权利要求
1.一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、开坯轧制：采用皮尔格两辊冷轧管机对钛合金管坯进行单道次或多道次冷轧，各道次冷轧后对管材进行除油、酸洗处理，得到开坯轧制钛合金管材;
S2、开坯退火：对步骤S1中各道次开坯轧制的钛合金管材进行真空退火，得到开坯退火钛合金管材;
S3、中间轧制：对步骤S2中得到的开坯退火钛合金管材，采用三辊冷轧管机进行冷轧，冷轧后对管材进行除油，得到中间轧制钛合金管材;
S4、中间退火：对步骤S3中得到的中间轧制钛合金管材进行真空退火，得到中间退火钛合金管材;
S5、成品轧制：对步骤S4中得到的中间退火钛合金管材，采用皮尔格两辊冷轧管机进行冷轧，冷轧后对管材进行除油，得到成品轧制钛合金管材;
S6、成品退火：对步骤S5中得到的成品轧制钛合金管材进行真空退火，得到成品退火钛合金管材;
S7、成品矫直：对步骤S6中得到的成品退火钛合金管材进行机械矫直，得到成品矫直钛合金管材;
S8、成品酸洗：对步骤S7中得到的成品矫直钛合金管材进行表面酸洗，得到钛合金管材。
2.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述开坯轧制采用大变形+梯度Q值控制思路进行冷轧，所述开坯轧制车速为50-150次/min，送进量为0.5-3.0mm/次，冷轧过程控制变形量为50%-70%，各道次冷轧Q值>1.0，且各道次冷轧Q值依次增大;所述除油温度为60±10℃，除油时间为10min-60min;所述酸洗壁厚去除量为0.02-0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述开坯退火开始前，先取试样开展退火试验，退火后对试样进行金相组织分析，且退火试验样品金相组织分析时，筛选出样品金相组织完全再结晶，且晶粒细小弥散、尚未长大的退火工艺，并采用筛选的退火工艺进行真空退火。
4.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述中间退火为去应力退火，退火温度≤600℃，保温时间1h-3h。
5.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述成品轧制车速为100-300次/min，送进量为0.5-2.0mm/次;所述成品轧制设计大变形进行冷轧;冷轧变形量为60%-80%，冷轧Q值>1.5;所述除油温度为60±10℃，除油时间10min-60min。
6.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S6中，所述成品退火为去应力退火，退火温度为380℃-550℃，保温时间1h-3h。
7.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S7中，所述成品矫直后管材直线度小于等于0.5mm/1000mm。
8.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S8中，所述酸洗包含对成品矫直钛合金管材的内、外表面处理，其壁厚去除量为0.038-0.05mm，且管材酸洗后的内外表面均无肉眼可见的凹坑、划伤、裂纹等缺陷，并符合航空钛合金的超声检测要求。
9.根据权利要求1所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述中间轧制车速为50-100次/min，送进量为1.0-4.0mm/次;所述三辊冷轧采用小变形+大Q值设计思路进行冷轧，该道次冷轧变形量为30%-60%，冷轧Q值>2.1;所述除油温度为60±10℃，除油时间10min-60min，得到中间轧制钛合金管材。
10.根据权利要求1或3或4或6或8或9所述的一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，其特征在于，步骤S2、S4、S6中，所述真空退火炉的炉温均匀性均满足±8℃要求;步骤S1、S8中所述酸液的成分、体积分数均为HF:0.5%-5%，HNO3:1%-5%，H2O:80%-95%。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及材料成形技术领域，尤其涉及一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法。
背景技术
[0002]航空高性能钛合金管材关键技术指标为高强度和高收缩应变比(CSR)，高强度为满足管材使用过程中抵抗变形，提高材料服役稳定性和长寿命要求。高CSR为满足材料特定的高内压环境，从而增强管材内壁侧抵抗壁厚减薄的能力。由于α/近α型钛合金主要为HCP晶体结构，材料具有显著的各向异性，而材料各向异性与CSR之间存在显著关联，因而管材加工工艺对CSR具有重要影响。现有研究表明，冷轧Q值(减壁率/减径率)越大，管材径向织构越强，CSR值越大。
[0003]目前关于钛合金管材文献报道主要集中在
粉末冶金、管坯制备和管材性能测试评价等方面。在应用方面，20世纪70年代，美国洛克希德公司率先在C-5A"银河"大型军用运输机的管路系统中使用了TA18管材，随后在F-14A、F-15等军用飞机以及波音、通用、空客等公司的民用客机的液压、燃油管路系统中均有使用。除航空应用外，TA16、TA18等近α型钛合金管材还广泛应用于航天飞机、卫星等领域。已经成为许多新型军事工程管件(包括直升机)普遍采用的材料，不仅应用于军用飞机系统，同时也成为民用飞机管路系统中必不可少的材料之一。
[0004]近年来，国内开展了航空高性能钛合金管材的研制及中试。其核心加工技术为冷轧、退火工艺设计，以此调控管材组织及性能满足要求。典型的冷轧技术有两辊冷轧和三辊冷轧。两辊冷轧主要优点为可以实现管材大塑性变形，通过形变强化以实现管材高强度性能指标要求，然而由于道次大变形量及工模具设计原因，两辊冷轧制备管材的CSR较低。三辊冷轧虽可调控管材CSR，实现高CSR指标要求，但由于冷轧变形量不足，管材难以实现高强度要求。综上，高性能钛合金管材仍处于研制阶段，航空飞机液压管路系统用管材现仍以不锈钢管材为主。为了满足航空工业对轻量化、高速化、长寿命航空飞机的需求，高性能钛合金的研发迫在眉睫。因此，急需解决。
发明内容
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，该方法显著提升了管材的收缩应变比，实现了管材高强、高收缩应变比的技术指标要求。
为达到所述目的，本发明的技术方案是这样实现的，一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、两辊开坯轧制：采用皮尔格两辊冷轧管机对钛合金管坯进行单道次或多道次冷轧，各道次冷轧后对管材进行除油、酸洗处理，得到开坯轧制钛合金管材。
[0006]对于α/近α型钛合金管材而言，冷变形过程中层深方向的应力应变不相一致、局部晶粒变形流动差异以及变形协调性不同，使不同区域表现出不同的塑性变形特征，从而导致部分晶粒择优取向形成变形织构。
[0007]当Q值小于1(以减径为主)时，管坯轧制过程中减径变形占主导，主要形成基轴取向为切向的正切织构。
[0008]当Q值大于1(以减壁为主)时，轧制过程中减壁变形占主导，主要形成基轴取向为径向的径向织构。大Q值冷轧时，晶粒c轴靠近管材法向，小Q值冷轧时，晶粒c轴靠近切向。为了保证变形过程中晶粒c轴不断靠近管材法向，避免道次变形过程中靠近管材法向晶粒重新偏离法向，开坯轧制采用大变形+梯度Q值控制思路进行冷轧。
[0009]冷轧过程控制变形量为50%-70%，各道次冷轧Q值>1.0，且冷轧Q值依次增大，保证了每道次轧制后，晶粒c轴进一步靠近管材法向，从而获得有利于高CSR的晶粒取向。轧制后对管材进行除油，除油温度为60±10℃，除油时间10min-60min;除油后对管材进行酸洗，酸洗壁厚去除量为0.02-0.2mm，得到开坯轧制钛合金管材。
[0010]S2、开坯退火：对S1中各道次开坯轧制的钛合金管材进行真空退火，得到开坯退火钛合金管材。
[0011]冷轧后需对管材进行真空退火，以使管材获得进一步加工的能力。而在结晶退火过程中，管材织构会存在转变。
[0012]随着退火温度升高，组织依次发生初始再结晶、部分再结晶、完全再结晶以及晶粒长大，组织完全再结晶之前，管材{0002｝面径向科恩系数无明显变化，晶粒长大阶段，管材{0002｝面径向科恩系数逐渐减小，从而导致管材CSR值降低。
[0013]为使退火管材尽可能保留变形织构特征，再结晶退火温度的选取相当重要，而不同的材料成分、变形工艺、晶粒取向等都对再结晶温度具有影响。所以在开坯退火开始前，先取试样开展退火试验，退火后对试样进行金相组织分析，通过判断金相组织再结晶程度和晶粒尺寸，选取适宜的退火工艺，然后采用筛选的退火工艺进行真空退火，得到开坯退火钛合金管材。
[0014]S3、三辊中间轧制：对步骤S2中得到的开坯退火钛合金管材，采用三辊冷轧管机进行冷轧，冷轧后对管材进行除油，得到中间轧制钛合金管材。
[0015]步骤S3中通过设计冷轧梯度Q值和退火工艺选取，尽可能地增大管材的CSR值。然而基于两辊冷轧大变形工艺设计，管材Q值依旧不足。基于三辊冷轧工艺设计特点，该道次设计思路与开坯轧制有所不同，通过设计小变形量、大Q值工艺，进一步提高管材{0002｝面径向科恩系数，增强基面织构强度，从而提高管材CSR值。
[0016]该道次冷轧变形量为30%-60%，冷轧Q值大于2.1;轧制后对管材进行除油，除油温度为60±10℃，除油时间10min-60min，得到中间轧制钛合金管材。
[0017]S4、中间退火：对步骤S3中得到的中间轧制钛合金管材进行真空退火，得到中间退火钛合金管材。
[0018]三辊冷轧后同样需对管材进行真空退火，以使管材获得进一步加工的能力。不同的是，该道次冷轧变形量较小，材料残余应力和位错密度较低，因而采用低温去应力退火后，不仅可以保留管材强度，提高塑性，同时可以保留冷轧管材变形织构特征，从而保证成品轧制前管材具备高径向初始织构。中间退火退火温度≤600℃，保温时间1h-3h，得到中间退火钛合金管材。
[0019]S5、两辊成品轧制：对步骤S4中得到的中间退火钛合金管材，采用皮尔格两辊冷轧管机进行冷轧，冷轧后对管材进行除油，得到成品轧制钛合金管材。
[0020]采用两辊皮尔格冷轧开展成品轧制，该道次设计大变形以满足管材高强度要求;同时为了避免对管材基面径向织构造成较大影响，冷轧过程中基于设备能力和工模具设计，尽可能增大冷轧Q值。
[0021]成品轧制控制冷轧变形量为60%-80%，冷轧Q值大于1.5。轧制后对管材进行除油，除油温度为60±10℃，除油时间10min-60min，得到成品轧制钛合金管材。
[0022]S6、成品退火：对步骤S5中得到的成品轧制钛合金管材进行真空退火，得到成品退火钛合金管材。
[0023]为了使管材的强度和CSR满足技术指标要求，成品退火一般选择去应力退火。退火温度为380℃-550℃，保温时间1h-3h，得到成品退火钛合金管材。
[0024]S7、成品矫直：对步骤S6中得到的成品退火钛合金管材进行机械矫直，得到成品矫直钛合金管材。
[0025]所述成品矫直后管材直线度小于等于0.5mm/1000mm，得到成品矫直钛合金管材。
[0026]S8、成品酸洗：对步骤S7中得到的成品矫直钛合金管材进行表面酸洗，得到钛合金管材。
[0027]所述成品酸洗需包含内、外表面处理，其壁厚去除量为0.038-0.05mm，得到钛合金管材。
[0028]优选的，步骤S1中所述开坯轧制车速为50-150次/min，送进量为0.5-3.0mm/次，以保证管材冷轧表面质量。
[0029]优选的，步骤S2中所述退火试验样品金相组织分析时，优选组织完全再结晶，且晶粒细小弥散、尚未长大的退火工艺。
[0030]优选的，步骤S3中所述中间轧制车速为50-100次/min，送进量为1.0-4.0mm/次。
[0031]优选的，步骤S5中所述成品轧制车速为100-300次/min，送进量为0.5-2.0mm/次。
[0032]优选的，步骤S2、S4、S6中所述真空退火炉的炉温均匀性均满足±8℃要求。
[0033]优选的，步骤S1、S8中所述酸液的成分、体积分数为HF:0.5%-5%，HNO3:1%-5%，H2O:80%-95%。对于开坯和中间管材去除量较大时，其HF的含量可以适当提高，以增大酸洗速率。对于成品管材去除量较小时，可以降低HF的含量，以保证酸洗去除量和管材表面质量。
[0034]优选的，步骤S8中所述成品酸洗后管材的内外表面均无肉眼可见的凹坑、划伤、裂纹等缺陷，并符合航空钛合金的超声检测要求。
[0035]本发明的有益效果体现在：
(1)本发明提供的方法采用两辊+三辊+两辊的三步冷轧法，充分利用两辊皮尔格轧机和三辊冷轧管机设备性能，每步设计合理的冷轧变形量、Q值以及退火工艺，从开坯到成品各道次系统调控了管材力学性能和织构分布。在保证高强度级别要求基础上，显著提升了管材的收缩应变比，实现了管材高强、高收缩应变比的技术指标要求。
[0036](2)本发明提供的方法采用梯度Q值冷轧工艺，开坯冷轧过程中设计Q值依次增大，使得各道次冷轧后管材的基面径向织构不断增强，织构集中度加剧。管材制备工艺设计过程中，充分考虑了组织的遗传性及道次累积效应，为管材高收缩应变比提供了重要保障。
[0037](3)本发明提供的方法基于钛合金管材工艺-组织-性能之间关联，系统、科学地提出了α/近α型钛合金管材的制备方法，该方法对于晶体结构相同的锆、镁合金，也具有一定的参考价值。
附图说明
[0038]图1为本发明的工艺流程框图。
具体实施方式
[0039]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]实施例1
如图1所示，本发明提供一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，在具体应用时，选择牌号：TA2，α型钛合金;
本实施例包括以下步骤：
S1、将Φ50×12mm管坯进行皮尔格两辊冷轧。
[0041]第一道次轧制到Φ31.8×7.0mm，轧制变形量62%，Q值1.15，轧制车速100次/min，送进量1.5mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理(除油处理)，脱脂温度70℃，脱脂时间30min。脱脂后进行内外表面酸洗，酸液配比为：HF:5%，HNO3:40%，H2O:55%，内表面酸洗去除量0.15mm，内、外表面酸洗去除量0.05mm。
[0042]第二道次轧制到Φ19×3.2mm，轧制变形量70%，Q值1.30，轧制车速100次/min，送进量1.5mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度70℃，脱脂时间30min，脱脂后进行内外表面酸洗，内表面酸洗去除量0.05mm，内、外表面酸洗去除量0.05mm。
[0043]S2、对步骤S1中第一道次轧制后管材进行退火，退火前取样开展退火试验，通过金相组织观察，选取575℃/3h工艺完成第一道次轧制管材退火。
[0044]对步骤S1中第二道次轧制后管材进行退火，退火前取样开展退火试验，通过金相组织观察，选取550℃/2h工艺完成第二道次轧制管材退火。
[0045]S3、对步骤S2中得到的开坯退火管材进行三辊冷轧。冷轧尺寸为Φ17×2.0mm，轧制变形量39%，Q值3.3，轧制车速60次/min，送进量2.0mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度60℃，脱脂时间45min。
[0046]S4、对步骤S3中得到的中间管材进行真空退火，退火温度500℃，保温时间2h，得到中间退火管材。
[0047]S5、对步骤S4中得到的中间退火管材进行皮尔格两辊冷轧，冷轧尺寸为Φ12×0.9mm，轧制变形量66.7%，Q值为1.87，轧制车速150次/mm，送进量1.0mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度65℃，脱脂时间60min，得到成品轧制管材。
[0048]S6、对步骤S5中得到的成品轧制管材进行真空退火，退火温度425℃，保温时间2h，得到成品退火管材。
[0049]S7、对步骤S6中得到的成品退火管材进行矫直，矫直后管材直线度优于0.5mm/m，得到成品矫直管材。
[0050]S8、对步骤S7中得到的成品矫直管材进行内、外表面酸洗，酸洗壁厚去除量为0.04mm，得到钛合金管材。
[0051]实施例2
如图1所示，本发明提供一种高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法，在具体应用时，选择牌号：TA18，近α型钛合金。
[0052]本实施例包括以下步骤：
S1、将Φ65×15mm管坯进行皮尔格两辊冷轧。
[0053]第一道次轧制到Φ44×9mm，轧制变形量58%，Q值1.24，轧制车速80次/min，送进量2.0mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度65℃，脱脂时间60min。脱脂后进行内外表面酸洗，酸液配比为：HF:5%，HNO3:40%，H2O:55%，内表面酸洗去除量0.2mm，内、外表面酸洗去除量0.03mm。
[0054]第二道次轧制到Φ31.75×5.5mm，轧制变形量54%，Q值1.39，轧制车速120次/min，送进量1.8mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度70℃，脱脂时间10min，脱脂后进行内外表面酸洗，内表面酸洗去除量0.08mm，内、外表面酸洗去除量0.05mm。
[0055]第三道次轧制到Φ22×3.0mm，轧制变形量60%，Q值1.48，轧制车速150次/min，送进量1.5mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度60℃，脱脂时间30min，脱脂后进行内外表面酸洗，内表面酸洗去除量0.06mm，内、外表面酸洗去除量0.03mm。
[0056]S2、对步骤S1中第一道次轧制后管材进行退火，退火前取样开展退火试验，通过金相组织观察，选取650℃/3h工艺完成第一道次轧制管材退火;对S1中第二道次轧制后管材进行退火，退火前取样开展退火试验，通过金相组织观察，选取625℃/3h工艺完成第二道次轧制管材退火。
[0057]对步骤S1中第三道次轧制后管材进行退火，退火前取样开展退火试验，通过金相组织观察，选取615℃/2h工艺完成第三道次轧制管材退火。
[0058]S3、对步骤S2中得到的开坯退火管材进行三辊冷轧。冷轧尺寸为Φ19×2.0mm，轧制变形量40%，Q值2.45，轧制车速50次/min，送进量2.5mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度65℃，脱脂时间30min。
[0059]S4、对步骤S3中得到的中间管材进行真空退火，退火温度575℃，保温时间2h，得到中间退火管材。
[0060]S5、对步骤S4中得到的中间退火管材进行皮尔格两辊冷轧，冷轧尺寸为Φ14×1.0mm，轧制变形量61%，Q值为1.9，轧制车速200次/mm，送进量1.2mm/次。对轧制后管材进行脱脂处理，脱脂温度70℃，脱脂时间45min，得到成品轧制管材。
[0061]S6、对步骤S5中得到的成品轧制管材进行真空退火，退火温度450℃，保温时间2h，得到成品退火管材。
[0062]S7、对步骤S6中得到的成品退火管材进行矫直，矫直后管材直线度优于0.5mm/m，得到成品矫直管材。
[0063]S8、对步骤S7中得到的成品矫直管材进行内、外表面酸洗，酸洗壁厚去除量为0.05mm，得到钛合金管材。
[0064]在上述成品管材上取样开展力学性能和收缩应变比测试，管材力学性能(室温抗拉强度)>860MPa，收缩应变比>1.8，满足高强、高收缩应变比技术指标要求。
[0065]由上述实施和本发明提供的方法可知，通过采用两辊+三辊+两辊的三步冷轧法，每步冷轧匹配适宜的真空退火工艺，并通过合理设计道次变形量及梯度Q值，实现管材强、塑性的良好搭配，提高织构集中度，改善管材CSR值。在两辊开坯冷轧的过程中通过调控Q值依次增大，保证各道次轧制后基面径向织构因子不断加强。在退火过程中通过试验法确定最佳退火工艺，避免退火温度过高导致晶粒长大，从而弱化管材径向织构因子。同时变形晶粒转变为细小弥散的等轴晶粒，管材实现细晶强化。在三辊中间轧制过程中，通过进一步调控管材冷轧Q值，实现织构集中分布，冷轧后采用去应力退火，不仅保留管材强度水平，提高管材塑性保证下道次变形能力，同时保留变形织构特征。最后，两辊成品轧制设计大变形及较大Q值，实现管材形变强化，同时减少织构分散，冷轧后采用去应力退火，即可保证管材满足高强、高收缩应变比技术指标要求。
[0066]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同更换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(1)
声明：
“高强高收缩应变比α、近α型钛合金管材制备方法” 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。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：西安西部新锆科技股份有限公司
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2026年08月06日 ~ 08日 
