專利名稱:鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其包括軋機(jī)和高能脈沖電源，該軋機(jī)包括：軋輥，軋輥輸入側(cè)的開卷裝置，軋輥輸出側(cè)的收卷裝置，以及對(duì)應(yīng)設(shè)置在開卷裝置與軋輥之間和軋輥與收卷裝置之間用于支撐鈦合金帶材的第一支撐輥和第二支撐輥，所述軋輥和第一支撐輥之間設(shè)置兩個(gè)電接觸裝置；高能脈沖電源的正負(fù)輸出端對(duì)應(yīng)連接所述兩個(gè)電接觸裝置，用于向所述兩個(gè)電接觸裝置之間的鈦合金帶材提供頻率為60-760Hz、電壓為10-600V、脈沖寬度為10-6000μs的高能脈沖電流。通過該軋制系統(tǒng)處理后能獲得具有良好綜合力學(xué)性能的鈦合金帶材，且能夠降低軋制過程的變形抗力和避免帶材熱加工過程的氧化問題。
【專利說明】鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及鈦合金帶材軋制系統(tǒng)，更具體地說，是一種鈦合金帶材高效電致 塑性軋制系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界性的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，為了降低能耗和減少機(jī)動(dòng)機(jī)械 尾氣排放造成的環(huán)境污染，在航空、航天和汽車等領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)輕量化所帶來的效益十分顯 著，包括可以提高飛行器和機(jī)動(dòng)車輛的機(jī)動(dòng)性，減少油耗，降低了對(duì)運(yùn)送工具的要求和運(yùn)送 的費(fèi)用。汽車、商（軍）用飛行器是量大而廣的交通工具，材料結(jié)構(gòu)微小的改進(jìn)，就會(huì)產(chǎn)生 顯著的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料（鋼鐵、鋁等）在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中面臨節(jié)能、降耗、減排和環(huán) 保的嚴(yán)峻形勢(shì)。在這種情況下，應(yīng)用和開發(fā)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料鈦合金已成為近幾年國(guó)內(nèi)外研宄 和發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
[0003] 鈦合金是一種重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，尤其是鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性 強(qiáng)、可焊、中溫性能好和無磁等優(yōu)點(diǎn)，使之在航空、航天、船艦、兵器、核能、交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)、軍 事和電子、信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此金屬鈦合金被譽(yù)為"21世紀(jì)最重要的綠 色工程材料"。
[0004] 近年來，TC4鈦合金作為最重要的王牌商業(yè)鈦合金之一得到飛速的發(fā)展和廣泛的 應(yīng)用，但目前變形鈦合金在應(yīng)用面上還遠(yuǎn)不如鑄造鈦合金，主要是基于鈦合金室溫下加工 塑性差（韌性低）的限制性：低溫下，鈦合金主要以a-Ti的形式存在，a-Ti屬于密排六 方晶體結(jié)構(gòu)，滑移系少，只有三個(gè)幾何滑移系和兩個(gè)獨(dú)立滑移系，容易出現(xiàn)孿生現(xiàn)象（加工 性能差，單道次變形量?jī)H為25%以下）。目前變形鈦合金帶材的軋制加工方法主要包括：
[0005] 完全退火后冷軋。變形鈦合金在經(jīng)過一系列變形（如熱擠、熱軋）后，通過 700-800°C、約30分鐘至1小時(shí)左右的再結(jié)晶退火，進(jìn)入冷軋工序來獲得帶材產(chǎn)品。該方法 產(chǎn)品表面質(zhì)量較好，但此時(shí)兩次退火間的總軋制變形率不超過35%，否則出現(xiàn)軋裂現(xiàn)象。因 此如需獲得箔材，需反復(fù)多次進(jìn)行中間退火處理。因該方法退火工序太多，而不適于實(shí)際生 產(chǎn)；
[0006] 熱軋加工。通過升高溫度增加滑移系（彡850°C)的手段增加其塑性變形能力，因 此可提高兩次退火間的總軋制變形率（25% -40% )來減少退火次數(shù)。目前加熱方式又可 分為爐卷加熱、在線超高頻加熱、直接熱輥三種。此三種方式都是利用了溫度效應(yīng)來提高軋 制變形能力，均帶來表面質(zhì)量難以保證（易氧化變色）、產(chǎn)品尺寸精度難以控制（乳棍加熱 后剛度下降）、材料性能較低（升高溫度造成晶粒尺寸偏大）等諸多問題。另外由于加熱的 過程中存在溫度場(chǎng)不均勻及材料軋制過程中加熱時(shí)間不相等等因素，還會(huì)帶來板、帶材性 能一致性差等問題。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0007] 鑒于現(xiàn)有鈦合金帶材軋制加工存在上述缺陷，本實(shí)用新型的目的是提供一種鈦合 金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，通過該軋制系統(tǒng)處理后能獲得具有良好綜合力學(xué)性能的鈦 合金帶材，且能夠降低軋制過程的變形抗力和避免帶材熱加工過程的氧化問題。
[0008] 為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：
[0009] 一種鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其包括：
[0010] 軋機(jī)，該軋機(jī)包括：乳棍，軋輥輸入側(cè)的開卷裝置，軋輥輸出側(cè)的收卷裝置，以及對(duì) 應(yīng)設(shè)置在開卷裝置與軋輥之間和軋輥與收卷裝置之間用于支撐鈦合金帶材的第一支撐輥 和第二支撐輥，所述軋輥和第一支撐輥之間設(shè)置兩個(gè)電接觸裝置；以及
[0011] 高能脈沖電源，其正負(fù)輸出端對(duì)應(yīng)連接所述兩個(gè)電接觸裝置，用于向所述兩 個(gè)電接觸裝置之間的鈦合金帶材提供頻率為60-760HZ、電壓為10-600V、脈沖寬度為 10-6000ys的高能脈沖電流。
[0012] 為了使軋制處理后的鈦合金帶材的組織為由細(xì)小但不均勻的等軸組織組成的細(xì) 晶化組織，優(yōu)選地，所述高能脈沖電源的輸出參數(shù)包括：頻率60-460HZ、電壓10-600V、脈 沖寬度10-6000ys。更優(yōu)選地，所述高能脈沖電源的輸出參數(shù)包括：頻率60-90HZ、電壓 10-600V、脈沖寬度 300-6000ys。
[0013] 為了使軋制處理后的鈦合金帶材的組織為均勻的超細(xì)晶等軸組織，優(yōu)選地，所述 高能脈沖電源的輸出參數(shù)包括：頻率420-760HZ、電壓10-600V、脈沖寬度10-6000ys。
[0014] 在上述鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)中，所述兩個(gè)電接觸裝置之間的距離優(yōu) 選10-1800mm。更優(yōu)選地，所述兩個(gè)電接觸裝置分別為所述第一支撐輥和軋輥。進(jìn)一步，所 述第一支撐輥?zhàn)詈糜蓛蓚€(gè)導(dǎo)電輪組成，且導(dǎo)電輪的輪面設(shè)計(jì)為槽狀，這樣在軋制加工中，導(dǎo) 電輪與開卷鈦材形成一定的包角，能夠保證接觸良好，減少接觸電阻。
[0015] 在上述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)中，進(jìn)一步還可以包括：電流采樣裝 置、和/或計(jì)時(shí)裝置、和/或溫度測(cè)量裝置，該電流采樣裝置連接于所述高能脈沖電源的輸 出回路，該計(jì)時(shí)裝置連接于所述高能脈沖電源的輸出回路。該溫度測(cè)量裝置用于測(cè)量?jī)蓚€(gè) 電接觸裝置之間的鈦合金帶材（即被加工帶材加電區(qū)段）的溫度。
[0016] 在上述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)中，沒有額外的加熱裝置和冷卻裝 置。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 其由軋機(jī)和具有特定輸出參數(shù)的高能脈沖電源構(gòu)成，高能脈沖電源與軋機(jī)上的電 接觸裝置連接，能夠在鈦合金帶材被軋制前向其施加特定的高能脈沖電流，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng) 該系統(tǒng)處理后能夠有效改善鈦合金的顯微組織，從而大幅度提高材料的綜合力學(xué)性能；
[0019] 經(jīng)實(shí)驗(yàn)，采用本軋制系統(tǒng)軋制TC4鈦合金帶材，延伸率可達(dá)43. 6%以上，而采用現(xiàn) 有冷軋工藝處理，延伸率僅有6. 8%，可見，采用本軋制系統(tǒng)能夠降低軋制過程的變形抗力， 從而能夠提高單道次極限變形率，降低軋制成本；
[0020] 采用本軋制系統(tǒng)，被處理帶材上任何一點(diǎn)完全處理的時(shí)間在16秒鐘以內(nèi)，而且處 理最高溫度為350°C-660°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熱軋工藝溫度850°C，在低溫和短時(shí)間內(nèi)鈦合金 帶材不會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象；
[0021] 其能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，廣泛適用于可熱處理強(qiáng)化的鈦合金帶材 的尚效乳制和提尚廣品的綜合力學(xué)性能。

【附圖說明】

[0022] 圖1為本實(shí)用新型鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
[0024] 參照?qǐng)D1，本鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)包括：乳機(jī)，高能脈沖電源4。
[0025] 軋機(jī)包括：第一支撐輥1，軋輥2,第二支撐輥3,開卷裝置5,收卷裝置6。開卷裝 置5位于乳棍2的輸入側(cè)，收卷裝置6位于乳棍2的輸出側(cè)。第一支撐棍1和第二支撐棍 3對(duì)應(yīng)設(shè)置在開卷裝置5與軋輥2之間、以及軋輥2與收卷裝置6之間，用于支撐鈦合金帶 材。第一支撐輥1和軋輥2同時(shí)還作為電接觸裝置，顯然，乳輥2和第一支撐輥1均應(yīng)與軋 機(jī)的機(jī)架絕緣。
[0026] 高能脈沖電源4的正負(fù)輸出端對(duì)應(yīng)連接第一支撐輥1和軋輥2 (即兩個(gè)電接觸 裝置），用于向第一支撐輥1和軋輥2之間的鈦合金帶材提供頻率為60-760HZ、電壓為 10-600V、脈沖寬度為10-6000ys的高能脈沖電流。高能脈沖電源4的功率可為5-80KW。
[0027] 來自開卷裝置5的鈦合金帶材7經(jīng)過第一支撐輥1、軋輥2、第二支撐輥3到收卷 裝置6卷繞緊，鈦合金帶材與軋輥2緊密彈性接觸，旋轉(zhuǎn)的軋輥2通過摩擦力帶動(dòng)鈦合金帶 材7以一定速度向收卷裝置6方向傳輸；第一支撐棍1與乳棍2分別連接高能脈沖電源4 的正、負(fù)輸出端，高能脈沖電源4通過該第一支撐輥1和軋輥2將高能脈沖電流輸入到第一 支撐輥1和軋輥2之間的運(yùn)動(dòng)的鈦合金帶材（即鈦合金帶材7的加電區(qū)域段7'），高能脈 沖電流在鈦合金帶材的加電區(qū)域段7'產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，對(duì)該加電區(qū)域段同時(shí)進(jìn) 行高效電致塑性軋制。電致塑性軋制后的鈦合金帶材在室溫空氣中自然冷卻，經(jīng)第二支撐 輥3由收卷裝置6收卷，無需導(dǎo)入任何額外的冷卻介質(zhì)強(qiáng)制冷卻。
[0028] 軋輥2和鈦合金帶材7之間緊密彈性接觸，乳輥2對(duì)鈦合金帶材7產(chǎn)生塑性變形， 鈦合金帶材7的運(yùn)動(dòng)速度為0. 6-160mpm，該速度可通過軋輥2的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來調(diào)整。而軋輥 2的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可由控制軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的變頻器和馬達(dá)調(diào)整控制（圖中未畫出）。
[0029] 第一支撐輥1由一對(duì)采用銅-石墨制成的直徑為140-160mm、寬度約為軋輥2寬度 的導(dǎo)電輪構(gòu)成。導(dǎo)電輪的輪面11設(shè)計(jì)為槽狀，這樣在軋制加工中，導(dǎo)電輪與開卷鈦材形成 一定的包角，能夠保證接觸良好，減少接觸電阻。兩導(dǎo)電輪中心連線的中點(diǎn)與軋輥2中心連 線的中點(diǎn)間的距離（即兩個(gè)電接觸裝置之間的距離）可在10-1800mm范圍內(nèi)調(diào)整，該距離 可根據(jù)來料的截面尺寸、來料的狀態(tài)和軋輥2的旋轉(zhuǎn)速度來做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，如來料的截面 尺寸越大、乳輥2的旋轉(zhuǎn)速度越大，則該距離相應(yīng)加長(zhǎng)，反之亦然。導(dǎo)電輪也可采用彌散強(qiáng) 化銅或黃銅等導(dǎo)電性較好且耐磨的材料制成。
[0030] 在上述軋制系統(tǒng)中進(jìn)一步還包括：電流采樣裝置8、計(jì)時(shí)裝置9、溫度測(cè)量裝置10 及溫度存儲(chǔ)分析裝置11。該電流采樣裝置8連接于所述高能脈沖電源4的輸出回路，該計(jì) 時(shí)裝置9連接于所述高能脈沖電源4的輸出回路。該溫度測(cè)量裝置10和溫度存儲(chǔ)分析裝 置11用于測(cè)量和存儲(chǔ)被加工帶材加電區(qū)段7'的溫度。
[0031] 在上述軋制系統(tǒng)中，在軋輥2帶動(dòng)鈦合金帶材向收卷裝置6方向傳輸時(shí)，通過第一 支撐輥1和軋輥2將高能脈沖電源4輸出的高能脈沖電流輸入到運(yùn)動(dòng)的鈦合金帶材的加電 區(qū)域段7'，對(duì)其進(jìn)行高效電致塑性軋制，處理過程處于室溫的空氣中，無需任何額外的冷卻 介質(zhì)對(duì)材料進(jìn)行冷卻。在鈦合金帶材加電區(qū)域段7'輸入高能脈沖電流對(duì)該區(qū)域段進(jìn)行高 效電致塑性軋制的溫度為350°C_660°C。所述鈦合金帶材的加電區(qū)域段長(zhǎng)度為10_1800mm。
[0032]實(shí)驗(yàn)1:
[0033] 來料為經(jīng)去應(yīng)力退火后的TC4鈦合金帶材，厚度為1.6mm，寬度為6. 0mm。
[0034] 對(duì)該TC4鈦合金帶材進(jìn)行冷乳，在冷軋至1. 20mm后開始出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，即臨界變 形下壓率只有25%。
[0035] 用本實(shí)用新型電致塑性軋制系統(tǒng)對(duì)將該TC4鈦合金帶材進(jìn)行高效電致塑性軋 制，帶材傳輸速度6mpm，兩個(gè)電接觸裝置間的距離為360mm，高能脈沖電源的參數(shù)為：頻率 660Hz，電壓20V，脈沖寬度80ys。軋制至0.5mm仍未開裂，而且軋制后材料表面光潔度與 冷軋無差異，可見即單道次總變形率超過68. 75 %。
[0036] 實(shí)驗(yàn)2 :分別用電致塑性軋制和冷軋軋至1. 2mm厚進(jìn)行對(duì)比
[0037] 來料為完全退火態(tài)的TC4鈦合金帶材，厚度為1. 6_，寬度為5.0_。
[0038] 用本實(shí)用新型電致塑性軋制系統(tǒng)進(jìn)行電致塑性軋制中，帶材傳輸速度6mpm，兩 個(gè)電接觸裝置間的距離為225mm。一號(hào)實(shí)驗(yàn)中采用的高能脈沖電源為輸出電壓20V，頻率 360Hz，脈沖寬度為80ys的高能脈沖電源。二號(hào)實(shí)驗(yàn)中采用的高能脈沖電源為輸出電壓 20V，頻率660Hz，脈沖寬度為80ys的高能脈沖電源。
[0039] 表1示出了電致塑性軋制和冷軋后帶材的力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0040]表1
[0041]

【權(quán)利要求】
1. 一種鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，包括： 軋機(jī)，該軋機(jī)包括：乳輥，乳輥輸入側(cè)的開卷裝置，乳輥輸出側(cè)的收卷裝置，以及對(duì)應(yīng)設(shè) 置在開卷裝置與軋輥之間和軋輥與收卷裝置之間用于支撐鈦合金帶材的第一支撐輥和第 二支撐輥，所述軋輥和第一支撐輥之間設(shè)置兩個(gè)電接觸裝置；以及 高能脈沖電源，其正負(fù)輸出端對(duì)應(yīng)連接所述兩個(gè)電接觸裝置，用于向所述兩個(gè)電接觸 裝置之間的鈦合金帶材提供頻率為60-760HZ、電壓為10-600V、脈沖寬度為10-6000 y s的 高能脈沖電流。2. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，所述高能脈 沖電源的輸出參數(shù)包括：頻率60-460HZ、電壓10-600V、脈沖寬度10-6000 y s。3. 如權(quán)利要求2所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，所述高能脈 沖電源的輸出參數(shù)包括：頻率60-90HZ、電壓10-600V、脈沖寬度300-6000 y s。4. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，所述高能脈 沖電源的輸出參數(shù)包括：頻率420-760HZ、電壓10-600V、脈沖寬度10-6000 y s。5. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)電 接觸裝置之間的距離為10_1800mm。6. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)電 接觸裝置分別為所述第一支撐輥和軋輥。7. 如權(quán)利要求6所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一支 撐輥由兩個(gè)導(dǎo)電輪組成，導(dǎo)電輪的輪面呈槽狀。8. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，該軋制系統(tǒng) 還包括： 電流采樣裝置，該電流采樣裝置連接于所述高能脈沖電源的輸出回路；和/或 計(jì)時(shí)裝置，該計(jì)時(shí)裝置連接于所述高能脈沖電源的輸出回路；和/或 用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)電接觸裝置之間的鈦合金帶材的溫度的裝置。9. 如權(quán)利要求1所述的鈦合金帶材高效電致塑性軋制系統(tǒng)，其特征在于，該軋制系統(tǒng) 沒有加熱裝置和冷卻裝置。
【文檔編號(hào)】B21B3-02GK204294619SQ201420707103
【發(fā)明者】唐國(guó)翌, 葉肖鑫, 宋國(guó)林 [申請(qǐng)人]清華大學(xué)深圳研究生院