一種工業(yè)純鈦帶材的在線軟化退火處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及工業(yè)純鈦帶材軟化退火處理系統(tǒng)，更具體地說，是一種工業(yè)純鈦 帶材的高能電脈沖在線軟化退火處理系統(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)材料工業(yè)純鈦，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] 工業(yè)純鈦是一種重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，尤其是工業(yè)純鈦具有密度低、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。因此金屬工業(yè)純鈦被譽(yù)為"21世紀(jì)最重 要的綠色工程材料"。
[0004] 近年來，TA2工業(yè)純鈦?zhàn)鳛樽钪匾墓I(yè)純鈦之一得到飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用， 但TA2工業(yè)純鈦成形后回彈很大，尺寸控制十分困難，對(duì)成形尺寸的精度有很大影響。此 外，工業(yè)純鈦板材冷成形時(shí)硬化比較嚴(yán)重要，摩擦系數(shù)大，與其它金屬的親和力強(qiáng)，成形中 容易粘模、劃傷，沖壓性能較差、板形控制困難等，因此在很大程度上限制了變形工業(yè)純鈦 的進(jìn)一步應(yīng)用。如果對(duì)TA2工業(yè)純鈦進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃魏秃罄m(xù)熱處理（如不完全或完全退 火），可大幅度提高其綜合力學(xué)性能，很好地解決翹曲等不良板形問題，因而這種綜合力學(xué) 性能優(yōu)良的TA2工業(yè)純鈦應(yīng)具有更廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景和更廣闊的發(fā)展空間。
[0005] -般的阿爾法單相TA2工業(yè)純鈦經(jīng)過冷加工后（如冷軋、冷拉拔等）組織由原始 的沿變形方向拉長(zhǎng)或縮短的粗大變形組織組成，在晶內(nèi)及晶界含有不均勻分布的形變畸變 能。晶粒尺寸及畸變程度與具體的材料成分、熱處理（加工）工藝、冷卻工藝和冷卻介質(zhì)等 因素有關(guān)。有研宄報(bào)道，TA2工業(yè)純鈦熱變形后可使材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕巫兝L(zhǎng)的阿爾法相為 基體，同時(shí)殘留少量的貝塔相均勻彌散分布于晶界和晶內(nèi)，從而提高其強(qiáng)度和韌性。盡管如 此，TA2工業(yè)純鈦經(jīng)過上述處理后，仍然有大量粗大的等軸狀a相，同時(shí)組織內(nèi)部含有高密 度的畸變能。擁有這種組織的TA2工業(yè)純鈦在后續(xù)變形或者在承受外部載荷的過程中，在 粗大的變形拉長(zhǎng)的a-Ti和含有高畸變能的晶界處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋源而產(chǎn)生 裂紋，使材料過早的失效和不利于后續(xù)成型，因此內(nèi)部組織非畸變晶粒的數(shù)量、分布和形貌 特征嚴(yán)重影響了TA2工業(yè)純鈦的力學(xué)性能。
[0006] 很明顯，如果要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高TA2工業(yè)純鈦的韌性和其后續(xù)成型能力， 只有改善其中非畸變等軸晶粒的分布和形貌使之朝有利于其韌性提高的方向發(fā)展，以期提 高材料的綜合力學(xué)性能。而傳統(tǒng)的完全退火熱處理工藝可在一定程度上提高TA2工業(yè)純鈦 的塑性，但由于工業(yè)純鈦中溶質(zhì)原子在固相中擴(kuò)散速度很慢，一般工業(yè)純鈦的完全退火處 理工藝存在加熱溫度高（650°C以上）、保溫時(shí)間長(zhǎng)（視爐內(nèi)批量的大小而定，一般數(shù)小時(shí)） 和能耗大等問題，由于加熱溫度高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，工業(yè)純鈦的表面很容易氧化，特別是工業(yè) 純鈦板、帶材一旦出現(xiàn)局部表面氧化現(xiàn)象，后續(xù)處理很難去除氧化層，嚴(yán)重影響后續(xù)成型工 序和最終產(chǎn)品的質(zhì)量；同時(shí)在長(zhǎng)時(shí)間高溫情況下，TA2工業(yè)純鈦容易發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大，直 接導(dǎo)致材料內(nèi)部晶粒尺寸嚴(yán)重不均勻，嚴(yán)重?fù)p害了材料的最終力學(xué)性能。再者，還必須嚴(yán)格 控制工業(yè)純鈦的加熱方式和加熱速度等工藝，以防一旦加熱方式和升溫速度選擇不當(dāng)，將 會(huì)產(chǎn)生材料內(nèi)部溫度不均、局部過燒，最終導(dǎo)致固溶處理后材料內(nèi)部組織不均勻和力學(xué)性 能不穩(wěn)定的后果，所以影響傳統(tǒng)熱處理工藝的因素復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。因此如何克服工業(yè)純 鈦傳統(tǒng)不完全及完全退火熱處理工藝的不足，研宄一種具有良好綜合力學(xué)性能的TA2工業(yè) 純鈦的新型軟化退火處理工藝及系統(tǒng)就顯得尤為重要。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型的目的是提供一種工業(yè)純鈦帶材的在線軟化退火處理系統(tǒng)，以解決用 傳統(tǒng)不完全及完全退火處理工藝處理工業(yè)純鈦帶材存在的上述技術(shù)問題。
[0008] 本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下：
[0009] 一種工業(yè)純鈦帶材的在線軟化退火處理系統(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；
[0011] 工業(yè)純鈦帶材，被軋機(jī)的開卷裝置、收卷裝置及支撐輥張緊能夠朝收卷裝置運(yùn)動(dòng)， 該工業(yè)純鈦帶材與所述軋輥緊密彈性接觸，并與所述兩個(gè)電接觸裝置電接觸；以及
[0012] 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) 電接觸裝置之間的工業(yè)純鈦帶材提供頻率為60-760HZ、電壓為10-600V、脈沖寬度為 10-6000ys、電流密度的幅值為200A/mm2-6000A/mm2的高能脈沖電流。
[0013] 為了使工業(yè)純鈦帶材處理后得到部分等軸化組織，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360Hz、電壓20V、脈沖寬度80ys。
[0014] 為了使工業(yè)純鈦帶材處理后得到完全等軸化組織，優(yōu)選地，所述高能脈沖電源的 輸出參數(shù)包括：頻率420-760HZ，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670Hz，電壓20V，脈沖寬度80ys。
[0015] 在上述的工業(yè)純鈦帶材的在線軟化退火處理系統(tǒng)中，優(yōu)選地，所述兩個(gè)電接觸裝 置之間的距離為10-1800mm。所述兩個(gè)電接觸裝置優(yōu)選所述第一支撐輥和軋輥，在此方案 下，所述第一支撐輥優(yōu)選由兩個(gè)導(dǎo)電輪組成，導(dǎo)電輪的輪面呈槽狀，導(dǎo)電輪與其上的工業(yè)純 鈦帶材形成一定的包角。
[0016] 在上述的工業(yè)純鈦帶材的在線軟化退火處理系統(tǒng)中，優(yōu)選地，該在線軟化退火處 理系統(tǒng)還包括：
[0017] 電流采樣裝置及電流分析系統(tǒng)，該電流采樣裝置連接于所述高能脈沖電源的輸出 回路，該電流分析系統(tǒng)與該電流采樣裝置連接；和/或
[0018] 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
[0019] 溫度測(cè)量裝置及存儲(chǔ)分析裝置，用于測(cè)量及分析兩個(gè)電接觸裝置之間的工業(yè)純鈦 帶材的溫度。
[0020] 在上述的工業(yè)純鈦帶材的在線軟化退火處理系統(tǒng)中，優(yōu)選地，該在線軟化退火處 理系統(tǒng)沒有額外的冷卻裝置。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本工業(yè)純鈦帶材的在線軟化退火處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] 1、能夠有效地改善工業(yè)純鈦帶材的顯微組織，從而大幅度提高材料的綜合力學(xué)性 能。具體而言，在用上述在線軟化退火處理系統(tǒng)處理過程中，瞬間高能脈沖電流直接輸入到 鈦材中產(chǎn)生重要的焦耳熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，而在熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)的耦合作用下，使原子 的振動(dòng)能量急劇增加，同時(shí)這種瞬間高能量的脈沖電流的輸入極大地促進(jìn)了材料內(nèi)部原子 的擴(kuò)散。另外，TA2工業(yè)純鈦帶材經(jīng)過適當(dāng)下壓量的冷軋變形后材料內(nèi)部出現(xiàn)了大量粗大 的形變拉長(zhǎng)、破碎的組織，晶界在變形中扭曲彎折，變得模糊不清，同時(shí)組織內(nèi)部存在大量 的畸變能，因此在鈦材內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)微區(qū)電阻率不均，一旦瞬間高能電脈沖輸入會(huì)導(dǎo)致微區(qū) 溫度梯度，如因在變形不均勻的晶界處，晶界上的電阻率大而導(dǎo)致該處溫度高，從而增大了 鈦基體局部區(qū)域的固溶度和溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力、加速了再結(jié)晶形核、長(zhǎng)大的過程，從而實(shí)現(xiàn) 部分及完全再結(jié)晶的過程以及改善晶粒的形貌和分布。通過顯微組織分析，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過 適當(dāng)電脈沖參數(shù)處理后的TA2工業(yè)純鈦帶材內(nèi)部的顯微組織由原始的粗大不均勻的沿軋 向變形拉長(zhǎng)的形變組織變成由均勻分布的無畸變細(xì)小的a-Ti等軸新晶粒同時(shí)伴隨著部 分殘留的粗大形變組織形成的部分再結(jié)晶等軸組織，實(shí)現(xiàn)了部分再結(jié)晶等軸化處理，而晶 粒尺寸減小，同時(shí)晶界清晰整齊。如果進(jìn)一步增大電脈沖參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)大量a-Ti相向 0 _Ti轉(zhuǎn)變，形成了以細(xì)小無畸變的等軸晶粒為主的完全再結(jié)晶等軸組織，實(shí)現(xiàn)了完全再結(jié) 晶等軸化處理的效果，此時(shí)晶粒尺寸顯著減小，同時(shí)內(nèi)部組織基本無顯微畸變。因此，通過 上述高能電脈沖在線軟化退火處理系統(tǒng)有效地改善了TA2工業(yè)純鈦的顯微組織，從而大幅 度提高了材料的綜合力學(xué)性能；
[0023] 2、采用上述在線軟化退火處理系統(tǒng)能夠使工業(yè)純鈦帶材室溫延伸率明顯大幅提 高，達(dá)傳統(tǒng)熱處理工藝的TA2工業(yè)純鈦帶材延伸率的1. 65倍以上，而強(qiáng)度下降幅度較小；
[0024] 3、帶材表面不會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象。采用上述系統(tǒng)進(jìn)行高能電脈沖在線軟化處理過 程中，TA2工業(yè)純鈦帶材上任何一點(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 250°C_480°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熱處理工藝溫度650°C，所以在低溫和短時(shí)間內(nèi)TA2工業(yè)純鈦 帶材不會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象；
[0025] 4、生產(chǎn)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)在線連續(xù)生產(chǎn)，可以廣泛適用于可熱處理軟化的工業(yè)純 鈦帶材的不完全和完全軟化退火處理提高材料的綜合力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明工業(yè)