钛及钛合金板带生产(production of titanium and titanium alloy plate，sheet and strip)

将钛及钛合金经熔炼、铸锭、平辊轧制、热处理和精整等工序加工成截面为矩形的单张或成卷的加工材的过程。

国际上钛合金板带的工业化生产自20世纪50年钛ta代初开始，现已能生产卷重达4～5t的带材和宽度达4．2m的厚板。中国于50年代后期开始钛板带生产，60年代中期建成了较大型的钛加工厂，形成了生产体系，产品已经系列化，能生产厚度为0．3～30mm的板材以及厚度为0．01～2．0mm的带材。

钛合金板带材的简明生产工艺流程见图。

熔炼与铸锭 钛的熔点高，化学性质活泼，在高温或熔融状态下容易与空气和耐火材料发生作用。钛及钛合金通常在真空或惰性气体保护的气氛下，在水冷或液体金属冷却的铜坩埚内熔铸。目前钛锭生产中应用最为广泛的是真空自耗电极电弧炉熔炼。

将一定比例的海绵钛、返回料和合金元素混合均匀后，在液压机上压制成块状(称电极块)，再采用等离子焊接方法将电极块焊接成电极(棒)，在真空自耗电极电弧炉中经二次重熔成锭。为保证铸锭成分均匀，对加入的合金元素、返回料和海绵钛的粒度均控制在一定范围之内，并采取三次真空重熔。工业规模熔炼的钛合金锭一般为3～6t，大型铸锭达15t。通常用真空自耗电极电弧炉熔得的铸锭为圆形。近年也采用其他方法，如等离子熔炼、电子束熔炼、壳式熔炼和电渣熔炼等，熔得钛合金扁锭和方锭。例如日本采用等离子束炉熔炼得重达3t的扁锭，直接供轧制板带之用。

锻造 是破碎铸态结晶组织、改善材料性能和获得一定尺寸、形状板坯的主要方法。板坯锻造前的加热过程中，钛合金很容易与空气发生强烈反应，形成氧化皮和吸气层，降低材料的塑性和其他性能。因此，常采用感应加热或在气密性好的室状电阻炉中加热。当采用火焰炉加热时，应保持炉内为微氧化性气氛，也可在锭坯表面涂保护层，或在惰性气体中加热。钛合金的热导率低，在加热大截面或高合金化锭坯时，为防止热应力可能引起的锭坯开裂，通常采用低温慢速、高温快速的分段加热法。控制锭坯的加热和终锻温度以及锻造变形量是获得高质量钛板坯的重要保证。几种主要钛合金板坯的锻造工艺制度见表1。

表1 几种钛合金板坯锻造工艺制度

钛合金板坯的锻造一般采用水压机和锻锤。为了保证随后的轧制过程顺利进行和保证板材的表面质量，锻造的板坯和铸锭应进行机械加工，剥去表面裂纹及深度达3～4mm的吸气层。

轧制 与铝、铜、钢相比，钛合金板带材轧制时的特点是变形抗力大、塑性低、高温下易氧化，因而加工比较困难。轧制包括热轧、温轧和冷轧。热轧是钛板带生产过程的重要工序。制定钛合金板带材热轧工艺制度时，还应考虑到晶粒组织对力学性能的影响。为了减少加热时吸气层和氧化皮的形成，纯钛和低合金化钛合金采用较低的加热温度，且在热透情况下尽可能缩短保温时间。然而降低温度会使轧制时变形抗力急剧增加，同时塑性也下降，这对于高合金化钛合金往往是不允许的。为了获得均匀细小晶粒组织和具有良好性能的板带材，生产中常常采用多次热轧、包覆叠轧和温轧等，以保证板带材在α或α+β相区有足够的变形量。因此，确定合理的热轧工艺制度是十分重要的。几种钛合金热轧工艺制度见表2。

表2 几种钛合金热轧工艺制度

钛板带材的热轧可采用带卷取机的可逆式四辊热轧机、四辊可逆式炉卷轧机和多机架四辊热连轧机等。与热连轧机组相比，带卷取机的可逆式四辊热轧机设备投资少，占地面积小，可以轧制质量良好、厚度3～6mm的热轧板卷，是适于小批量多品种钛合金板带的生产设备。一般采用热轧法生产厚度大于3mm的各种钛合金板材。

板厚小于2mm的钛合金板通常采用冷轧法生产。同热轧相比，冷轧板具有表面质量好、尺寸精度高、尺寸公差小等优点。冷轧板可用带式法生产，然而钛合金的冷轧板大多采用块式法生产。冷轧通常在四辊可逆式冷轧机上进行，也可采用多机架串列式冷轧机组。厚度小于0．5mm的板带材在20辊轧机上轧制。为提高产品质量，这些轧机应使用计算机控制。为了获得不同厚度钛合金板带材，冷轧、中间退火和精整工序可反复多次进行。当生产高合金化钛合金板带时，为了提高材料的塑性和降低轧制时的变形抗力，也可以在600～850℃范围内进行温轧。

退火 将钛合金板带材加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜的速度冷却。钛合金板带材的退火包括中间退火和成品退火两种。中间退火的目的是消除加工硬化，恢复钛合金塑性和变形能力，以利于继续轧制。成品退火是为了获得具有一定组织和性能的产品。对于α和α+β型合金，退火可以采用在α和α+β相区温度范围内保温和较慢的冷却速度冷却，以获得均匀细小的再结晶组织，保证材料具有良好的性能。对于β型钛合金，退火在β相区某一温度范围内保温后，通常以较快的冷却方式冷却，以保证获得高塑性的B相晶粒组织，满足随后的进一步加工和使用。较厚的板带材可在空气中退火；较薄的板带材常在真空或惰性气体保护下退火。几种钛合金退火工艺制度如表3。轧制和退火后的几种钛合金板带材的力学性能如表4。

精整 包括碱洗、酸洗、矫直、剪切、喷砂和打磨等。钛合金板材在氢氧化钠熔融液中碱洗和在含氢氟酸水溶液中酸洗时，一定要加入适量的硝酸钠和硝酸作为氧化剂，以防钛合金吸氢。钛合金屈强比高，弹性模量小，回弹大，因而矫直和平整较为困难，可采用热矫直和热平整或采用真空蠕变矫直等方法。由于钛合金对缺口敏感，生产过程产生的表面缺陷如裂纹和吸气层等，应及时采用打磨等方法清除干净，以防变形过程中缺陷进一步加深。因此，在钛合金板带材生产中精整工序十分重要，是使产品的表面质量、几何形状和组织性能符合技术标准要求的保证。

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