本發(fā)明屬于鈦合金材料加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法。

背景技術(shù)：

隨著航空航天、船舶、汽車等工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對高品質(zhì)超塑成形用鈦合金薄板提出了更高的要求。sp700鈦合金(ti-4.5al-3v-2mo-2fe)是一種富含β相的α+β兩相鈦合金，該合金具有良好的冷、熱加工性能，優(yōu)良的綜合機械性能以及優(yōu)異的超塑性，已成為國外航空航天設(shè)計中被普遍采用的機體結(jié)構(gòu)材料，并以超塑成形用sp700鈦合金薄板的應(yīng)用最為廣泛，可用于超塑成形/擴散連接工藝制造艙門、隔板、尾翼、殼體和導(dǎo)風管等薄壁、復(fù)雜形狀零件，大大減少了連接件數(shù)量，滿足了整體化結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，提高了結(jié)構(gòu)的疲勞性能和可靠性，并起到顯著的減重效果。

由于鈦合金比強度高，加工變形抗力大，易產(chǎn)生加工硬化和時效效應(yīng)，對設(shè)備和操作的要求高，特別是板材的晶粒度、表面質(zhì)量生產(chǎn)控制難度大，工藝可控性和批量生產(chǎn)穩(wěn)定性較差。傳統(tǒng)工藝常在板材軋制的中間工序進行一次β淬火處理以細化晶粒，但由于中間工序板材的厚度較薄，在急冷時易發(fā)生嚴重扭曲變形，使得后續(xù)的整形、打磨、切割等工作量大大增加，可操作性和穩(wěn)定性控制難度增大，嚴重制約了工藝的靈活性和實用性，且經(jīng)常造成表面氧化層去除不完全，影響最終板材的形狀尺寸和表面質(zhì)量。此外，傳統(tǒng)的鈦合金板材多采用熱軋的方法進行最終產(chǎn)品的成形，由于鈦合金的比熱容小，導(dǎo)熱性差，熱軋時溫度損失快，工藝塑性變差，對現(xiàn)場工藝操作和軋制設(shè)備的要求較高，且不均勻冷卻產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，會導(dǎo)致板材發(fā)生變形和開裂，對最終板材的組織細化、超塑性能和表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，雖然采用包覆疊軋工藝能夠在一定程度上降低坯料的溫度損失，但包覆疊軋需要進行軋前鋼板的焊接和軋后的脫除，板材表面易出現(xiàn)橘皮現(xiàn)象，勢必導(dǎo)致工序繁雜，控制難度增加，不利于進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

步驟一、將sp700鈦合金坯料在始鍛溫度β相變點以上10℃～25℃，終鍛溫度不低于β相變點以下15℃的條件下進行一火次鍛造，水冷后進行表面修磨處理，得到厚度為20mm～45mm的中間坯；

步驟二、將中間坯在β相變點以下60℃～90℃的加熱爐中保溫15min～45min，然后送入熱軋機進行第一次熱軋，空冷后進行表面修磨處理，得到厚度為4mm～6mm的熱軋板坯；所述第一次熱軋的軋制方向為單向軋制，道次數(shù)為5～8道次；

步驟三、將經(jīng)第一次熱軋板坯在β相變點以下80℃～100℃的加熱爐中保溫10min～30min，然后進行第二次熱軋，空冷后進行表面修磨處理，得到厚度為1.5mm～3mm的熱軋板坯；所述第二熱軋的軋制方向與第一熱軋的軋制方向垂直，道次數(shù)為4～6道次；

步驟四、將經(jīng)第二次熱軋板坯進行中間退火處理，中間退火處理的溫度為600℃～650℃，中間退火處理的保溫時間為10min～20min；

步驟五、將經(jīng)中間退火處理的熱軋板坯送入冷軋機中進行冷軋，得到厚度為0.5mm～1.2mm的冷軋板坯；所述冷軋的軋制方向與第二熱軋的軋制方向平行，冷軋由2～4個軋程完成；

步驟六、將冷軋板坯進行成品退火處理，成品退火處理的溫度為650℃～750℃，成品退火處理的保溫時間為30min～90min，經(jīng)酸洗和表面修磨處理后得到厚度為0.5mm～1.2mm。

步驟一中所述sp700鈦合金坯料為檢驗合格的棒材或板坯。

步驟二中所述第一次熱軋的道次數(shù)為5～8道次，所述第一熱軋的每道次變形量不大于35％。

步驟三中所述第二熱軋的道次數(shù)為4～6道次，所述第二熱軋的每道次變形量不大于25％。

步驟五中所述冷軋由2～4個軋程完成，各軋程的變形量不大于20％。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明首先將原材料棒材或板坯在β相變點附近加熱保溫并進行一火次鍛造變形，目的是破碎粗大的β晶粒，均勻化組織，消除原材料帶來的組織性能差異，有利于提高板材組織的一致性和穩(wěn)定性；鍛造變形后迅速水冷淬火，抑制冷卻過程中晶粒內(nèi)析出的長條狀α相粗化，獲得細小均勻的片層組織；隨后在β相變點以下進行多道次大變形熱軋，作用是充分破碎晶界α相和長條狀α相，獲得等軸化的細晶組織，最終得到平均晶粒尺寸不大于5μm的細晶粒sp700鈦合金薄板。

(2)本發(fā)明在β相變點附近鍛造變形后選擇的中間坯厚度為20mm～45mm，該厚度范圍既可以滿足水冷淬火時較好的淬透性，又能確保在迅速水冷時不會發(fā)生翹曲變形，無需額外增加校形、修磨、剪切等繁雜工序，大大簡化了生產(chǎn)工序，降低了工作量，提高了生產(chǎn)效率，此外，采用較薄的中間坯進行熱軋時，對現(xiàn)場工藝操作和軋制設(shè)備的要求大大降低，易于實現(xiàn)變形量和板形的控制。

(3)本發(fā)明最終產(chǎn)品采用冷軋工藝制備，并在冷軋之前對熱軋坯料進行一次中間退火處理，以消除熱軋后由于冷卻不均勻而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高工藝塑性，防止板材在冷軋時發(fā)生變形和開裂，與傳統(tǒng)熱軋方法相比，顯著提高了最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量和尺寸精度。

(4)本發(fā)明采用“β相變點附近鍛造后淬火以均勻化組織、多道次大變形熱軋以細化組織、中間退火后冷軋成形”相結(jié)合的工藝路線，通過對始鍛溫度、保溫時間、終鍛溫度，以及軋制加熱溫度、保溫時間、軋制道次、每道次變形量、退火處理等工藝參數(shù)的綜合控制，解決了sp700鈦合金薄板表面質(zhì)量差、各向異性水平低等技術(shù)難題，最終制備的sp700鈦合金薄板的組織均勻，平均晶粒尺寸不大于5μm，室溫抗拉強度不小于930mpa，屈服強度不小于870mpa，延伸率不小于15％，性能一致性良好，滿足超塑成形的相關(guān)技術(shù)要求，具有良好的工藝可控性和批量生產(chǎn)穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制備的sp700鈦合金薄板的金相組織照片。

圖2為本發(fā)明實施例2制備的sp700鈦合金薄板的金相組織照片。

圖3為本發(fā)明實施例3制備的sp700鈦合金薄板的金相組織照片。

圖4為本發(fā)明實施例4制備的sp700鈦合金薄板的金相組織照片。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

步驟一、將sp700鈦合金坯料在始鍛溫度為β相變點以上10℃～25℃，終鍛溫度不低于β相變點以下15℃的條件下進行一火次鍛造，水冷后進行表面修磨處理，得到厚度為20mm～45mm的中間坯。

步驟二、將步驟一中所述中間坯在β相變點以下60℃～90℃的加熱爐中保溫15min～45min，然后送入熱軋機進行第一熱軋，空冷后進行表面修磨處理，得到厚度為4mm～6mm的第一熱軋板坯；所述第一熱軋的軋制方向為單向軋制。

步驟三、將步驟二中所述第一熱軋板坯在β相變點以下80℃～100℃的加熱爐中保溫10min～30min，然后送入熱軋機中進行第二熱軋，空冷后進行表面修磨處理，得到厚度為1.5mm～3mm的第二熱軋板坯；所述第二熱軋的軋制方向與第一熱軋的軋制方向垂直。

步驟四、將步驟三中所述第二熱軋板坯進行中間退火處理。

步驟五、將步驟四中所述經(jīng)中間退火處理的第二熱軋板坯送入冷軋機中進行冷軋，得到厚度為0.5mm～1.2mm的冷軋板坯；所述冷軋的軋制方向與第二熱軋的軋制方向平行。

步驟六、將步驟五中所述冷軋板坯進行成品退火處理，經(jīng)酸洗和表面修磨處理后得到厚度為0.5mm～1.2mm，平均晶粒尺寸不大于5μm，室溫抗拉強度不小于930mpa，屈服強度不小于870mpa，延伸率不小于15％的sp700鈦合金薄板。

上述的一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，其特征在于，步驟一中所述坯料為檢驗合格的sp700鈦合金棒材或板坯。

上述的一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，其特征在于，步驟二中所述第一熱軋的道次數(shù)為5～8道次，所述第一熱軋的道次變形量變形量不大于35％。

上述的一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，其特征在于，步驟三中所述第二熱軋的道次數(shù)為4～6道次，所述第二熱軋的道次變形量不大于25％。

上述的一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，其特征在于，步驟四中所述中間退火處理的溫度為600℃～650℃，所述中間退火處理的保溫時間為10min～20min。

上述的一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，其特征在于，步驟五中所述冷軋分2～4個軋程完成，各軋程的變形量不大于20％。

上述的一種超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，其特征在于，步驟六中所述成品退火處理的溫度為650℃～750℃，所述成品退火處理的保溫時間為30min～90min。

實施例1

本實施例為厚度0.5mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，包括以下步驟：

步驟一、將檢驗合格的sp700鈦合金板坯在始鍛溫度為β相變點以上10℃，終鍛溫度不低于β相變點以下15℃的條件下進行一火次相變點附近的鍛造，然后浸水快速冷卻至室溫，經(jīng)表面修磨處理得到厚度為20mm的中間板坯。

步驟二、將步驟一中所述中間板坯在β相變點以下65℃保溫15min后進行5道次的第一熱軋，保持第一熱軋的軋制方向為單向軋制，各道次變形量分別為：20％，30％，35％，25％，20.5％，空冷至室溫后進行表面修磨處理得到厚度為4.3mm的第一熱軋板坯。

步驟三、將步驟二中所述第一熱軋板坯在β相變點以下80℃的加熱爐中保溫10min后進行6道次的第二熱軋，保持第二熱軋的軋制方向與第一熱軋的軋制方向垂直，各道次變形量分別為：16％，23％，25％，19％，12.5％，10.5％，空冷后進行表面修磨處理得到厚度為1.3mm的第二熱軋板坯。

步驟四、將步驟三中所述第二熱軋板坯進行中間退火處理，具體過程：將步驟三中所述第二熱軋板坯置于退火爐中，在溫度為630℃條件下保溫18min后隨爐自然冷卻。

步驟五、將步驟四中所述經(jīng)過中間退火處理的第三熱軋板坯進行4個軋程的冷軋，保持冷軋的軋制方向與第二熱軋的軋制方向平行，各個軋程的變形量均為20％，得到厚度為0.5mm的冷軋板坯。

步驟六、將步驟冷軋板坯在700℃條件下加熱保溫55min后自然冷卻，經(jīng)酸洗和表面修磨處理后，得到厚度為0.5mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板。

采用本實施例制備的超塑成形用sp700鈦合金薄板的在室溫條件下的抗拉強度為996mpa，屈服強度為933mpa，延伸率為17％，縱橫向顯微組織均為細小均勻的等軸組織，平均晶粒尺寸為4.6μm，滿足超塑成形的相關(guān)技術(shù)要求。

實施例2

本實施例為厚度0.8mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，包括以下步驟：

步驟一、將檢驗合格的sp700鈦合金板坯在始鍛溫度為β相變點以上20℃，終鍛溫度不低于β相變點以下15℃的條件下進行一火次相變點附近的鍛造，然后浸水快速冷卻至室溫，經(jīng)表面修磨處理得到厚度為30mm的中間板坯。

步驟二、將步驟一中所述中間板坯在β相變點以下90℃保溫35min后進行7道次的第一熱軋，保持第一熱軋的軋制方向為單向軋制，各道次變形量分別為：22％，35％，28.5％，24％，21％，20.5％，16％，空冷至室溫后進行表面修磨處理得到厚度為4.3mm的第一熱軋板坯。

步驟三、將步驟二中所述第一熱軋板坯在β相變點以下100℃的加熱爐中保溫25min后進行4道次的第二熱軋，保持第二熱軋的軋制方向與第一熱軋的軋制方向垂直，各道次變形量分別為：22％，25％，16％，10.5％，空冷后進行表面修磨處理得到厚度為1.9mm的第二熱軋板坯。

步驟四、將步驟三中所述第二熱軋板坯進行中間退火處理，具體過程：將步驟三中所述第二熱軋板坯置于退火爐中，在溫度為600℃條件下保溫20min后隨爐自然冷卻。

步驟五、將步驟四中所述經(jīng)過中間退火處理的第三熱軋板坯進行4個軋程的冷軋，保持冷軋的軋制方向與第二熱軋的軋制方向平行，各個軋程的變形量分別為20％，20％，20％，15％，得到厚度為1.2mm的冷軋板坯。

步驟六、將步驟冷軋板坯在720℃條件下加熱保溫65min后自然冷卻，經(jīng)酸洗和表面修磨處理后，得到厚度為0.8mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板。

采用本實施例制備的超塑成形用sp700鈦合金薄板的在室溫條件下的抗拉強度為987mpa，屈服強度為930mpa，延伸率為20％，縱橫向顯微組織均為細小均勻的等軸組織，平均晶粒尺寸為4.5μm，滿足超塑成形的相關(guān)技術(shù)要求。

實施例3

本實施例為厚度1.0mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，包括以下步驟：

步驟一、將檢驗合格的sp700鈦合金板坯在始鍛溫度為β相變點以上15℃，終鍛溫度不低于β相變點以下15℃的條件下進行一火次相變點附近的鍛造，然后浸水快速冷卻至室溫，經(jīng)表面修磨處理得到厚度為40mm的中間板坯。

步驟二、將步驟一中所述中間板坯在β相變點以下80℃保溫45min后進行6道次的第一熱軋，保持第一熱軋的軋制方向為單向軋制，各道次變形量分別為：27％，35％，32％，26.5％，21.5％，16％，空冷至室溫后進行表面修磨處理得到厚度為6.2mm的第一熱軋板坯。

步驟三、將步驟二中所述第一熱軋板坯在β相變點以下95℃的加熱爐中保溫30min后進行4道次的第二熱軋，保持第二熱軋的軋制方向與第一熱軋的軋制方向垂直，各道次變形量分別為：25％，23％，19.5％，18％，空冷后進行表面修磨處理得到厚度為2.3mm的第二熱軋板坯。

步驟四、將步驟三中所述第二熱軋板坯進行中間退火處理，具體過程：將步驟三中所述第二熱軋板坯置于退火爐中，在溫度為640℃條件下保溫15min后隨爐自然冷卻。

步驟五、將步驟四中所述經(jīng)過中間退火處理的第三熱軋板坯進行4個軋程的冷軋，保持冷軋的軋制方向與第二熱軋的軋制方向平行，各個軋程的變形量分別為17％，20％，17％，15％，得到厚度為1.0mm的冷軋板坯。

步驟六、將步驟冷軋板坯在750℃條件下加熱保溫30min后自然冷卻，經(jīng)酸洗和表面修磨處理后，得到厚度為1.0mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板。

采用本實施例制備的超塑成形用sp700鈦合金薄板的在室溫條件下的抗拉強度為997mpa，屈服強度為951mpa，延伸率為18％，縱橫向顯微組織均為細小均勻的等軸組織，平均晶粒尺寸為4.3μm，滿足超塑成形的相關(guān)技術(shù)要求。

實施例4

本實施例為厚度1.2mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板的加工方法，包括以下步驟：

步驟一、將檢驗合格的sp700鈦合金板坯在始鍛溫度為β相變點以上25℃，終鍛溫度不低于β相變點以下15℃的條件下進行一火次相變點附近的鍛造，然后浸水快速冷卻至室溫，經(jīng)表面修磨處理得到厚度為45mm的中間板坯。

步驟二、將步驟一中所述中間板坯在β相變點以下75℃保溫40min后進行8道次的第一熱軋，保持第一熱軋的軋制方向為單向軋制，各道次變形量分別為：29％，33％，33％，23.5％，22％，20.5％，18％，15％，空冷至室溫后進行表面修磨處理得到厚度為4.7mm的第一熱軋板坯。

步驟三、將步驟二中所述第一熱軋板坯在β相變點以下95℃的加熱爐中保溫15min后進行5道次的第二熱軋，保持第二熱軋的軋制方向與第一熱軋的軋制方向垂直，各道次變形量分別為：22.5％，15％，13％，9％，5％，空冷后進行表面修磨處理得到厚度為2.3mm的第二熱軋板坯。

步驟四、將步驟三中所述第二熱軋板坯進行中間退火處理，具體過程：將步驟三中所述第二熱軋板坯置于退火爐中，在溫度為650℃條件下保溫10min后隨爐自然冷卻。

步驟五、將步驟四中所述經(jīng)過中間退火處理的第三熱軋板坯進行3個軋程的冷軋，保持冷軋的軋制方向與第二熱軋的軋制方向平行，各個軋程的變形量分別為20％，20％，18％，得到厚度為1.2mm的冷軋板坯。

步驟六、將步驟冷軋板坯在650℃條件下加熱保溫75min后自然冷卻，經(jīng)酸洗和表面修磨處理后，得到厚度為1.2mm的超塑成形用sp700鈦合金薄板。

采用本實施例制備的超塑成形用sp700鈦合金薄板的在室溫條件下的抗拉強度為1018mpa，屈服強度為955mpa，延伸率為16％，縱橫向顯微組織均為細小均勻的等軸組織，平均晶粒尺寸為4.6μm，滿足超塑成形的相關(guān)技術(shù)要求。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。