1.一种厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
S1)板坯
选用厚度为200~500mm的Ti80钛合金板坯;
S2)板坯轧制
板坯加热后经1~2火次轧制得到厚度50~180mm的板材，加热温度Tβ-(10~80)℃，轧制总变形量60~90%;1火次轧制时分两阶段，第二阶段的轧制温度较第一阶段温度低20~40℃;2火次轧制时，第2火次轧制温度较第1火次温度低30~50℃，终轧温度≥Tβ-250℃，其中，Tβ表示所述钛合金板坯β相变点温度，单位℃;
S3)板材矫直
板材经矫直处理后空冷至室温。
2.如权利要求1所述厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，所述Ti80钛合金板坯上表面和下表面分别复合厚度1.5~3mm纯钛板，所述纯钛板不与钛合金板坯接触的表面涂覆防氧化及隔热涂料。
3.如权利要求1或2所述厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，所述Ti80钛合金板坯的成分质量百分比为：5.8%≤Al≤6.2%，2.8%≤Nb≤3.2%，1.8%≤Zr≤2.2%，0.9%≤Mo≤1.5%，0
4.如权利要求1所述厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，步骤S2)中，板坯加热保温使用的加热炉中温度的均匀性在±10℃。
5.如权利要求1或4所述厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，步骤S2)中，轧制火次为1火次的具体控制为：
S1)板坯加热
加热温度Tβ-(10~80)℃，保温时间t=(1.2~3.0)×H，其中，t，单位min，H为板坯厚度，单位mm;
S2)第一阶段轧制
轧制总变形量控制在20~35%，第一道次变形量为2~3%，其余道次变形量为4~8%;轧完板坯表面温度为T1;
S3)第二阶段轧制
待板坯表面温度降低到T1以下20~40℃时开始第二阶段轧制，轧制采用低速大压下，总变形量为30~50%;第一道次变形量为5~7%，其余道次变形量为9~17%。
6.如权利要求1所述厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，步骤S2)中，轧制火次为2火次的具体控制为：
S21)板坯加热
加热温度为Tβ-(10~80)℃，保温时间t=(1.2~3.0)×H，其中，t，单位min，H为板坯厚度，单位mm;
S22)第1火轧制
轧制总变形量控制在20~35%，得到轧坯;第一道次变形量为2~3%，其余道次变形量为4~8%;
S23)回炉加热
轧坯回炉加热，加热温度比第1火板坯加热温度低10~20℃，保温时间t=(0.8~1.5)×h，其中，t，单位min，h为轧坯厚度，单位mm;
S24)第2火轧制
轧坯出炉后待表面温度降低20~30℃开始轧制，轧制总变形量为30~50%;第一道次变形量为5~7%，其余道次变形量为9~17%。
7.如权利要求1所述厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，步骤S2)中，轧制速度控制在1.2~2.5m/s。
8.如权利要求1所述厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，其特征是，所述步骤S3)中，
板材厚度≥90mm，采用轧机平整;平整道次2~3次，单道次压下量0.5~1.0mm;
板材厚度<90mm，采用矫直机平整，矫直道次1~3次，矫直速度0.5~1.0 m/s。
9.一种采用权利要求1~8中任意一项所述方法制备得到的Ti80钛合金板，其特征在于，所述钛合金板厚度为50~180mm;
所述钛合金板退火后的显微组织为均匀的双态组织，初生α相呈等轴状，晶粒尺寸为12~25μm，初生α相含量为20~30%;
所述钛合金板各位置的抗拉强度≥840MPa，屈服强度≥740MPa，断后伸长率A≥12%，断面收缩率Z≥39%，冲击韧性KV2>50J。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于钛合金热加工技术领域，具体涉及一种厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板及制备方法。
背景技术
[0002]Ti80钛合金是我国自主研发的一种近α型钛合金，具有优异综合性能，目前广泛用于舰船、深潜器耐压壳体等海洋工程装备上，其主要形态为板材。近年来，随着海洋工程装备升级，Ti80板材厚度从25mm以下逐步增厚至50~180mm。
[0003]对于相对较薄的中厚板，中国专利CN109504876公开了一种高冲击韧性的Ti80中厚板及其制备方法与应用，制备的板坯厚度为10~24mm，轧制过程心部容易轧透，表层和心部的组织和性能差异小。但是对于厚度≥50mmTi80钛合金板材，对应板坯的厚度相应增加，轧制难度增大，轧制变形难以渗透到热轧板心部，引起表面、心部组织严重不一致，给后续热处理组织调控带来难度，在性能上反映为厚度≥50mm的板材1/2厚度位置冲击韧性偏低，甚至不满足设计标准。
[0004]除了轧制工艺难度大以外，现有钛加工厂轧机也存在不足，在轧制厚度超过50mm以上板材时普遍存在如下问题：
(1)轧机开口度小，板坯厚度受限，导致板材沿厚度方向的总变形量偏小;
(2)轧制力和扭矩小，对于Ti80等高变形抗力钛合金，轧制过程道次变形量小，变形难以渗透到心部;
(3)轧机自动化程度低，工艺重复性、产品质量的稳定性不足。
[0005]现代钢厂具有大型轧机，其轧制力和扭矩大，开口度大，过程自动化程度高，特别适合宽厚板的批量性轧制。
发明内容
[0006]本发明的目的在于提供一种厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板及制备方法，提高厚度超过50mm的Ti80钛合金板材的表层和心部组织均匀性，提升板材心部冲击韧性，获得的钛合金板各位置的抗拉强度≥840MPa，屈服强度≥740MPa，断后伸长率A≥12%，断面收缩率Z≥39%，冲击韧性KV2>50J。
[0007]为达到以上目的，本发明的技术方案如下：
一种厚度≥50mm高冲击韧性Ti80钛合金板的制备方法，包括如下步骤：
S1)板坯
选用厚度为200~500mm的Ti80钛合金板坯;
S2)板坯轧制
加热后的板坯经过1~2火次轧制得到厚度50~180mm的板材，加热温度Tβ)(-10~80℃;轧制总变形量60~90%，1火次轧制时分两阶段，第二阶段的轧制温度较第一阶段温度低20~40℃;2火次轧制时，第2火次轧制温度较第1火次温度低30~50℃，终轧温度≥Tβ-250℃，其中，Tβ表示所述钛合金板坯β相变点温度，单位℃;
S3)板材矫直
板材经矫直处理后空冷至室温。
[0008]优选的，所述Ti80钛合金板坯上表面和下表面分别复合厚度1.5~3mm纯钛板，所述纯钛板不与钛合金板坯接触的表面涂覆防氧化及隔热涂料。
[0009]优选的，所述Ti80钛合金板坯中各组分的质量百分比为：5.8%≤Al≤6.2%，2.8%≤Nb≤3.2%，1.8%≤Zr≤2.2%，0.9%≤Mo≤1.5%，0
[0010]优选的，步骤S2)中，板坯加热保温使用的加热炉中温度的均匀性在±10℃。
[0011]优选的，步骤S2)中，轧制火次为1火次的具体控制为：
S21)板坯加热
加热温度Tβ-(10~80)℃，保温时间t=(1.2~3.0)×H，其中，t，单位min，H为板坯厚度，单位mm;
S22)第一阶段轧制
轧制总变形量控制在20~35%，第一道次变形量为2~3%，其余道次变形量为4~8%;轧完板坯表面温度为T1;
S23)第二阶段轧制
待板坯表面温度降低到T1以下20~40℃时开始第二阶段轧制，轧制采用低速大压下，总变形量为30~50%;第一道次变形量为5~7%，其余道次变形量为9~17%。
[0012]优选的，步骤S2)中，轧制火次为2火次的具体控制为：
S21)板坯加热
加热温度为Tβ-(10~80)℃，保温时间t=(1.2~3.0)×H，其中，t，单位min，H为板坯厚度，单位mm;
S22)第1火轧制
轧制总变形量控制在20~35%，得到轧坯;第一道次变形量为2~3%，其余道次变形量为4~8%;
S23)回炉加热
轧坯回炉加热，加热温度比第1火板坯加热温度低10~20℃，保温时间t=(0.8~1.5)×h，其中，t，单位min，h为轧坯厚度，单位mm;
S24)第2火轧制
轧坯出炉后待表面温度降低20~30℃开始轧制，轧制总变形量为30~50%;第一道次变形量为5~7%，其余道次变形量为9~17%。
[0013]优选的，步骤S2)中，轧制速度控制在1.2~2.5m/s。
[0014]优选的，所述步骤S3)中;
板材厚度≥90mm，采用轧机平整;平整道次2~3次，单道次压下量0.5~1.0mm;
板材厚度<90mm，采用矫直机平整，矫直道次1~3次，矫直速度0.5~1.0 m/s。
[0015]本发明获得的钛合金板经退火后显微组织为均匀的双态组织，初生α相呈等轴状，平均晶粒尺寸为12~25μm，初生α相含量为20~30%;所述钛合金板各位置的抗拉强度≥840MPa，屈服强度≥740MPa，断后伸长率A≥12%，断面收缩率Z≥39%，冲击韧性KV2>50J。
[0016]在本发明所述制造方法中：
本发明在板坯轧制过程中，控制轧制总变形量在60~90%，以保证坯料在轧制及后续的热处理时发生充分的再结晶，进而获得均匀、细化的组织。
[0017]控制终轧温度≥Tβ-250℃，以保证表面质量，同时太低温度轧制容易产生绝热剪切带，影响组织和性能。
[0018]本发明轧制工艺，板材轧制方案可为1~2火次轧制。
[0019]轧制过程中板坯有一个冷却的过程(间歇式冷却)，使板坯表面有温降的过程，1火次轧制时分两阶段，第二阶段的轧制温度较第一阶段温度低20~40℃;2火次轧制时，第2火次轧制温度较第1火次温度低30~50℃，在1火次或2火次轧制时，会存在一个冷却的过程，使板坯表面温度存在一定的温降，其目的是为了实现中间态板坯表面微硬化，使变形跟容易渗透到“软化”的钛合金板心部，细化心部组织，改善心部韧性。
[0020]进一步，板坯加热温度及时间的控制。
[0021]坯料加热温度太低则轧制过程板材表面容易开裂;若太高，则坯料进入单相区或轧制过程变形热使得坯料心部进入单相区，影响最终板材的组织性能。保温时间以烧透为准，时间太长则晶粒长大，影响最终的组织。优选的，采用电炉加热，加热保温温度为Tβ-(10~80)℃，保温时间t=(1.2~3.0)×H，其中，t，单位min，H为板坯厚度，单位mm，公式在计算式只带入系数，不带入符号进行运算。
[0022]进一步，对于1火次轧制，可分为3个阶段：
第1阶段是在较高的温度Tβ-(10~80)℃下轧制变形，细化表层组织，提高塑性，以防止后续低温轧制时表层开裂。
[0023]第2阶段对板坯温度进行控制，实现中间态板坯表面微硬化。当板坯表面温度比第1阶段结束时温度低20~40℃时控温结束;若控温温度过低，则后续轧制变形抗力太大，设备压力增加，且表面开裂风险增加。
[0024]第3阶段采用大变形轧制工艺，总变形量控制在30~50%，使变形渗透到“软化”的钛合金板心部，细化心部组织，改善心部韧性。
[0025]进一步，对于2火次轧制，第1火次轧制与1火轧制方案中的第1阶段相同，在较高的温度Tβ-(10~80)℃下轧制变形，细化表层组织，提高塑性，以防止后续低温轧制时表层开裂;
第2火次轧制加热温度比第1火次温度低10~20℃，一方面防止a晶粒长大，另一方面又保证后续轧制时心部足够的温度。坯料出炉后待表面温度降低20~30℃开始轧制，其目的也是为了实现中间态板坯表面微硬化，使变形渗透到“软化”的钛合金板心部。
[0026]1火次轧制方案中第1阶段轧制或2火次轧制方案中第1火轧制时，坯料较厚，考虑到设备轧制力和扭矩的限制，第一道次变形量控制在2~3%，其余道次变形量控制在4~8%。
[0027]1火次轧制方案中第二阶段轧制或2火次轧制方案中第2火轧制时，坯料已经减薄，为了使心部能够充分的变形，适当增加道次变形量。第一道次变形量控制在5~7%，后续道次变形量控制在9~17%。
[0028]轧制速度控制在1.2~2.5m/s，选择上兼顾坯料轧制时间及抛钢时间。轧制速度太慢，则表面温降大，表面开裂风险增大;轧制速度太快，则抛钢距离长，板坯再次咬入辊子的时间也增长;同时短时间产生大量的变形热，引起组织不均。
[0029]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用1~2火次轧制得到50~180mm的厚规格板材，在轧制过程中板坯有一个冷却的过程(间歇式冷却)，使板坯表面有温降的过程，即1火次轧制时坯料中间停留使得板坯表面温降20~40℃，或者2火轧制时第2火轧制前待坯料温降20~30℃后开始轧制，实现厚规格化的中间态板坯表面微硬化，同时通过控制轧制变形量及变形量的分配，使得变形更容量渗透到“软化”的心部，细化心部组织，从而使板坯表层和心部的显微组织均匀、细小，改善心部韧性;能够了解决50~180mm厚规格Ti80钛合金板表面、心部组织严重不一致，从而导致钛合金板(厚度≥50mm)心部冲击韧性不足的技术问题。而现有技术中的轧制方法不存在轧制过程中降温这步操作。
[0030](2)采用本发明方法生产的Ti80钛合金厚板经退火处理后，表层和心部显微组织均匀性好，初生α相呈等轴状，晶粒尺寸12~25μm，初生α相含量20~30%，表面和心部抗拉强度≥840MPa，屈服强度≥740MPa，断后伸长率A≥12%，断面收缩率Z≥39%，冲击韧性KV2>50J。
[0031]针对现有钛加工厂轧机存在的问题，针对本发明采用1~2火次轧制的工艺，可以直接利用钢厂先进的轧制产线进行钛合金的轧制，轧线自动化程度高，轧制参数控制准确，保证板材组织性能的均匀性。
附图说明
[0032]图1为本发明实施例1中制备的板材外观形貌;
图2为本发明实施例1中经退火处理后的板材显微组织图片;
图3为本发明实施例2中制备的板材外观形貌;
图4为本发明实施例2中经退火处理后的板材显微组织图片;
图5为对比例中经退火处理后的板材显微组织图片。
具体实施方式
[0033]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0034]实施例1
规格125×214×4550mm Ti80钛合金板材的制造方法，包括如下步骤：
S1)复合板坯
钛合金板坯上表面和下表面分别爆炸复合厚度2mm纯钛板，然后涂覆防氧化及隔热涂料，得到复合板坯规格为380×1500×2200mm;
S2)板坯轧制(1火次)
S21)采用电炉加热，复合板坯在980℃加热保温600min，随后出炉进行第一阶段轧制;
S22)第一阶段轧制
轧制总变形量控制在30.5%，第一道次变形量为2.9%，其余道次变形量为4~8%，轧完板坯表面温度为940℃;
S23)第二阶段轧制
待板坯温度降低到900℃时开始第二阶段轧制，轧制总变形量控制在36.6%，第一道次变形量为5.7%，其余道次变形量为9~17%，终轧温度810℃;轧制板材规格125×214×4550mm;
S3)板材矫直
采用轧机进行矫直，平整3道次，道次压下量分别为1mm、0.8mm和0.5 mm。
[0035]图1为本发明实施例1制备的板材外观形貌，从图1可以看出，板材的外观，板形良好，表面无明显开裂。
[0036]图2为本发明实施例1中经退火处理后的板材显微组织，左：表层;右：厚度/2，从图2可以看出，板材的表层和心部均为双态(α+β)组织，初生α相晶粒尺寸为18~22μm;表层初生α相含量25%，心部初生α相含量30%。
[0037]实施例2
规格65×2150×7400mm Ti80钛合金板材的制造方法，包括如下步骤：
S1)复合板坯
钛合金板坯上表面和下表面分别爆炸复合厚度2.5mm纯钛板，然后涂覆防氧化及隔热涂料，得到复合板坯规格为200×1600×3200mm;
S2)板坯轧制(1火次)
S21)采用电炉加热，复合板坯在970℃加热保温250min，随后出炉进行1火轧制;
S22)第一阶段轧制
轧制总变形量控制在25%，第一道次变形量为3.0%，其余道次变形量为4~8%，轧完板坯表面温度为940;
S23)第二阶段轧制
待板坯表面温度降低到比920℃时开始第二阶段轧制，轧制变形量42.5%，第一道次变形量为6.7%，其余道次变形量为9~17%，终轧温度800℃，轧制后的板材规格65×2150×7400mm;
S3)板材矫直
采用矫直机进行矫直3道次，出口缝隙65mm。
[0038]经退火后板材的显微组织为双态(α+β)组织，初生α相晶粒尺寸为18~22μm;表层初生α相含量20%，心部初生α相含量27%。
[0039]实施例3
规格55×2250×14000mm Ti80钛合金板材的制造方法，包括如下步骤：
S1)复合板坯
钛合金板坯上表面和下表面分别爆炸复合厚度2mm纯钛板，然后涂覆防氧化及隔热涂料，得到复合板坯规格为400×1600×2700mm;
S2)板坯轧制(2火次)
S21)采用加热炉加热，复合板坯在965℃加热保温700min，随后出炉进行2火次轧制;
S22)第1火轧制
沿横向展宽到2240mm，此火次轧制变形量20%，第一道次变形量为2.5%，其余道次变形量为4~8%，得到轧坯厚度280mm;
S23)板坯回炉加热
轧坯回炉加热，加热温度945℃，加热保温时间300min;
S24)第2火轧制
待轧坯表面温度降低到920℃时开始轧制，轧制总变形量40%，第一道次变形量为5.4%，其余道次变形量为9~17%，终轧温度810℃，轧制后的板材规格55×2250×14000mm;
S3)板材矫直
采用矫直机进行矫直3道次，出口缝隙55mm。
[0040]图3为本发明实施例3中制备的板材外观形貌，从图3可以看出，板材的外观，板形良好，表面无明显开裂。
[0041]图4为本发明实施例3中经退火处理后的板材显微组织图片，从图4可以看出，板材的表层和心部均为双态(α+β)组织，初生α相晶粒尺寸为18~22μm;表层初生α相含量20%，心部初生α相含量27%。
[0042]实施例4
规格55×2250×14000mm Ti80钛合金板材的制造方法，包括如下步骤：
S1)复合板坯
钛合金板坯上表面和下表面分别爆炸复合厚度2mm纯钛板，然后涂覆防氧化及隔热涂料，得到复合板坯规格为400×1600×2700mm;
S2)板坯轧制(2火次)
S21)采用电炉加热，复合板坯在965℃加热保温700min，随后出炉进行2火次轧制;
S22)第1火轧制
沿横向展宽到2240mm，此火次轧制变形量28%，第一道次变形量为2.0%，其余道次变形量为4~8%，得到轧坯厚度280mm;
S23)板坯回炉加热
轧坯回炉加热，加热温度950℃，加热保温时间400min;
S24)第2火轧制
待轧坯表面温度降低到920℃时开始轧制，轧制总变形量50%，第一道次变形量为5.6%，其余道次变形量为9~17%，终轧温度820℃，轧制后的板材规格180×2200×5400mm;
S3)板材矫直
采用轧机进行矫直，平整3道次，道次压下量分别为1mm、0.8mm和0.5 mm。
[0043]经退火后黑皮板材的显微组织为双态(α+β)组织，初生α相晶粒尺寸为18~25μm;表层初生α相含量21%，心部初生α相含量26%。
[0044]对比例1
规格134×2130×3750mm Ti80钛合金板材的制造方法，包括如下步骤：
S1)复合板坯
钛合金板坯上表面和下表面分别爆炸复合厚度2mm纯钛板，然后涂覆防氧化及隔热涂料，得到复合板坯规格为240×1500×3000mm;
S2)板坯轧制(1火次)
采用电炉加热，复合板坯在970℃加热保温400min，随后出炉进行1火轧制，前10道次进行展宽轧制，后6道次进行轧长轧制，终轧温度820℃;轧制后的板材规格134×2130×3750mm，总变形量46%;
S3)板材矫直
采用轧机进行矫直，平整3道次，道次压下量分别为1mm、0.8mm和0.5 mm。
[0045]对比例2
规格160×2150×5000mm Ti80钛合金板材的制造方法，包括如下步骤：
S1)复合板坯
钛合金板坯上表面和下表面分别爆炸复合厚度2mm纯钛板，然后涂覆防氧化及隔热涂料，得到复合板坯规格为450×1500×2600mm;
S2)板坯轧制(2火次)
S21)采用电炉加热，复合板坯在970℃加热保温1000min，随后出炉进行2火次轧制;
S22)第1火轧制
沿横向展宽到2150mm，然后纵轧到厚度189mm，此火次轧制变形量58%，第一道次变形量为10%，其余道次变形量为4~8%，得到轧坯;
S23)板坯回炉加热
轧坯回炉加热，加热温度950℃，加热保温时间220min;
S24)第2火轧制
待轧坯表面温度降低到930℃时开始轧制，轧制总变形量15%，终轧温度840℃，轧制后的板材厚度160mm;
S3)板材矫直
采用轧机进行矫直，平整3道次，道次压下量分别为1mm、0.8mm和0.5 mm。
[0046]图5为对比例1获得的板材经退火后的显微组织，从图5上可以看出，表层和心部均为双态组织，但心部组织粗大，初生α相长条依然存在，沿轧制方向呈现取向分布。对比例2获得板材经退火后的板材心部显微组织也存在未完全破碎的初生α相长条。
[0047]相对于实施例，对比例1中轧制总的压下量小，且轧制过程没有间歇式冷却，变形难以渗透到“软化”的心部。对比例2中轧制总的变形量为66%，其中第1火次变形量58%，第一道次变形量10%，第2火次变形量18%，变形分配不合理，使得表面硬化后板材的变形量过小，不利于变形渗透到心部。
[0048]本发明实施例1~4以及对比例1~2中材料的化学成分、获得板材的表层和心部拉伸力学性能如表1和表2所示，实施例中材料的强度和冲击韧性都满足设计指标要求。对比例1~2获得的板材强度都满足设计指标要求，但心部冲击韧性KV2不满足指标要求。
[0049]以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
[0050]
[0051]
说明书附图(5)
