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单次EB炉熔铸TA1大型锭坯的免锻直轧机理及热轧工艺研究

单次EB炉熔铸TA1大型锭坯的免锻直轧机理及热轧工艺研究

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作者：王培祯昆明理工大学

学位级别：硕士

工业纯钛板/带材具有良好的力学性能、优异的耐蚀性及可焊接性,广泛应用于海洋工程、海水淡化、化工、冶金和电力等领域,需求量呈日益增长趋势。此前,工业纯钛TA1板/带材的生产存在流程长、成材率低、成本高等问题,限制了其大规模应用... 详细信息

工业纯钛板/带材具有良好的力学性能、优异的耐蚀性及可焊接性,广泛应用于海洋工程、海水淡化、化工、冶金和电力等领域,需求量呈日益增长趋势。此前,工业纯钛TA1板/带材的生产存在流程长、成材率低、成本高等问题,限制了其大规模应用。云南钛业股份有限公司与昆明理工大学等单位联合研发了采用电子束冷床（EB）炉熔铸纯钛扁锭,将扁锭无锻造直接热轧为钛卷的短流程制备方法,通过缩短工艺流程,提高成材率,降低钛带的生产成本。但EB炉熔铸的TA1锭坯组织极为粗大（晶粒尺寸达到厘米级）,目前对于铸态粗大的组织在塑性变形过程中如何破碎细化到微米级以获得优良力学性能的报道涉及较少。因此,本文针对单次EB炉熔铸的宽1570mm×厚200mm×长8000 mm规格TA1纯钛扁锭,沿轧制方向取样后,利用Gleeble-1500热模拟试验机在变形温度为860℃～920℃、应变速率为10s的条件下,进行总变形量为75%的多道次降温热变形实验,模拟其板/带材的粗轧过程,并进行实验轧制综合分析。通过对单次EB炉熔铸TA1大型锭坯在不同工艺参数下的热变形行为、微观组织、结构及力学性能的研究,获得以下结论:单次EB炉熔铸TA1大型锭坯的铸态组织为粗大的等轴晶和柱状晶,平均晶粒尺寸为3.5cm,组织分布较均匀。锭坯不同部位的流变应力曲线在变形温度为860℃～920℃的条件下均发生加工硬化及动态软化,流变应力随初始压缩温度的升高而逐渐降低;5道次压缩结束后,粗大的铸态组织均破碎细化,获得未完全再结晶的α相组织,平均晶粒尺寸由厘米级降至微米级,晶粒的择优取向先减小后略微增大。根据多道次降温热变形行为、微观组织及织构与亚结构演变结果可知,不同变形温度条件下,TA1锭坯在免锻直轧过程中主要是通过不连续的动态再结晶来实现组织的细化,晶界弓出形核,消耗畸变能,形成新的无畸变晶粒取代原来的变形组织。基于多道次降温热变形模拟结果,对TA1纯钛锭坯的热轧工艺进行研究,在温度为860℃～920℃的条件下粗轧后,TA1锭坯均发生了动态再结晶,随着初始轧制温度的提升,再结晶的程度逐渐增大,结晶后的平均晶粒尺寸也随之增长,板材的力学性能与再结晶程度和晶粒尺寸相关,在初始轧制温度为890℃时综合力学性能最为优良。不同部位板坯在轧制温度为890℃时变形较为均匀,变形后的平均晶粒尺寸和力学性能相近;进一步精轧后,不同部位的板坯在初始轧制温度为890℃时,组织和力学性能更为均匀。根据粗轧和精轧过程中的微观组织和力学性能演变结果可知,在初始轧制温度为890℃的条件下热轧后,TA1板材的再结晶程度和晶粒尺寸相适中,力学性能更为优良,精轧后平均晶粒尺寸为22.2±0.5μm,抗拉强度为375±3 MPa,屈服强度为316±5 MPa,断后延伸率为33.1%±1.6%。综合分析,单次EB炉熔铸的TA1大型锭坯铸态组织均匀,不同部位在初始变形温度为860℃～920℃的条件下进行热压缩时,免锻直轧的组织细化机制均为不连续的动态再结晶,在变形温度为890℃和920℃时组织更为均匀;在变形温度为890℃进行实验轧制时,不同部位板材的组织与综合力学性能最为优良,适宜进行热加工。

关键词： TA1大型锭坯单次EB熔铸多道次热变形免锻直轧机理短流程热轧工艺

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EB炉熔铸Ti-4Al-2.5V-1.5Fe钛合金锭坯的热变形行为及直轧工艺研究

EB炉熔铸Ti-4Al-2.5V-1.5Fe钛合金锭坯的热变形行为及直轧工艺研究

引用

作者：陶杰彦昆明理工大学

学位级别：硕士

Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金(GR38)是一种α+β型双相钛合金,其力学性能与Ti-6Al-4V合金(TC4)相当,具有良好的强度、塑韧性、耐蚀性及可焊性,尤其具有优异的热/冷加工性能,可加工成板/带/管材等各种产品,应用前景广阔。同时,该合金由于采用... 详细信息

Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金(GR38)是一种α+β型双相钛合金,其力学性能与Ti-6Al-4V合金(TC4)相当,具有良好的强度、塑韧性、耐蚀性及可焊性,尤其具有优异的热/冷加工性能,可加工成板/带/管材等各种产品,应用前景广阔。同时,该合金由于采用廉价的Fe元素替代了部分昂贵的V元素,材料成本也有一定程度的降低。为进一步降低GR38合金加工材的制造成本,本文针对传统制造方法存在的工艺流程长、成材率低、生产成本高等共性问题,在前期研究基础上提出真空自耗电弧(VAR)炉预合金化+电子束冷床(EB)炉熔铸锭坯,铸态锭坯直接轧制成板材的新思路,通过缩短工艺流程和提高综合成材率降低GR38板材的加工成本,为后期工业化制备与加工提供理论和技术指导。基于此,本文采用VAR预合金化+EB熔铸方法制备了不同规格的GR38合金铸锭,对锭坯的成分均匀性及铸态组织进行了分析研究;再利用Gleeble-3500热模拟实验机在不同变形温度(850℃～1000℃)、应变速率(0.01～1s)、总变形量(50%)的条件下进行铸态锭坯的多道次降温模拟热轧实验,研究变形温度和应变速率对热变形行为、微观组织演变及热轧组织细化的影响及机理;进而通过实际轧制后板材的显微组织与力学性能研究,验证铸态直轧的可行性并获得适宜的热轧工艺参数。获得如下结论:通过对GR38合金中易挥发Al元素含量的定量补偿和VAR预合金化,能够实现EB炉熔铸过程中元素的定量挥发,除头尾部外,合金锭坯化学成分满足ASTM B265-2015标准的要求且不同部位主要元素分布较为均匀;锭坯的铸态组织为魏氏组织,主要由α相和β相组成,存在明显的β晶界,粗大的β晶粒内为α集束。铸态GR38合金经多道次降温热压缩后,随着热压缩道次的增加,流变应力随着应变提高而急剧提高达到峰值;在同一应变速率下,随着变形温度的升高,流变应力逐渐下降;在同一变形温度下进行多道次压缩,随着应变速率的提高,其流变应力峰值显著提高。经过多道次热变形后,合金锭坯的铸态组织发生细化,晶粒尺寸进一步减小。同一应变速率下,随着变形温度的提高,晶粒尺寸逐渐减小且再结晶晶粒分数不断增加。当变形温度为950℃时,出现更多的再结晶晶粒和少数的针状α相,再结晶分数为16%,平均晶粒尺寸为20.43μm。在950℃变形温度下,随着应变速率的升高,再结晶分数不断降低且平均晶粒尺寸不断增大。因此,铸态GR38合金适宜的热加工参数为变形温度950℃左右、应变速率0.01s,此时热轧组织再结晶分数最大,晶粒尺寸最小。在多道次热变形过程中免锻直轧的组织细化机制为连续动态再结晶(CDRX)和不连续动态再结晶(DDRX)共同作用。在较低变形温度下晶粒动态再结晶(DRX)机制主要是CDRX,而在较高温度下晶粒DRX机制主要是DDRX。基于多道次降温热变形模拟结果,在轧制温度为900℃～1000℃的条件下对铸态GR38合金进行热轧后,晶粒发生明显破碎,组织由大量的次生α相、部分等轴α相、少量细小等轴α相和片层β转变组织组成。在轧制温度为950℃时,GR38合金轧制态板材的再结晶程度和晶粒尺寸适中,表现出更优的力学性能。进一步在850℃条件下进行退火后,板材组织中生成少量等轴α相、针状次生α相不同程度的增多、长大并逐渐均匀化,力学性能达到平均抗拉强度Rm为968MPa,屈服强度Rp0.2为871MPa,断后伸长率为12.7%。综合分析,VAR预合金化+EB熔铸的Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金锭坯在850-1000℃变形温度下进行直接轧制,铸态组织能够得到明显细化,其免锻直轧机理为CDRX和DDRX共同作用。轧制的合金板材经退火后力学性能均满足ASTM,且不低于传统TC4合金的力学性能,表明铸态Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金锭坯不经过锻造、直接轧制成板材的工艺是可行的,从而对工业化生产具有理论和技术指导意义。

关键词： Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金 EB炉熔铸多道次热变形微观组织演变短流程热轧工艺

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