一种含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，随着海洋、核电、化工等领域对超大规格加工材提出了迫切的需求，因为，超大加工材可减少装备制造时的焊缝，进而提高装备的性能和寿命。但是对于大规格板材的制备来说存在的瓶颈问题是坯料如何做大。

由于含易偏析元素的合金熔炼时锭型越大，成分偏析越严重，如含Fe、Cr较多的钛合金及镍基高温合金难以获得大规格坯料；受熔炼吨位的限制，无法通过真空自耗电弧熔炼制备出12t以上的钛、18t以上的锆，无法通过真空感应+电渣重熔熔炼制备出5t以上的镍，无法通过真空电子束熔炼制备出2t以上的铌、钽等超大规格金属坯料；生产层状金属复合板主要是采用爆炸焊接、爆炸焊接+轧制的方法。其中爆炸焊接和爆炸焊接+轧制这两种生产方法对环境的污染较大，且得到的复合板规格有限；轧制复合法的关键是防止待复合表面在加热或轧制时发生严重氧化，一旦发生氧化，复层金属与基层就不会产生结合，或者即使结合了其剪切强度也不会高，没有使用价值。基于以上三方面，急需开发出一种制备大规格、超大规格金属坯料的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法能够制得含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料，可为高效、低成本地生产复合板、复合卷提供大规格优质坯料。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料的制备方法，包括以下步骤：

将金属坯料的待贴合面进行铣削，得到预处理金属坯料；所述金属坯料为含易偏析元素的金属坯料或者不含易偏析元素的金属坯料；

将不少于两块的所述预处理金属坯料进行叠层，然后在真空条件下，将所得叠层四周进行电子束焊接，得到预制坯；

将所述预制坯进行热等静压处理，得到坯料，当所述金属坯料为含易偏析元素的金属坯料时，得到的坯料为含易偏析元素的大规格金属坯料，当所述金属坯料为不含易偏析元素的金属坯料时，得到的坯料为超大规格金属坯料。

优选地，所述含易偏析元素的金属坯料包括第一钛合金坯料或第一镍合金坯料，所述第一钛合金坯料中含有的易偏析元素包括Fe、Cr、W、Nb、Ta和Mo中的一种或多种，所述第一镍合金坯料中含有的易偏析元素包括W、Mo、Nb和Ta中的一种或多种；

所述不含易偏析元素的金属坯料包括第二钛合金坯料、第二镍合金坯料、锆合金坯料、铌合金坯料、钽合金坯料、碳钢坯料和不锈钢坯料中的一种或多种，所述第二钛合金坯料不含有Fe、Cr、W、Nb、Ta和Mo，所述第二镍合金坯料不含有W、Mo、Nb和Ta。

优选地，所述金属坯料为铸造得到的坯料、熔炼得到的坯料、熔炼后再经锻造得到的坯料或熔炼、锻造后经过轧制的坯料。

优选地，所述熔炼得到的坯料为凝壳炉熔炼的坯料、EB炉熔炼的坯料、感应炉熔炼的坯料或真空电子束熔炼的坯料。

优选地，所述电子束焊接为直接进行焊接或者加封条进行焊接。

优选地，所述电子束焊接的焊接电流为160～250mA，焊接电压为12～18kV。

优选地，所述真空条件的真空度为10

优选地，所述热等静压处理的工作压力为120～200MPa，加热温度为900～1300℃，保温时间为3～8h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料。

本发明还提供了上述技术方案所述的含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料用于制备棒材、锻件和板材的应用。

本发明提供了一种含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料的制备方法，包括以下步骤：将金属坯料的待贴合面进行铣削，得到预处理金属坯料；所述金属坯料为含易偏析元素的金属坯料或者不含易偏析元素的金属坯料；将不少于两块的所述预处理金属坯料进行叠层，然后在真空条件下，将所得叠层四周进行电子束焊接，得到预制坯；将所述预制坯进行热等静压处理，得到坯料，当所述金属坯料为含易偏析元素的金属坯料时，得到的坯料为含易偏析元素的大规格金属坯料，当所述金属坯料为不含易偏析元素的金属坯料时，得到的坯料为超大规格金属坯料。本发明通过热等静压处理，实现坯料之间结合的同时，可使含易偏析元素的金属材料成分更加均匀，还可以消除局部小孔洞、疏松缺陷，得到含易偏析元素的大规格金属坯料和超大规格金属坯料，尤其是可容易地获得含易偏析元素大规格金属坯料，降低后续加工复合的难度，可为高效、低成本地生产各类加工材提供大规格优质坯料。

附图说明

图1为可直接进行焊接的金属叠层、电子束焊接的示意图；

图2为不可直接焊接的金属叠层、加封条进行电子束焊接的示意图；

图3为实施例3中热等静压处理前孔洞、缩孔的宏观照片；

图4为实施例3中热等静压处理后孔洞、缩孔的宏观照片；

图5为实施例4中TC4坯料热等静压处理后层间结合情况宏观照片；

图6为实施例10中Q235碳钢板和R60702纯锆板复合后坯料之间的结合面的宏观照片；

图7为实施例10中Q235碳钢板和R60702纯锆板复合后坯料之间的结合面的金相照片；

图8为实施例11中45钢板和TC4板复合后坯料之间的结合面的宏观照片；

图9为实施例11中45钢板和TC4板复合后坯料之间的结合面的金相照片。

具体实施方式

本发明提供了一种含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料的制备方法，包括以下步骤：

将金属坯料的待贴合面进行铣削，得到预处理金属坯料；所述金属坯料为含易偏析元素的金属坯料或者不含易偏析元素的金属坯料；

将不少于两块的所述预处理金属坯料进行叠层，然后在真空条件下，将所得叠层四周进行电子束焊接，得到预制坯；

将所述预制坯进行热等静压处理，得到坯料，当所述金属坯料为含易偏析元素的金属坯料时，得到的坯料为含易偏析元素的大规格金属坯料，当所述金属坯料为不含易偏析元素的金属坯料时，得到的坯料为超大规格金属坯料。

在本发明中，若无特殊说明，本发明使用的原料均为本领域市售商品。

本发明将金属坯料的待贴合面进行铣削，得到预处理金属坯料。

在本发明中，所述含易偏析元素的金属坯料优选包括第一钛合金坯料或第一镍合金坯料，所述第一钛合金坯料中含有的易偏析元素优选包括Fe、Cr、W、Nb、Ta和Mo中的一种或多种，所述第一镍合金坯料中含有的易偏析元素优选包括W、Mo、Nb和Ta中的一种或多种；

所述不含易偏析元素的金属坯料优选包括第二钛合金坯料、第二镍合金坯料、锆合金坯料、铌合金坯料、钽合金坯料、碳钢坯料和不锈钢坯料中的一种或多种，所述第二钛合金坯料优选不含有Fe、Cr、W、Nb、Ta和Mo，所述第二镍合金坯料优选不含有W、Mo、Nb和Ta。

在本发明中，所述W、Nb、Ta和Mo与Ti的密度或熔点相差较大的，所以也会出现偏析，当所述Fe、Cr、W、Nb、Ta和Mo的含量越高时，偏析表现的越突出，而且金属坯料规格越大，冷却条件差异越大，偏析越严重。

在本发明中，W、Mo、Nb和Ta的熔点远高于Ni元素，且不同元素的原子直径及其在镍基体中的溶解度有很大差异，即使液态成分非常均匀的材料，在凝固过程中由于选分结晶也会产生偏析，且金属坯料规格越大，冷却条件差异越大，偏析越严重。

在本发明中，所述金属坯料优选为Φ845×700mm的圆柱状TB5钛合金坯料、240×800×1000mmTi1023钛合金坯料、Φ800×880mm的圆柱状Ti5322钛合金坯料、Φ1250×1458mm的圆饼状TC4钛合金坯料、Φ1500×1560mm的圆饼状TC4ELI钛合金坯料、1200×1300mm的方坯Ti80钛合金坯料、200×1300×1320mm的方坯Inconel 690镍合金坯料、Φ400×380mm的圆饼状NbTi50合金坯料、Φ400×350mm的圆饼状TaNb3铌合金坯料或Φ1000mm，厚65mm，高300mm的Q235碳钢环。

在本发明中，所述金属坯料优选为铸造得到的坯料、熔炼得到的坯料、熔炼后再经锻造得到的坯料或熔炼、锻造后经过轧制的坯料。

在本发明中，所述熔炼得到的坯料优选为凝壳炉熔炼的坯料、EB炉熔炼的坯料、感应炉熔炼的坯料或真空电子束熔炼得到的坯料。

本发明对所述锻造和轧制的具体参数没有特殊的限定。

在本发明中，当所述金属坯料优选为第二钛合金坯料时，本发明优选准备两块或多块经过真空自耗电弧熔炼得到的第二钛合金铸锭，并将冒口切除，将所得切除冒口后的铸锭加热，锻造为相同直径的圆坯或相同边长的方坯，得到所述金属坯料。在本发明中，所述加热的温度优选为1000～1200℃。

在本发明中，当所述金属坯料优选为第一钛合金坯料时，本发明优选采用真空自耗电弧熔炼制备出第一钛合金铸锭，将所述第一钛合金铸锭扒皮、切冒口后，经1000～1200℃加热，锻造成圆柱坯或方坯；或者采用真空凝壳炉制备两块或多块钛合金扁坯。

在本发明中，所述铣削优选至露出金属色，并使需要贴合的面不平度≤1mm。在本发明中，所述铣削的作用是除去氧化皮或者除去冷隔、皮下气孔缺陷，提高待贴合面的表面质量。

本发明优选对所述金属坯料的待贴合面的其余面进行打磨去除氧化皮。本发明对所述打磨的具体方式没有特殊的限定。

得到预处理金属坯料后，本发明将不少于两块的所述预处理金属坯料进行叠层，然后在真空条件下，将所得叠层四周进行电子束焊接，得到预制坯。

在本发明中，所述不少于两块的预处理金属坯料可以为同种预处理金属坯料，也可以为不同种预处理金属坯料，当所述不少于两块的预处理金属坯料优选为不同种预处理金属坯料，能够得到异种超大规格金属坯料。

本发明对所述叠层的具体方式没有特殊的限定。

在本发明中，所述电子束焊接优选为直接进行焊接或者加封条进行焊接。

在本发明中，所述电子束焊接焊接时会产生金属间化合物的两种金属或熔点差异大的两种金属优选不可以直接焊接的，具体的如：钢与钛、锆、铌、钽不可以直接焊接；镍与与钛、锆、铌、钽也不可以直接焊接；钛与铌、钛与钽，锆与铌，锆与钽不可以直接焊接。

在本发明中，所述电子束焊接焊接时不会产生金属间化合物，熔点相差小的两种金属优选直接进行焊接，如，钛与钛，锆与锆，铌与铌，钽与钽，钛与锆、铌与钽。

在本发明中，所述封条的材质优选与最上层和最下层材质相同的材料，或与最上层和最下层金属可直接焊接的廉价金属，具体的如钢，本发明的所述封条的用量没有特殊的限定，能够使叠层四周完成焊接即可。

图1为可直接进行焊接的金属叠层、电子束焊接的示意图；图2为不可直接焊接的金属叠层、加封条进行电子束焊接的示意图，图2中不可直接焊接的金属叠层以锆坯料或钛坯料为例，封条以钢(45钢或Q235钢)为例。

在本发明中，所述电子束焊接的焊接电流优选为160～250mA，更优选为170～240mA，进一步优选为180～230mA，最优选为200～210mA，焊接电压优选为12～18kV，更优选为13～17kV，进一步优选为14～16kV，最优选为15kV。在本发明中，所述电子束焊接优选在电子束焊机中进行。

在本发明中，所述真空条件的真空度优选为10

在本发明中，所述叠层之间的焊接深度优选为50～100mm，更优选为60～90mm，最优选为70～80mm。

在本发明中，所述叠层之间进行电子束焊接前优选进行点焊，本发明对所述点焊的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

在本发明中，所述预制坯的高度与直径或边长之比优选≤3.5。

得到预制坯后，本发明将所述预制坯进行热等静压处理，得到所述含易偏析元素的大规格金属坯料。

在本发明中，所述热等静压处理的工作压力优选为120～200MPa，更优选为150～180MPa，加热温度优选为900～1300℃，更优选为960～1250℃，最优选为1000～1200℃，保温时间优选为3～8h，更优选为5～6h。

所述热等静压处理完成后，本发明优选将所得热等静压处理产物炉冷至300℃出炉，得到所述含易偏析元素的大规格金属坯料。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料。

在本发明中，对所述含易偏析元素的大规格坯料中“大规格”的理解为：针对目前现有技术的常规手段制备的坯料规格而言，本发明可制备出的坯料规格是常规手段制备的坯料规格的2倍或2倍以上；

对所述“超大规格金属坯料”中“超大规格”的理解为：指不含易偏析元素的金属坯料受限于目前的制备手段，只能制备出较小规格的坯料，如钛合金只能制备出小于12t的坯料，NbTa合金只能制备出Φ250mm及以下规格的坯料，但通过本发明可制备出的坯料规格是常规手段制备的坯料规格的2倍或2倍以上，所以称为超大规格。

在本发明中，所述超大规格金属坯料优选包括两种或两种以上不同金属的复合坯料，优选为复合板提供坯料，目前的复合板仍以爆炸复合为主，无法制备出超大规格的复合板。但采用本发明可制备出超大规格坯料，从而实现超大规格复合板的制备。

本发明还提供了上述技术方案所述的含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料用于制备棒材、锻件和板材。

为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的含易偏析元素的大规格金属坯料、超大规格金属坯料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1：

将三块经三次真空自耗电弧熔炼的Φ560×1800mmTB5钛合金铸锭，经扒皮、切掉冒口后，在1000℃加热，保温250min，锻造为Φ845×700mm的圆柱状。然后，将锻造后的圆柱形坯料叠层时需要贴合的面进行铣削，去除氧化皮，并使铣削面的不平度≤1mm，其余面进行打磨去除氧化皮。将经过表面处理的单块TB5钛合金坯料进行叠层，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将预制坯进行热等静压，工作压力为120MPa，加热温度1300℃，保温时间3h，炉冷至300℃出炉，从而得到单重可达5.3t的大规格TB5钛合金坯料，为制备航空用大规格棒材或锻件提供优质的坯料。

实施例2：

将三块经凝壳炉熔炼的240×800×1000mmTi1023钛合金扁锭，经切冒口、后，对其中两个的一个大面及另外一块的两个大面进行铣削，露出新鲜的金属。将经过表面处理的单块Ti1023钛合金坯料进行叠层，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将大规格Ti1023钛合金预制坯进行热等静压，工作压力为200MPa，加热温度1300℃，保温时间3h，炉冷至300℃出炉，从而得到单重可达2.2t的大规格Ti1023钛合金坯料，为制备航空用大规格棒材或锻件提供优质的坯料。

实施例3：

将两块经真空自耗电弧炉熔炼的Φ560×1800mmTi5322钛合金铸锭，经扒皮、切掉冒口后，在1200℃加热，保温500min，锻造为Φ800×880mm的圆柱状。然后，将锻造后的圆柱形坯料叠层时需要贴合的面进行铣削，去除氧化皮，并使铣削面的不平度≤1mm，其余面进行打磨去除氧化皮。将经过表面处理的单块Ti5322钛合金坯料进行叠层，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将大规格Ti5322钛合金预制坯进行热等静压，工作压力为150MPa，加热温度1000℃，保温时间8h，炉冷至300℃出炉，从而得到单重可达3.9t的大规格Ti5322钛合金坯料，为制备装甲用大规格板材提供优质的坯料。

图3为实施例3中热等静压处理前孔洞、缩孔的宏观照片；图4为实施例3中热等静压处理后孔洞、缩孔的宏观照片，由图3～4可知，热等静压能够除局部小孔洞、疏松缺陷。

实施例4：

将三支经三次真空自耗电弧熔炼的Ф960×2600mm的TC4钛合金铸锭，经扒皮、切掉冒口后，在1100℃加热，保温690min，锻造为Φ1250×1458mm的圆饼状。然后将锻造后的圆饼状坯料叠层时需要贴合的面进行铣削，去除氧化皮，并使铣削面的不平度≤1mm，其余面进行打磨去除氧化皮。将经过表面处理的单块TC4钛合金坯料进行叠层，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将大规格TC4钛合金预制坯进行热等静压，工作压力180MPa，加热温度1200℃，保温6h，炉冷至300℃出炉，得到单重可达22t的大规格TC4钛合金坯料，为制备潜艇用超大规格筒体提供优质的坯料。

通过GBT6396-2008复合钢板力学及工艺性能试验方法对剪切强度进行测试，得到坯料结合面的结合强度为450MPa。

图5为实施例4中TC4坯料热等静压处理后层间结合情况宏观照片，由图5可知，说明TC4钛合金之间完全结合，未见未结合或界面开裂等现象。

实施例5：

将两块经三次真空自耗电弧熔炼的Ф1020×3600mm的TC4ELI钛合金铸锭，经扒皮、切掉冒口后，在1000℃加热，保温600min，锻造为Φ1500×1560mm的圆饼状。然后将锻造后的圆饼状坯料的一个面进行铣削，去除氧化皮，并使铣削的面不平度≤1mm，其余面进行打磨去除氧化皮。将经过表面处理的单块TC4ELI钛合金坯料进行叠层，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将大规格TC4ELI钛合金预制坯进行热等静压，工作压力180MPa，加热温度1000℃，保温8h，炉冷至300℃出炉，得到单重可达23t的大规格TC4ELI钛合金坯料，为制备海洋用超大规格板材提供优质的坯料。

实施例6：

将两支经真空自耗电弧熔炼得到的Φ960×2800mm的Ti80钛合金铸锭，经切冒口、扒皮后，在1200℃加热，保温690min，锻造为Φ1200×1300mm的方坯。然后将锻造后的方坯的一个面进行铣削，去除氧化皮，并使铣削的面不平度≤1mm。将经过表面处理的单块Ti80钛合金坯料进行叠层，并点焊。之后放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将大规格Ti80钛合金预制坯进行热等静压，工作压力200MPa，加热温度1300℃，保温5h，炉冷至300℃出炉，得到单重可达16t的大规格Ti80钛合金坯料，为制备海洋用超大规格环件提供优质的坯料。

实施例7：

将三块经真空感应炉+电渣重熔炉(VIM+ESR)两步法熔炼得到的Φ550mm、单重大于3吨的Inconel 690镍合金铸锭，经切冒口、扒皮后，在1300℃加热，保温560min，锻造为200×1300×1320mm的方坯。然后将锻造后的方坯料叠层时需要贴合的面进行铣削，去除氧化皮，并使铣削面的不平度≤1mm，其余面进行打磨去除氧化皮。将经过表面处理的单块Inconel 690镍合金坯料进行叠层、点焊，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将大规格Inconel690合金预制坯进行热等静压，工作压力200MPa，加热温度1300℃，保温5h，炉冷至300℃出炉，从而得到单重可达8.5t的超大规格Inconel690镍合金坯料，为制备核电用大规格筒体提供优质的坯料。

实施例8：

将三块经真空电子束熔炼得到的Φ250×1100mm的NbTi50合金铸锭，经切冒口、扒皮后，一火锻造为Φ400×380mm的圆饼状。然后将将锻造后的圆坯叠层时需要贴合的面进行铣削进行铣削，去除氧化皮。将经过表面处理的单块NbTi50合金坯料进行叠层、点焊，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将大规格NbTi50合金预制坯进行热等静压，工作压力120MPa，加热温度1250℃，保温5h，炉冷至300℃出炉，从而得到单重可达1t的超大规格NbTi50合金坯料，为制备大规格NbTi50超导磁体提供优质的坯料。

实施例9：

将三块经真空电子束熔炼得到的Φ250×1000mm的TaNb3铌合金铸锭，经切冒口、扒皮后，一火锻造为Φ400×350mm的圆饼状。然后将其中两个锻造后的圆饼状坯料的一个面及另外一个锻造后的圆饼状坯料的两个面进行铣削，去除氧化皮。将经过表面处理的单块TaNb3铌合金坯料进行叠层、点焊，放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

实施例10：

选择2块Φ1000×1000mm的Q235碳钢锭和2块Φ870×150mmR60702纯锆锭及一个Φ1000mm，厚65mm，高300mm的Q235碳钢环。车平钢锭的一个面和锆锭的两个表面，使得待结合表面无氧化层。给锆锭与锆锭相接触的两个面刷隔离剂，并晾干。将坯料按照钢板、锆板、锆板、钢环及钢板的顺序进行叠层，并将钢环与上、下两层钢锭进行点焊。之后将点焊后的预制坯料放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将封焊后的大规格锆-钢预制坯进行热等静压，工作压力为200MPa，加热温度900℃，保温时间6h，炉冷至300℃出炉，得到大规格的锆-钢复合坯料，为制备高可靠性的压力容器提供坯料。

通过GBT6396-2008复合钢板力学及工艺性能试验方法对剪切强度进行测试，得到坯料结合面的结合强度为280MPa。

图6为实施例10中Q235碳钢板和R60702纯锆板复合后坯料之间的结合面的宏观照片，图7为实施例10中Q235碳钢板和R60702纯锆板复合后坯料之间的结合面的金相照片，由图6～7可知，锆和钢紧密结合，未见未结合、开裂等缺陷。

实施例11：

选择2块厚度为200mm的45碳钢板和2块厚度为20mm的TC4钛板，将钢板切割至长宽尺寸为2190mm×2000mm，将TC4钛合金板切割至尺寸2100mm×1910mm，采用千叶轮自动打磨机处理纯钛板待结合表面和钢板的待结合表面，使得待结合表面无氧化层、板面呈现金属色。给TC4钛板之间相接触的两个面刷隔离剂，并晾干。将四块坯料按照钢板、TC4钛板、TC4钛板及钢板的顺序进行叠层，在TC4钛板坯料的周围放置钢封条，并将钢封条与上、下两层钢板进行点焊。之后将点焊后的预制坯料放入电子束焊机中，抽真空，当真空度达到10

将封焊后的大规格钛-钢预制坯进行热等静压，工作压力为150MPa，加热温度960℃，保温时间8h，炉冷至300℃出炉，得到大规格的钛-钢复合坯料，为制备高可靠性的压力容器提供坯料。

通过GBT6396-2008复合钢板力学及工艺性能试验方法对剪切强度进行测试，得到坯料结合面的结合强度为308MPa。

图8为实施例11中45钢板和TC4板复合后坯料之间的结合面的宏观照片，图9为实施例11中45钢板和TC4板复合后坯料之间的结合面的金相照片，由图8～9可知，锆和钢紧密结合，结合界面未见从图中可见，锆和钢紧密结合，未见未结合、开裂等缺陷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。