热挤压工艺，该工艺使坯料处于三向压缩应力状态从而更有利于提高材料的塑性变形能力，且变形量大，适合于钛合金的热加工。
[0004]目前钛合金管开坯的热挤压工艺流程为：坯料制备+一次扩孔+铜皮润滑+挤压荒管，但是该工艺存在以下问题：
一、当挤压大口径管材时，扩孔变形量比较大，当一次变形扩孔比大于1.30时经常出现被扩裂的问题，若为降低扩孔变形量而采取钻大直径的内孔又会导致材料的浪费;
二、钛合金挤压时的加热温度超过850℃，此时钛-铜界面会形成脆性Ti-Cu共晶组织，导致铜包套对钛合金管造成铜污染;
三、目前挤压机中通常采用平模，平模挤压时金属变形剧烈，挤压力偏高，且采用平模极易损坏铜套，导致管材出现裂纹。
发明内容
[0005]本发明旨在一种提供钛合金无缝管挤压成形方法及其产品，以解决现有的热挤压工艺中存在的一次变形扩孔比较大时管材被扩裂、对钛合金管造成铜污染、铜套损坏以及管材出现裂纹等问题。
[0006]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种钛合金无缝管挤压成形方法，该方法包括以下步骤：
S1.合金冶炼;采用电极压制结合三次真空自耗熔炼技术熔炼出铸锭;
S2.铸锭锻造;将铸锭加热到850℃～1000℃，锻造比3～10，锻造成圆柱体坯料;
S3.坯料首次加工;将坯料锯切下料，加工内孔，头部内孔处加工角度为46.5°的喇叭口，表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S4.坯料首次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;
S5.一次扩孔;将步骤S4中加热到温的坯料放入立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔;
S6.坯料二次加工;将步骤S5中扩孔后的坯料头尾互换，车外圆、两端平头，头部内孔处加工角度为46°～46.5°的喇叭口，清理内外表面缺陷;修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S7.坯料二次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;
S8.二次扩孔;将步骤S7中加热到温的坯料放入立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔;
S9.坯料三次加工;对步骤S8中二次扩孔后的坯料车外圆、两端平头，清理内外表面缺陷，修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;
S10.坯料包套;对步骤S9得到的坯料先包裹低碳钢钢套，低碳钢钢套的厚度为0.5～1mm;再包裹紫铜套，紫铜套的厚度为1～1.8mm;
S11.坯料三次加热;采用电炉加热，常温入炉，随炉升温，炉温850～950℃时，保温3.0h～5.0h;
S12.荒管挤压;对步骤S11中加热后的坯料采用带双锥模的卧式挤压机挤出荒管;
S13.矫直;在温度100℃～400℃时进行带温矫直;
S14.酸洗;
S15.修磨;去除表面缺陷和残余的铜皮、钢皮，形成成品管;
S16.精整处理;对成品管切头、理化检测、尺寸检测、无损检测、包装。
[0007]作为对本发明的限定，坯料首次加工中，锯切长度600～900mm，端面切斜度≤3mm，坯料钻内孔偏差±0.5mm，内外圆的同心度≤1mm，内外表面及划道表面无车刀纹，外径偏差±1mm，端面垂直度≤1mm;
坯料二次加工、坯料三次加工中，外径偏差±1mm，端面垂直度≤1mm。
[0008]作为对本发明的进一步限定，步骤S5中的扩孔包括以下步骤：
a. 扩前的坯料外径比扩孔筒内径小5mm～12mm，扩孔筒内壁预热到温度大于350℃;
b.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
c.坯料放入扩孔筒内，将扩孔头放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为60mm/s～160mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。
[0009]作为对本发明的进一步限定，步骤S8中的扩孔包括以下步骤：
d. 扩前的坯料外径比扩孔筒内径小5mm～12mm，扩孔筒内壁预热到温度大于350℃;
e.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
f.坯料放入扩孔筒内，将扩孔头放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为100mm/s～200mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。
[0010]作为对本发明的另一种限定，步骤S12中挤压成形具体包括以下步骤：
g. 挤压筒内壁温度加热到355℃～600℃，双锥模和芯棒加热到280℃～480℃;
h. 挤压筒、芯棒和双锥模表面均匀涂抹石墨润滑剂;
i. 坯料出炉后90秒的时间内转运到挤压筒内，挤压筒内径比坯料外径大5mm～10mm;
j. 将尾垫加热至850℃～950℃，然后贴在坯料的尾部，尾垫随坯料一起挤压;
k. 挤压杆前进速度40mm/s～90mm/s，荒管的挤压比值是2.5～10.5，压余设置为30mm，挤出的荒管在冷床上自然空冷。
[0011]作为对本发明的进一步限定，尾垫外径与坯料外径相等，尾垫内径比坯料内径大4mm～6mm，尾垫长度为95mm。
[0012]作为对本发明的进一步限定，立式扩孔机采用2500吨立式扩孔机，其中，扩孔针直径比扩孔头工作段直径小10mm，剪切环内径比扩孔头工作段直径大0.5～1mm，扩孔针对扩孔桶中心线偏离≤0.5mm，扩孔筒内衬在内圆长度方向有1.1mm～1.5mm的锥度，扩孔筒的高度为1650mm～1760mm，扩孔筒内衬的厚度小于扩孔筒外壳的厚度。
[0013]作为对本发明的进一步限定，卧式挤压机采用6300吨卧式挤压机，其中，双锥模外部圆锥面夹角γ'为24°，双锥模内部入口有两个模角，模角β为110°，模角β'为45°;定径带长度为12.5mm～15mm，模角β截面和模角β'截面过渡区域圆角半径为10mm，模角β'截面和定径带过渡区域圆角半径为10mm。
[0014]本发明还提供了一种钛合金无缝管，所述钛合金无缝管为TB17钛合金无缝管,TB17钛合金无缝管的外径范围为114～380mm，壁厚范围为10～45mm，内径大于60mm。
[0015]由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：
本发明采用一次扩孔与二次扩孔的工艺路线生产钛合金无缝管，解决了现有的采用一次大的扩孔比会导致扩裂或者采取钻大直径的内孔导致材料浪费的问题，实现了总扩孔比大于1.30的产品生产;
本发明步骤S10中在管坯上先包裹钢套，再包裹铜套，能够有效的避免铜包套对钛合金坯料造成铜污染，提高了产品的表面质量;
本发明采用双锥模挤压，能够提高金属流动平稳性，降低挤压力，减少挤压缺陷，变形平稳且均匀，能够避免管材出现裂纹，提高了管材的表面质量;同时，双锥模能够减小钛合金与模具之间的摩擦，保护铜包套。
[0016]综上所述，本发明不仅能够防止管材在一次大的扩孔比下被扩裂或材料被浪费，还能避免铜包套对钛合金坯料造成铜污染，还能提高管材的成型质量且不损坏铜包套;适用于金属材料加工行业。
附图说明
[0017]下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
[0018]图1为2500吨立式扩孔机的结构示意图;
图2为6300吨卧式挤压机的结构示意图;
图3为本发明实施例中坯料的结构示意图;
图4为双锥模的结构示意图;
图5为图4中A-A向的剖视图;
图6为模座的纵截面示意图;
图7为模座的立体结构示意图;
图8为本发明实施例的生产工艺流程示意图。
[0019]图中：1-模尾座，2-模中座，3-模座，4-双锥模，5-模支撑，6-挤压筒，7-芯棒，8-尾垫，9-挤压垫，10-挤压杆，11-芯棒传力杆，12-坯料，13-荒管;
14-顶出机构，15-扩孔筒基座，16-剪切环支承，17-剪切环，18-扩孔筒，181-扩孔筒内衬，182-扩孔筒外壳，183-高强螺栓，19-扩孔头，20-扩孔针，21-传力杆，22-约束环。
具体实施方式
[0020]以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的一种钛合金无缝管挤压成形方法及其产品为优选实施例，仅用于说明和解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0021]图1为现有的2500吨立式扩孔机，包括顶出机构14、扩孔筒基座15、剪切环支承16、剪切环17、扩孔筒18、扩孔头19、扩孔针20、传力杆21和约束环22。扩孔筒包括扩孔筒内衬181和扩孔筒外壳182，扩孔筒基座15和扩孔筒18通过四个高强螺栓183固定连接，扩孔针20通过螺纹连接件和传力杆21连接在一起，扩孔筒基座15对剪切环支承16起到支撑作用，剪切环支承16对剪切环17和坯料12起到支撑作用，剪切环17的作用是支撑坯料和切除坯料扩余，传力杆21通过扩孔针20对扩孔头19施加扩孔力，实现扩孔。上述内容为现有技术，本实施例不再详细描述。
[0022]本实施例中关于2500吨立式扩孔机的改进点在于，扩孔针20直径比扩孔头19工作段直径小10mm，剪切环17内径比扩孔头19工作段直径大0.5～1mm，扩孔针20对扩孔筒18中心线偏离≤0.5mm，扩孔筒内衬181在内圆长度方向有1.1mm～1.5mm的锥度，扩孔筒18的高度为1650mm～1760mm，扩孔筒内衬181的厚度小于扩孔筒外壳182的厚度。
[0023]图2为现有的6300吨卧式挤压机，卧式挤压机包括模尾座1、模中座2、模座3、双锥模4、模支撑5、挤压筒6、芯棒7、尾垫8、挤压垫9、挤压杆10和芯棒传力杆11。双锥模4和模支撑5安装于模座3的内部，模中座2和模尾座1设置于模支撑5的左侧，模支撑5、模中座2和模尾座1共同支撑和固定双锥模4。挤压筒6位于模座3右侧，挤压筒6的内部是坯料12，坯料12的内部是芯棒7，坯料12的右侧依次设置有尾垫8、挤压垫9，挤压垫9的右侧是挤压杆10，挤压杆10在油压系统的作用下提供挤压力，挤压垫9的作用是避免挤压杆10与坯料12直接接触，且能传递挤压力。挤压杆10的内部设置芯棒传力杆11，芯棒传力杆11通过螺纹与芯棒7连接，坯料12受芯棒7和双锥模4组成腔体的挤压形成荒管13。该部分内容为现有技术，本实施例不再详述。
[0024]本实施例中关于6300吨卧式挤压机的改进点在于，如图4、5所示，双锥模4外部圆锥面夹角γ'为24°，双锥模4内部入口有两个模角，模角β为110°，模角β'为45°;定径带长度为12.5mm～15mm，模角β截面和模角β'截面过渡区域圆角半径为10mm，模角β'截面和定径带过渡区域圆角半径为10mm。相应的，如图6、7所示，模座3内部用于安装双锥模4的位置处的锥面角γ为24°，与双锥模4外部圆锥面夹角γ'相等，便于匹配安装。
[0025]实施例1 钛合金无缝管挤压成形方法
本实施例中以挤压的钛合金管材的材质是TB17为例进行说明。
[0026]如图8所示，本实施例的钛合金无缝管挤压成形方法包括以下步骤：
S1.合金冶炼;采用电极压制结合三次真空自耗熔炼技术熔炼出铸锭，减轻宏观偏析和枝晶内部与枝晶主干间的微观偏析，净化金属;铸锭规格为直径φ920mm×长度1000mm。
[0027]S2.铸锭锻造;将铸锭加热到850℃～1000℃，本实施例中加热到890℃，锻造比3～10，锻造成规格是直径φ430mm圆柱体坯料。
[0028]S3.坯料首次加工;将坯料锯切下料，锯切长度600～900mm，本实施例中锯切长度500mm;端面锯切斜度，端面切斜度≤3mm，端面垂直度≤1mm;加工内孔，坯料钻内孔偏差±0.5mm，内外圆的同心度≤1mm，外径偏差±1mm，内外表面及划道表面无车刀纹;坯料12头部内孔处加工角度α为46.5°的喇叭口，参见图3，表面粗糙度Ra≤3.2μm。加工后的坯料规格是直径φ421mm×内径φ45mm×长度500mm。
[0029]S4.坯料首次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h，此处电炉炉温890℃，保温6h。
[0030]S5.一次扩孔;将步骤S4中加热到温的坯料放入2500吨立式扩孔机的扩孔筒内进行扩孔。具体的，该步骤包括以下内容：
a. 扩前的坯料外径比扩孔筒18内径小5mm～12mm，扩孔筒18内壁预热到温度大于350℃;此处扩孔筒18内径是428mm，扩孔筒18内壁预热到360℃。
[0031]b.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒内壁涂抹石墨润滑剂;
c.坯料放入扩孔筒18内，将扩孔头19放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为60mm/s～160mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。本步骤中一次扩孔头19直径为168mm，扩孔比为坯料扩孔前横截面的面积和扩孔后横截面的面积比值，一次扩孔比的具体计算为：
扩孔前横截面面积：π×(421/2)2-π×(45/2)2=137544.56mm2;
扩孔后横截面积：π×(428/2)2-π×(168/2)2=121643.6mm2。
[0032]一次扩孔比为1.13。
[0033]S6.坯料二次加工;将步骤S5中扩孔后的坯料头尾互换，车外圆，外径偏差±1mm，本实施例中外径尺寸为421±1mm;两端平头，端面垂直度≤1mm;头部内孔处加工角度为46°～46.5°的喇叭口;清理内外表面的裂纹、折叠、结疤、深坑等缺陷;修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后所有表面粗糙度Ra≤3.2μm。加工后规格为直径φ421mm×内径φ168mm×长度560mm。
[0034]S7.坯料二次加热;将坯料在150℃预热40min，在坯料表面涂覆防氧化涂料，随炉升温，电炉炉温850～950℃时，保温3.5h～6.5h;此处电炉炉温890℃时，保温5h。
[0035]S8.二次扩孔;将步骤S7中加热到温的坯料放入2500吨立式扩孔机的扩孔筒18内进行扩孔。具体的，该步骤包括以下内容：
d. 扩前的坯料外径比扩孔筒18内径小5mm～12mm，扩孔筒18内壁预热到温度大于350℃;此处扩孔筒18内径是428mm;扩孔筒18内壁预热到温度360℃。
[0036]e.高温坯料内外表面均匀涂抹玻璃粉润滑剂，扩孔筒18内壁涂抹石墨润滑剂。
[0037]f.坯料放入扩孔筒18内，将扩孔头19放置于坯料头部的喇叭口内，扩孔速度为100mm/s～200mm/s，扩孔比1.10～1.27，扩孔后空冷到室温。本步骤中二次扩孔头19直径为238mm，二次扩孔比的具体计算为：
扩孔前横截面面积：π×(421/2)2-π×(168/2)2=116978.345mm2;
扩孔后横截面积：π×(428/2)2-π×(238/2)2=99333.9mm2。
[0038]二次扩孔比为1.18。
[0039]本实施例中一次扩孔比为1.13，二次扩孔比为1.18，每一次的扩孔比均小于1.3，避免扩裂;且二者乘积为1.33，实现了总扩孔比大于1.30的产品生产。
[0040]S9.坯料三次加工;对步骤S8中二次扩孔后的坯料车外圆，外径偏差±1mm;两端平头，端面垂直度≤1mm;清理内外表面的裂纹、折叠、结疤、深坑等缺陷;修磨深宽长比大于1:5:10，且边角圆滑过渡，清理后表面粗糙度Ra≤3.2μm;加工后规格为外径φ420mm×内径φ235mm×长度650mm。
[0041]S10.坯料包套;对步骤S9得到的坯料，紧贴其内外表面先包裹低碳钢钢套，低碳钢钢套的厚度为0.5～1mm;再包裹紫铜套，紫铜套的厚度为1～1.8mm。包裹低碳钢钢套的作用是避免紫铜套与钛合金接触形成脆性物质;包裹紫铜套的作用是在热挤压时作为润滑材料。包套后规格是φ425mm(外径)×φ230mm(内径)。
[0042]S11.坯料三次加热;采用电炉加热，常温入炉，随炉升温，炉温850～950℃时，保温3.0h～5.0h;此处炉温885℃时，保温时间4.5h。
[0043]S12.荒管挤压;对步骤S11中加热后的坯料采用带双锥模4的6300吨卧式挤压机挤出荒管13。具体的，包括以下步骤：
g. 挤压筒6内壁温度加热到355℃～600℃，双锥模4和芯棒7加热到280℃～480℃;由于挤压温度过高容易产生晶粒粗大或组织异化，挤压温度过低易出现因挤压力过大而闷车的现象，本步骤中的温度能够避免该问题。
[0044]h. 挤压筒6、芯棒7和双锥模4表面均匀涂抹石墨润滑剂;
i. 坯料出炉后90秒的时间内转运到挤压筒6内，挤压筒6内径比坯料外径大5mm～10mm;此处挤压筒6内径尺寸是435mm;
j. 将提前准备的尾垫8加热至850℃～950℃，然后贴在坯料的尾部，尾垫8随坯料一起挤压，能够提高成材率;本实施例中尾垫8外径与坯料外径相等，尾垫8内径比坯料内径大4mm～6mm，尾垫8长度为95mm，此处尾垫8规格为外径φ425mm×内径φ235mm×长度95mm，尾垫8材质是20钢;
k. 挤压机的动力系统使挤压杆10推动坯料向挤出方向移动，挤压杆10前进速度40mm/s～90mm/s，双锥模4定径带处的内径是305.5mm，芯棒7的直径是218.2mm，压余设置为30mm，挤出的荒管13在冷床上自然空冷。此处荒管13的挤压比值是2.5～10.5。
[0045]挤压比具体计算为：
挤压前横截面面积：π×(435/2)2-π×(230/2)2=107015.125mm2;
挤压后横截面积：π×(305.5/2)2-π×(230/2)2=31737.74625mm2。
[0046]挤压比为约为3.37。
[0047]S13.矫直;在温度100℃～400℃时进行带温矫直。
[0048]S14.酸洗;去除铜皮和钢皮。
[0049]S15.修磨;去除表面缺陷和残余的铜皮、钢皮，形成成品管;
S16.精整处理;对成品管切头、理化检测、尺寸检测、无损检测、包装。
[0050]实施例2 钛合金无缝管
本实施例为由实施例1中钛合金无缝管挤压成形方法制成的钛合金无缝管外径范围为114～380mm，壁厚范围为10～45mm，内径大于60mm。
[0051]本实施例为TB17钛合金无缝管, TB17钛合金无缝管的规格为外径φ300mm×内径φ218mm的钛合金管材。
[0052]需要说明的是，由实施例1中的方法同样可以制得TA10、TA18、TA22、TC4、TA15、TC11、TC18、TB17或TC27等钛合金无缝管。
[0053]需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。
说明书附图(8)
声明：
“钛合金无缝管挤压成形方法及其产品” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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2025年03月28日 ~ 30日 
