CN101934302A - 一种飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，通过改善钛合金管材材料的工艺塑性，从而制造出满足相应要求的飞机发动机用无缝钛合金管材。本发明首先熔炼海绵铸锭以尽可能少的引入间隙元素；其次，对铸锭加热后进行大变形量开坯锻造和反复镦拔，确保铸态的粗大晶粒完全破碎细化，对形成的管坯真空热处理以消除管坯挤压过程中产生的残余应力，改善管坯的塑性；再次，对管坯的大变形量的开坯轧制进一步细化晶粒；然后在中间轧制和成品轧制的冷轧之后，在较低退火可有效控制晶粒粗化，延长加热时间可确保完全再结晶，确保管材组织在完全再结晶状态下能够满足飞机发动机用料所要求的力学和工艺性能。

Description

一种飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法

技术领域

本发明属于有色金属材料加工技术领域，具体涉及一种飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法。

背景技术

随着我国航空工业的蓬勃发展和国家大飞机项目的启动，飞机发动机管路系统用钛及钛合金小规格管材，比如TA1、TA2、TA18等小规格的钛合金管材，其需求量会大幅上升。该类钛合金管材具有重量轻、比强度高、耐蚀性好、无磁性、成型工艺性好、线膨胀系数小等优点，在航空航天和民用飞机上常作为液压、燃油等管路系统应用。利用该类钛合金管材替代不锈钢航空导管，能够使飞机管路减重40.0％左右，有利于减轻飞机的结构重量；这对提高飞机的飞行性能，促进飞机制造业的技术进步有重要作用。

但目前为止，我国钛材加工的主要生产单位，还无法生产出满足飞机发动机要求的钛合金管材。主要存在的问题是管材力学性能不稳定和工艺性能(压扁和扩口)不能达到相应的要求，而且成材率太低。管材力学性能不稳定主要表现在材料成分偏差较大，各种杂质成分没有明确的范围；材料加工工艺没有固化，变形量达不到要求，材料的显微组织没有被充分细化；热处理温度偏高，冷加工后破碎的显微组织经过热处理后粗化。以上三种原因导致钛合金管材力学性能(抗拉强度)达不到要求，显微组织粗大，使得管材塑性低，扩口和压扁容易开裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，通过改善钛合金管材材料的工艺塑性，从而制造出满足相应要求的飞机发动机用无缝钛合金管材，并大幅提高了管材的成材率。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，包括以下步骤：

1)铸锭锻造成中间棒材

将熔炼后的含钛质量分数不低于99.6％的海绵钛铸锭，加热至1000～1100℃，保温4～6h后进行变形量为60～80％的开坯锻造，开坯锻造完成后进行两火次锻造，每火次锻造中进行不少于五道次的镦拔，镦拔完成后滚圆为棒材；

2)中间棒材挤压成管坯

在中间棒材中心钻出与挤压管坯的内孔相适应的通孔，并将中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆厚度为1.0～2.0mm的铜皮，然后加热至700～750℃保温1～3h，再将其送入挤压机挤压成管坯，挤压速度控制在50～55mm/s；将挤压好的管坯在650～700℃热处理30～45min，热处理完成后，在体积浓度为30～60％的HNO₃酸洗液中浸泡去除残留在管坯表面的铜皮，并去除管坯表面上的折叠、裂纹和凹坑；

3)管坯的开坯轧制

将外表面无缺陷的管坯在室温下送入两辊开坯轧机进行2～3道次的开坯轧制，每道次变形量为45～65％，在前两次的开坯轧制后通过镗刀对管材内孔进行处理，轧制完成后去除管材表面粘附的油污并用酸洗液清洗后，在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa、压升率≤2.0Pa/h的真空条件下600～700℃热处理0.5～2.0h，然后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，检查并去除外表面缺陷；

4)中间管材轧制

将开坯轧制后的管坯在多辊冷轧管机上进行连续2～3道次的冷轧，每道次冷轧的变形量控制在10.0～30.0％，每连续2～3道次的总变形量控制在40.0～60.0％，冷轧后去除管材表面粘附的油污并用酸洗液清洗，然后在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa、压升率≤2.0Pa/h的真空条件下650～700℃热处理0.5～2.0h，热处理完成后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，检查并去除外表面缺陷后得到中间管材；

5)成品管材轧制

将中间管材进行连续2～3道次的冷轧，每道次冷轧的变形量控制在10.0～30.0％，总变形量35.0～60.0％，冷轧后去除管材表面粘附的油污并用酸洗液清洗，然后在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa、压升率≤2.0Pa/h的真空条件下500～550℃热处理1.0～1.5h，热处理完成后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，得到成品管材。

所述的铸锭熔炼为：

将海绵钛铸锭原料在100～120℃干燥6～10h，然后进行电极块压制并焊接海绵钛铸锭原料，海绵钛的熔炼选用真空自耗电弧炉，在0.1～10.0Pa之间熔炼电流在20.0～30.0kA，熔炼温度约为2300℃，熔炼时间2.0～5.0h，铸锭熔炼过程中采用循环水冷却铜坩埚，选用钢刷和手提砂轮机去除表面污染物，选用同样的方法进行二次熔炼，二次熔炼完成后得到铸锭。

所述的熔炼后的铸锭，按质量分数计，铸锭的化学成分Fe：0～0.06％，C：0～0.05％，N：0～0.05％，O：0～0.10％，H：0～0.01％，Si：0～0.04％，单一杂质质量分数不大于0.1％，其包含的余杂质总和质量分数不大于0.4％，其余为Ti。

所述的管坯的强度为400.0～700.0Mpa，再结晶温度为500～600℃。

所述的镗孔在确保壁厚偏差小于0.40mm，有效去除管坯内壁表面的裂纹和凹坑。

所述的镗孔在处理规格为Φ30～Φ40mm的中间管材时，镗孔量控制在0.30～0.50mm。

所述的用于的酸洗的酸洗液包含15.0～30.0％硝酸和5.0～10.0％的氢氟酸，其余为水。

所述的成品管材的显微组织为等轴组织，等轴组织的平均晶粒度为6～8级。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明通过细化管材晶粒和冷轧的方法，以改善钛合金管材的工艺塑性，制备出满足飞机发动机用的小规格无缝钛合金管材，并大幅提高了管材的成材率；

本发明制备的成品管材其显微组织为等轴组织，等轴组织的平均晶粒度为6～8级；成品管材的拉伸性能为：抗拉强度R_m＝450.0MPa，屈服强度R_p0.2＝305.0MPa，断面收缩率A₅₀＝30.0％；扩口采用角度为74°的圆锥形顶芯，扩口比例达到35％时合格，压扁到压扁表面之间的距离为4mm时合格；依据人工标准探伤要求(长×宽×深：3.0×0.1×0.05mm)进行超声波探伤，合格率为42.6％。

2、本发明的管材的晶粒细化和工艺塑性的改善在制备的过程逐次实现：首先铸锭熔炼以尽可能少的引入间隙元素；其次，对铸锭加热后进行大变形量开坯锻造和反复镦拔，确保铸态的粗大晶粒完全破碎细化，对形成的管坯真空热处理以消除管坯挤压过程中产生的残余应力，改善管坯的塑性；再次，对管坯大变形量开坯轧制进一步细化晶粒；然后在中间轧制和成品轧制的冷轧之后，在较低温下退火可有效控制晶粒粗化，延长加热时间可确保完全再结晶，不但消除管材内部的残余应力恢复材料的塑性，而且确保管材组织在完全再结晶状态下能够满足飞机发动机用料所要求的力学和工艺性能。

3、飞机发动机用管材的管壁对裂纹要求较高，成品管材的壁厚偏差要控制在0.05mm以内。本发明通过将大规格管坯轧制到小规格成品管材的变形过程中，对管材的内表面进行镗孔处理，有效去除内表面裂纹和凹坑，确保管材内表面无裂纹和凹坑等缺陷，同时确保管材壁厚偏差小于0.40mm。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1  规格为Φ12.0×1.25mm(直径12.0mm，壁厚1.25mm)的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备

1)铸锭熔炼、锻造成棒材

依据GB/T 2524-2002选用零级或一级海绵钛为原料，并对原料进行复验，筛选杂质含量低于0.4％(质量分数)的原料，并人工筛选剔除变色(颜色发黄或发蓝)的海绵钛。

电极块压制前对海绵钛进行烘干：在100℃干燥10h，烘干后将海绵钛压制成电极块，压制完成后将电极块焊接、熔炼，确保在熔炼前电极块不吸收空气中水分；

铸锭的熔炼设备选用真空自耗电弧炉，首次熔炼时选用铜坩埚的直径为560mm，将炉内压力控制在0.1～10.0Pa之间，熔炼电流控制在20.0～25.0kA，熔炼温度为2500℃，熔炼时间2.0h，铸锭熔炼过程中采用循环水冷却铜坩埚；熔炼完成后在真空中冷却3.0h出炉，用钢刷或手提砂轮机清理干净铸锭表面黏附的污染物，对铸锭冒口处的氧化部位采用车床扒皮处理，并及时进行二次熔炼；二次熔炼选用铜坩埚的直径为640mm，熔炼程序与前次相同，二次熔炼完成后用车床将铸锭表面的氧化皮和缩孔去除，以获得优质的铸锭。

熔炼后铸锭的化学成分，按质量分数计为：Fe：0～0.06％，C：0～0.05％，N：0～0.05％，O：0～0.10％，H：0～0.01％，Si：0～0.04％，其包含的杂质总和质量分数不大于0.4％，单一杂质质量分数不大于0.1％，其余为Ti。

将熔炼后的钛锭置于电炉中加热至1000℃，保温6h，然后在水压机或空气锤上进行开坯锻造，变形量控制在60％，开坯锻造完成后进行两火次锻造，每火次锻造中进行不少于五道次的镦拔，镦拔完成后修磨去除表面因锻造产生的裂纹，获得截面为300mm²左右方坯。

将方坯下料长度为500mm左右，装入电炉中并随炉升温至900℃，保温3h后转移到快锻机上进行五道次的镦拔锻造，终锻温度不得低于700℃，加热前修磨表面裂纹。

经过两火次五道次的镦拔后将方坯锻造成直径为150～153mm的初始棒材，再用车床将表面氧化皮扒光并修磨表面裂纹后得到直径为145～146mm的中间棒材。

2)中间棒材挤压成管坯

将棒材中心钻出直径为33.0～33.3mm的通孔，中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆厚度为1.0mm的铜皮，装入电炉加热至700℃，并保温1h，然后送入1600吨卧式挤压机中，选用挤压筒直径为150mm，挤压针规格29mm，挤压速度为50～60mm/s，挤压成规格为Φ45×8.0mm的管坯；

将挤压成的管坯在电炉中于650℃热处理30min，从而消除管坯挤压过程中产生的残余应力，使管坯具备良好的塑性；热处理完成后，选用体积浓度为30％的HNO₃酸洗液浸泡去除管坯表面残留的铜皮；切除管坯两头壁厚不均匀的部分，并采用人工刮修的方法去除表面折叠、裂纹和凹坑等缺陷，通过这些处理使管坯外表面呈现无缺陷状态。

管坯拉伸性能为抗拉强度R_m＝455.0MPa，屈服强度R_p0.2＝280.0MPa，断后伸长率A₅₀＝25.0％，断面收缩率Z＝70.0％；显微组织为等轴组织，晶粒度为4级。

3)管坯的开坯轧制

将外表面无缺陷的管坯在室温下送入两辊开坯轧机进行开坯轧制，所用的轧机为能够进行大变形轧制的国产LG60型两辊轧机。在第一道次开坯轧制时，轧机转速50～60次/分，送进量为4.0～5.0mm/次，变形量控制在50.8％，即从Φ45.0×8.0mm轧制到Φ32.0×5.5mm；冷轧后的管材在超声波清洗槽中用金属清洗剂配制清洗液浸泡除去管材表面的油污，并用酸洗液(酸洗液按体积比配比，包含15.0％的HNO₃和5.0％的HF，其余为H₂O)清洗管材之后，在真空热处理炉中，真空度为1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，680℃热处理1.0h，然后随炉冷却至200℃时出炉空冷。依据内孔尺寸选择合适的镗刀对内孔进行镗孔处理，单边进刀量控制在0.3～0.5mm，并保证壁厚偏差在0.4mm以内。

选用LG30型两辊轧机进行第二道开坯轧制，轧机转速70～80次/分，送进量4～5mm/次，变形量为63.0％，即从Φ32.0×5.5mm轧制到Φ22.0×3.0mm；冷轧后的管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污(轧制润滑油)，并用酸洗液清洗管材之后，在真空热处理炉中，真空度为1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，650℃热处理1.0h，随炉冷却至200℃时出炉空冷。

4)中间管材轧制

将开坯轧制后的管坯送入国产LD30型三辊精轧机进行中间管材的冷轧，轧制时轧机转速为90次/分，送进量3mm/次，连续两道次的轧制总变形量为59.3％：第一道次：由Φ22.0×3.0mm轧制到Φ18.0×2.25mm；第二道次：由Φ18.0×2.25mm轧制到Φ15.0×1.75mm；冷轧后得到的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，酸洗液清洗管材(清洗后管材表面呈银白色)；然后，在真空热处理炉进行热处理：真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，600℃热处理0.5h，热处理完成后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，检查并人工刮修去除外表面缺陷后得到中间管材。

5)成品管材冷轧

将中间管材用国产LD15型三辊精轧机进行成品管材的冷轧轧制，轧机转速50～60次/分，送进量1.5～2.0mm/次，采用连续两道次的轧制，总变形量为39.4％：第一道次由Φ15.0×1.75mm轧制到Φ13.5×1.45mm，第二道次由Φ13.5×1.45mm轧制到Φ12.0×1.25mm；成品管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，选用酸洗液漂洗管材，清洗后管材表面呈银白色；然后，在真空热处理炉进行热处理：真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/min，500～550℃热处理1.0h，热处理完成后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，得到成品管材。

热处理后的成品管材其显微组织为细晶等轴组织，晶粒度为7～8级，成品管材的拉伸性能为：抗拉强度R_m＝450.0MPa，屈服强度R_p0.2＝305.0MPa，断面收缩率A₅₀＝30.0％；扩口采用角度为74°的圆锥形顶芯，扩口比例达到35％时合格，压扁到压扁表面之间的距离为4mm时合格；依据人工标准探伤要求(长×宽×深：3.0×0.1×0.05mm)进行超声波探伤，合格率为42.6％。

实施例2  规格为Φ10×1mm的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备

1)铸锭熔炼、锻造成棒材

依据GB/T 2524-2002选用零级或一级海绵钛为原料，并对原料进行复验，筛选杂质含量低于0.4％(质量分数)的原料，并人工筛选剔除变色(颜色发黄或发蓝)的海绵钛。

电极块压制前对海绵钛铸锭原料进行烘干：在120℃干燥6h，烘干后将铸锭进行电极块压制，压制完成后将电极块及时焊接、熔炼，确保在熔炼前电极块不吸收空气中水分；

铸锭的熔炼设备选用真空自耗电弧炉，首次熔炼时选用铜坩埚的直径为560mm，将炉内压力控制在0.1～10.0Pa之间，熔炼电流控制在25.0～28.0kA，熔炼温度为2800℃，熔炼时间2.5h，铸锭熔炼过程中采用循环水冷却铜坩埚；熔炼加温完成后，铸锭在真空中冷却5.0h后，将铸锭表面黏附的污染物用钢刷或手提砂轮机清理干净，对铸锭冒口处的氧化部位采用车床扒皮处理，并及时进行二次熔炼；二次熔炼选用铜坩埚的直径为640mm，熔炼程序与前次相同，二次熔炼完成后用车床将铸锭表面的氧化皮和缩孔去除，以获得优质的铸锭。

熔炼后钛锭的化学成分，按质量分数计为：Fe：0～0.06％，C：0～0.05％，N：0～0.05％，O：0～0.10％，H：0～0.01％，Si：0～0.04％，其包含的杂质总和质量分数不大于0.4％，单一杂质质量分数不大于0.1％，其余为Ti。

将熔炼后的钛锭置于电炉中加热至1100℃，保温4h，然后在水压机或空气锤上进行开坯锻造，变形量控制在80％，开坯锻造完成后进行两火次锻造，每火次锻造中进行不少于五道次的镦拔，镦拔完成后修磨去除表面因锻造产生的裂纹；

将方坯下料长度为500mm左右，装入的电炉中并随炉升温至900℃，保温3h后转移到快锻机上进行五道次的镦拔锻造，终锻温度不得低于700℃，加热前修磨表面裂纹。

经过两火次五道次的镦拔后将方坯锻造成直径为150～153mm的初始棒材，再用车床将表面氧化皮扒光并修磨表面裂纹后得到直径为145～146mm的中间棒材。

2)中间棒材挤压成管坯

将棒材中心钻出直径为35.0～36.3mm的通孔，中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆厚度为2.0mm的铜皮，装入电炉加热至750℃，并保温3h，然后送入1600吨卧式挤压机中，选用挤压筒直径为150mm，挤压针规格29mm，挤压速度为50～60mm/s，挤压成规格为Φ45×8.0mm的管坯；

将挤压成的管坯在电炉中于700℃热处理30min，从而消除管坯挤压过程中产生的残余应力，使管坯具备良好的塑性；热处理完成后，选用体积浓度为60％的HNO₃酸洗液浸泡去除管坯表面残留的铜皮；切除管坯两头壁厚不均匀的部分，并采用人工剐修的方法去除表面折叠、裂纹和凹坑等缺陷，通过这些处理使管坯外表面呈现无缺陷状态。

管坯拉伸性能为抗拉强度R_m＝455.0MPa，屈服强度R_p0.2＝280.0MPa，断后伸长率A₅₀＝25.0％，断面收缩率Z＝70.0％；显微组织为等轴组织，晶粒度为4级。

3)管坯的开坯轧制：

将外表面无缺陷的管坯在室温下送入两辊开坯轧机进行开坯轧制，所用的轧机为能够进行大变形轧制的国产LG60型两辊轧机。在第一道开坯次轧制时，轧机转速50～55次/分，送进量为4.0～5.0mm/次，变形量控制在45.8％，即从Φ45.0×8.0mm轧制到Φ35.0×5.5mm；冷轧后的管材在超声波清洗槽中用金属清洗剂配制清洗液浸泡除去管材表面的油污，并用酸洗液(酸洗液按体积比配比，包含25.0％的HNO₃和8.0％的HF，其余为H₂O)清洗管材之后，在真空热处理炉中，真空度为1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，700℃热处理1.0h，然后随炉冷却至200℃时出炉空冷。依据内孔尺寸选择合适的镗刀对内孔进行镗孔处理，单边进刀量控制在0.3～0.5mm，并保证壁厚偏差在0.3mm以内。

选用LG30型两辊轧机进行第二道开坯轧制，轧机转速75～78次/分，送进量4～5mm/次，变形量为63.0％，即从Φ32.0×5.5mm轧制到Φ22.0×3.0mm；冷轧后的管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污(轧制润滑油)，并用酸洗液清洗管材之后，在真空热处理炉中，真空度为1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，650℃热处理1.0h，随炉冷却至200℃时出炉空冷。

4)中间管材轧制

将开坯轧制后的管坯送入国产LD30型三辊精轧机进行中间管材的冷轧，轧机转速80～90次/分，送进量3～4mm/次，总变形量为50.9％，选用连续轧制：第一道次由Φ22.0×3.0mm轧制到Φ19.0×2.5mm；第二道次由Φ19.0×2.5mm轧制到Φ16.0×2.0mm；用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含30.0％的HNO₃和10.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，在真空热处理炉中，真空度为1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，热处理制度为700℃/1.0h，随炉冷却至180℃时出炉空冷。

将热处理后的管材采用LD15型三辊精轧机，轧制时采用轧机转速50～60次/分，送进量2.0～2.5mm/次，连续两道次的轧制，总变形量为38.4％：第一道次由Φ16.0×2.0mm轧制到Φ14.5×1.7mm；第二道次由Φ14.5×1.7mm轧制到Φ13.0×1.5mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含25.0％的HNO₃和80％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，热处理制度630℃/1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

5)成品管材冷轧

将中间管材用国产LD15型三辊精轧机进行成品管材的冷轧轧制，轧机转速50～60次/分，送进量1.5～2.0mm/次，总变形量为47.8％，采用连续两道次的轧制：第一道次由Φ13.0×1.5mm轧制到Φ11.5×1.3mm，第二道次由Φ11.5×1.3mm后连续轧制Φ10.0×1.0mm；冷轧得到的成品管材用金属清洗剂液在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，选用酸洗液(酸洗液按体积比配比包含20.0％的HNO₃和6.0％的HF，其余为H₂O)漂洗管材，漂洗后管材表面呈银白色；并在真空热处理炉进行热处理：真空度控制在1.0×10⁰～1.0×10¹Pa，压升率≤2.0Pa/min，热处理制度510℃/1.2h，得到成品管材。

退火后的成品管材其显微组织为细晶等轴组织，晶粒度为7～8级，成品管材的拉伸性能为：抗拉强度R_m＝430.0MPa，屈服强度R_p0.2＝285.0MPa，断面收缩率A₅₀＝33.0％；扩口采用角度为74°的圆锥形顶芯，扩口比例达到40％时合格，压扁到压扁表面之间的距离为3.34mm时合格；依据人工标准伤要求(长×宽×深：3.0×0.1×0.05mm)进行超声波探伤，合格率为47.5％。

实施例3  规格为Φ8×1.25mm的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备

1)铸锭熔炼、锻造成棒材

依据GB/T 2524-2002选用零级或一级海绵钛为原料，并对原料进行复验，筛选杂质含量低于0.4％(质量分数)的原料，并人工筛选剔除变色(颜色发黄或发蓝)的海绵钛。

电极块压制前对海绵钛铸锭原料进行烘干：在105℃干燥8h，烘干后将铸锭进行电极块压制，压制完成后将电极块及时焊接、熔炼，确保在熔炼前电极块不吸收空气中水分；

铸锭的熔炼设备选用真空自耗电弧炉，首次熔炼时选用铜坩埚的直径为560mm，将炉内压力控制在0.1～10.0Pa之间，熔炼电流控制在26.0～29.0kA，熔炼温度为2650℃，熔炼时间2.0h，铸锭熔炼过程中采用循环水冷却铜坩埚；熔炼加温完成后，铸锭在真空中冷却4.0h后，将铸锭表面黏附的污染物用钢刷或手提砂轮机清理干净，对铸锭冒口处的氧化部位采用车床扒皮处理，并及时进行二次熔炼；二次熔炼选用铜坩埚的直径为640mm，熔炼程序与前次相同，二次熔炼完成后用车床将铸锭表面的氧化皮和缩孔去除，以获得优质的铸锭。

熔炼后钛锭的化学成分，按质量分数计为：Fe：0～0.06％，C：0～0.05％，N：0～0.05％，O：0～0.10％，H：0～0.01％，Si：0～0.04％，其包含的杂质总和质量分数不大于0.4％，单一杂质质量分数不大于0.1％，其余为Ti。

将熔炼后的钛锭置于电炉中加热至1080℃，保温4.5h，然后在水压机或空气锤上进行开坯锻造，变形量控制在65％，镦拔完成后修磨去除表面因锻造产生的裂纹，获得截面为300mm²左右方坯。

将方坯下料长度为500mm左右，装入的电炉中并随炉升温至900℃，保温3h后转移到快锻机上进行五道次的镦拔锻造，终锻温度不得低于700℃，加热前修磨表面裂纹。

经过两火次五道次的镦拔后将方坯锻造成直径为150～153mm的初始棒材，再用车床将表面氧化皮扒光并修磨表面裂纹后得到直径为145～146mm的中间棒材。

2)中间棒材挤压成管坯

将棒材中心钻出直径为35.0～36.3mm的通孔，中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆厚度为1.6mm的铜皮，装入电炉加热至720℃，并保温2.5h，然后送入1600吨卧式挤压机中，选用挤压筒直径为150mm，挤压针规格29mm，挤压速度为50～60mm/s，挤压成规格为Φ45×8.0mm的管坯；

将挤压成的管坯在电炉中于680℃热处理40min，从而消除管坯挤压过程中产生的残余应力，使管坯具备良好的塑性；热处理完成后，选用体积浓度为50％的HNO₃酸洗液浸泡去除管坯表面残留的铜皮；切除管坯两头壁厚不均匀的部分，并采用人工剐修的方法去除表面折叠、裂纹和凹坑等缺陷，通过这些处理使管坯外表面呈现无缺陷状态。

管坯拉伸性能为抗拉强度R_m＝455.0MPa，屈服强度R_p0.2＝280.0MPa，断后伸长率A₅₀＝25.0％，断面收缩率Z＝70.0％；显微组织为等轴组织，晶粒度为4级。

3)管坯的开坯轧制：

将外表面无缺陷的管坯在室温下送入两辊开坯轧机进行开坯轧制，所用的轧机为能够进行大变形轧制的国产LG60型两辊轧机。在第一道开坯次轧制时，轧机转速50～55次/分，送进量为4.0～5.0mm/次，变形量控制在45.8％，即从Φ45.0×8.0mm轧制到Φ35.0×5.5mm；冷轧后的管材在超声波清洗槽中用金属清洗剂配制清洗液浸泡除去管材表面的油污，并用酸洗液(酸洗液按体积比配比，包含20.0％的HNO₃和6.0％的HF，其余为H₂O)清洗管材之后，在真空热处理炉中，真空度为1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，680℃热处理2.0h，然后随炉冷却至150℃时出炉空冷。依据内孔尺寸选择合适的镗刀对内孔进行镗孔处理，单边进刀量控制在0.3～0.5mm，并保证壁厚偏差在0.2mm以内。

选用LG30型两辊轧机进行第二道开坯轧制，轧机转速75～78次/分，送进量4～5mm/次，变形量为63.0％，即从Φ32.0×5.5mm轧制到Φ22.0×3.0mm；冷轧后的管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污(轧制润滑油)，并用酸洗液清洗管材之后，在真空热处理炉中，真空度为1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，680℃热处理1.5h，随炉冷却至150℃时出炉空冷。

4)中间管材冷轧制

将开坯轧制后的管坯送入国产LD30型三辊精轧机进行中间管材的冷轧，轧机转速80～90次/分，送进量3～4mm/次，选用连续轧制，总变形量为52.0％：第一道次由Φ22.0×3.5mm轧制到Φ19.0×3.0mm，第二道次由Φ19.0×3.0mm轧制到Φ16.0×2.5mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含20.0％的HNO₃和10.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，热处理制度700℃/1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

将剐修后的管材采用LD15型三辊精轧机轧制，轧机转速50～60次/分，送进量2.0～2.5mm/次，总变形量为50.9％，进行连续三道次的轧制：第一道次由Φ16.0×2.5mm轧制到Φ14.0×2.3mm，第二道次由Φ14.0×2.3mm轧制到Φ12.5×2.0mm，第三道次由Φ12.5×2.0mm轧制到Φ11.0×1.8mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含20.0％的HNO₃和10.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，680℃热处理1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

5)成品管材冷轧

将中间管材用国产LD15型三辊精轧机进行成品管材的冷轧轧制，轧机转速50～60次/分，送进量1.5～2.0mm/次，选用两道次连续轧制，总变形量为49.1％：第一道次由Φ11.0×1.8mm轧制到Φ9.5×1.6mm，第二道次由Φ9.5×1.6mm轧制Φ8.0×1.25mm。冷轧得到的成品管材用金属清洗剂液在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，选用酸洗液(酸洗液按体积比配比包含30.0％的HNO₃和5.0％的HF，其余为H₂O)漂洗管材，漂洗后管材表面呈银白色；并在真空热处理炉进行热处理：真空度控制在1.0×10⁰～1.0×10¹Pa，压升率≤2.0Pa/min，520℃热处理1.5h，得到成品管材。

退火后的成品管材其显微组织为细晶等轴组织，晶粒度为7～8级，成品管材的拉伸性能为：抗拉强度R_m＝430.0MPa，屈服强度R_p0.2＝265.0MPa，断面收缩率A₅₀＝30.5％；扩口采用角度为74°的圆锥形顶芯，扩口比例达到50％时合格，压扁到压扁表面之间的距离为2.67mm时合格；依据人工标准伤要求(长×宽×深：3.0×0.1×0.05mm)进行超声波探伤，合格率为40.2％。

实施例4  规格为Φ8×1mm的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备

进行轧制的管坯、开坯轧制与实施例1相同，由中间管材到成品管材的具体的轧制步骤为：

4)中间管材冷轧制

将开坯轧制后的管坯送入国产LD30型三辊精轧机进行中间管材的冷轧，轧机转速80～90次/分，送进量3～4mm/次，总变形量为47.9％，选用连续轧制：第一道次由Φ22.0×3.5mm轧制到Φ19.0×3.0mm；第二道次由Φ19.0×3.0mm轧制到Φ16.0×2.5mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含25.0％的HNO₃和6.5％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，热处理制度630℃/1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

将剐修后的管材采用LD15型三辊精轧机轧制，轧机转速50～60次/分，送进量2.0～2.5mm/次，总变形量为53.2％，选用连续三道次轧制：第一道次由Φ16.0×2.5mm轧制到Φ14.0×2.3mm；第二道次由Φ14.0×2.3mm轧制到Φ12.5×2.0mm，第三道次由Φ12.5×2.0mm轧制到Φ11.0×1.7mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含30.0％的HNO₃和10.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，热处理制度680℃/1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

5)成品管材冷轧

将中间管材用国产LD15型三辊精轧机进行成品管材的冷轧轧制，轧机转速50～60次/分，送进量1.5～2.0mm/次，总变形量为57.7％，选用连续两道次轧制：第一道次由Φ11.0×1.7mm轧制到Φ9.5×1.3mm第二道次由Φ9.5×1.3mm轧制到Φ8.0×1.0mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含15.0％的HNO₃和10.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，500℃热处理制度/1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

退火后的成品管材其显微组织为细晶等轴组织，晶粒度为7～8级，成品管材的拉伸性能为：抗拉强度R_m＝435.0MPa，屈服强度R_p0.2＝275.0MPa，断面收缩率A₅₀＝32.5％；扩口采用角度为74°的圆锥形顶芯，扩口比例达到50％时合格，压扁到压扁表面之间的距离为2.67mm时合格；依据人工标准伤要求(长×宽×深：3.0×0.1×0.05mm)进行超声波探伤，合格率为43.7％。

实施例5  规格为Φ6×1mm的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备

进行轧制的管坯、开坯轧制与实施例1相同，由中间管材到成品管材的具体的轧制步骤为：

4)中间管材冷轧制

将开坯轧制后的管坯送入国产LD30型三辊精轧机进行中间管材的冷轧，轧机转速80～90次/分，送进量3～4mm/次，总变形量为50.9％，选用连续轧制：第一道次由Φ22.0×3.0mm轧制到Φ19.0×2.5mm；第二道次由Φ19.0×2.5mm轧制到Φ16.0×2.0mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含26.0％的HNO₃和6.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，热处理制度700℃/1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

将剐修后的管材采用LD15型三辊精轧机轧制，轧机转速50～60次/分，送进量2.0～2.5mm/次，总变形量为57.0％，选用连续三道次轧制：第一道次由Φ16.0×2.0mm轧制到Φ14.0×1.8mm；第二道次由Φ14.0×1.8mm轧制到Φ12.0×1.6mm；第三道次由Φ12.0×1.6mm轧制到Φ10.0×1.4mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含20.0％的HNO₃和10.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，680℃热处理1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

5)成品管材冷轧

将中间管材用国产LD15型三辊精轧机进行成品管材的冷轧轧制，轧机转速50～60次/分，送进量1.5～2.0mm/次，总变形量为58.5％，选用连续3道次的轧制：第一道次由Φ10.0×1.4mm轧制到Φ8.0×1.2mm；第二道次Φ8.0×1.2mm轧制Φ7.0×1.1mm；第三道次由Φ7.0×1.1mm轧制到Φ6.0×1.0mm；冷轧后的中间管材用金属清洗剂在超声波清洗槽中除去管材表面的油污后，并用酸洗液漂洗(酸洗液按体积比配比包含15.0％的HNO₃和10.0％的HF，其余为H₂O)管材，清洗后管材表面呈银白色，并在真空热处理炉进行热处理，真空度控制在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa，压升率≤2.0Pa/h，550℃热处理1.0h，得到中间管材；热处理完成后通过剐修去除管材表面的缺陷。

退火后的成品管材其显微组织为细晶等轴组织，晶粒度为7～8级，成品管材的拉伸性能为：抗拉强度R_m＝425.0MPa，屈服强度R_p0.2＝285.0MPa，断面收缩率A₅₀＝30.0％；扩口采用角度为74°的圆锥形顶芯，扩口比例达到60％时合格，压扁到压扁表面之间的距离为2.0mm时合格；依据人工标准伤要求(长×宽×深：3.0×0.1×0.05mm)进行超声波探伤，合格率为37.3％。

Claims (9)

1.一种飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)铸锭锻造成中间棒材

将熔炼后的含钛质量分数不低于99.6％的海绵钛铸锭，加热至1000～1100℃，保温4～6h后进行变形量为60～80％的开坯锻造，开坯锻造完成后进行两火次锻造，每火次锻造中进行不少于五道次的镦拔，镦拔完成后滚圆为棒材；

2)中间棒材挤压成管坯

在中间棒材中心钻出与挤压管坯的内孔相适应的通孔，并将中间棒材外表面、通孔内表面和端面包覆厚度为1.0～2.0mm的铜皮，然后加热至700～750℃保温1～3h，再将其送入挤压机挤压成管坯，挤压速度控制在50～55mm/s；将挤压好的管坯在650～700℃热处理30～45min，热处理完成后，在体积浓度为30～60％的HNO₃酸洗液中浸泡去除残留在管坯表面的铜皮，并去除管坯表面上的折叠、裂纹和凹坑；

3)管坯的开坯轧制

将外表面无缺陷的管坯在室温下送入两辊开坯轧机进行2～3道次的开坯轧制，每道次变形量为45～65％，在前两次的开坯轧制后通过镗刀对管材内孔进行处理，轧制完成后去除管材表面粘附的油污并用酸洗液清洗后，在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa、压升率≤2.0Pa/h的真空条件下600～700℃热处理0.5～2.0h，然后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，检查并去除外表面缺陷；

4)中间管材轧制

将开坯轧制后的管坯在多辊冷轧管机上进行连续2～3道次的冷轧，每道次冷轧的变形量控制在10.0～30.0％，每连续2～3道次的总变形量控制在40.0～60.0％，冷轧后去除管材表面粘附的油污并用酸洗液清洗，然后在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa、压升率≤2.0Pa/h的真空条件下650～700℃热处理0.5～2.0h，热处理完成后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，检查并去除外表面缺陷后得到中间管材；

5)成品管材轧制

将中间管材进行连续2～3道次的冷轧，每道次冷轧的变形量控制在10.0～30.0％，总变形量35.0～60.0％，冷轧后去除管材表面粘附的油污并用酸洗液清洗，然后在1.0×10^-2～1.0×10⁰Pa、压升率≤2.0Pa/h的真空条件下500～550℃热处理1.0～1.5h，热处理完成后随炉冷却至200℃以下出炉空冷，得到成品管材。

2.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于，所述的海绵钛铸锭熔炼为：

将海绵钛铸锭原料在100～120℃干燥6～10h，然后进行电极块压制并焊接海绵钛铸锭原料，再在0.1～10.0Pa之间于2500～2800℃熔炼，熔炼时间为2.0～5.0h；在真空中冷却3.0～5.0h后，取出铸锭，去除表面污染物和氧化皮，得到熔炼后的海绵钛铸锭。

3.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于：熔炼后的海绵钛铸锭，其包含的杂质总和质量分数不大于0.4％，单一杂质质量分数不大于0.1％。

4.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于：按质量分数计，熔炼后的海绵钛铸锭化学成分为：Fe：0～0.06％，C：0～0.05％，N：0～0.05％，O：0～0.10％，H：0～0.01％，Si：0～0.04％，其余为Ti。

5.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于：管坯的强度为500.0～700.0Mpa，再结晶温度为500～600℃。

6.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于：所述的镗孔去除包括裂纹和凹坑的内壁缺陷，确保管材的壁厚偏差小于0.20～0.40mm。

7.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于：在镗孔处理规格为Φ30～Φ40mm的中间管材时，镗孔量控制在0.30～0.50mm。

8.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于：所述的酸洗液包含体积浓度15.0～30.0％的HNO₃和5.0～10.0％的HF，其余为H₂O。

9.如权利要求1所述的飞机发动机用无缝钛合金管材的制备方法，其特征在于：所述的成品管材的显微组织为等轴组织，等轴组织的平均晶粒度为6～8级。