Слиток ниобиевого сплава
После термообработки, для получения целевого материала из ниобиевого сплава с однородными и мелкими внутренними зернами, в предпочтительном варианте осуществления данного изобретения предусмотрена вторая ковка термообработанного слитка ниобиевого сплава. Эта вторая ковка дополнительно разрушает внутреннюю зернистую структуру слитка ниобиевого сплава, обеспечивая эффект измельчения зерна. Конкретные этапы второй ковки следующие: нагрев термообработанного слитка ниобиевого сплава, начиная с этапа а), и последовательное выполнение второй осадки и второй вытяжки. Общая скорость обработки первой и второй ковки предпочтительно составляет от 50% до 80%. Для слитков ниобиево-циркониевого сплава предпочтительная температура нагрева составляет 450℃–650℃, более предпочтительно 500℃–600℃, а предпочтительное время нагрева составляет 2–4 ч, более предпочтительно 2,5–3,5 ч. Для слитков ниобий-титанового сплава предпочтительная температура нагрева составляет 300–500 ℃, более предпочтительно 350–450 ℃, а предпочтительное время нагрева — 2–4 ч, более предпочтительно 2,5–3,5 ч. Для слитков ниобий-молибденового сплава предпочтительная температура нагрева составляет 700–900 ℃, более предпочтительно 750–850 ℃, а предпочтительное время нагрева — 2–4 ч, более предпочтительно 2,5–3,5 ч. Количество операций ковки может составлять три, четыре или даже больше; данное изобретение не имеет каких-либо конкретных ограничений. Однако, с учетом стоимости и эффективности, данное изобретение предпочтительно выполняет две операции ковки.
Для предотвращения поглощения водорода и кислорода слитком ниобиевого сплава в процессе ковки, в предпочтительном варианте осуществления, перед второй ковкой, процесс включает: предварительный нагрев слитка ниобиевого сплава после термообработки на этапе а2) и нанесение на поверхность предварительно нагретого слитка ниобиевого сплава стеклянного порошка. Температура предварительного нагрева предпочтительно составляет 150℃–250℃, более предпочтительно 180℃–230℃, и наиболее предпочтительно 200℃.
Согласно настоящему изобретению, после второй ковки, для устранения остаточных напряжений, возникших в процессе ковки, и обеспечения однородной и мелкозернистой внутренней структуры слитка ниобиевого сплава, слиток ниобиевого сплава после второй ковки подвергается второй термообработке. Для ниобиево-циркониевых сплавов предпочтительная температура второй термообработки составляет 1200–1450 ℃, более предпочтительно 1300–1400 ℃; предпочтительное время термообработки — 0,5–1,5 ч. Для ниобиево-титановых сплавов предпочтительная температура второй термообработки составляет 800–1100 ℃, более предпочтительно 900–1000 ℃; предпочтительное время термообработки — 0,5–1,5 ч. Для ниобиево-циркониевых сплавов предпочтительная температура второй термообработки составляет 1200–1400 ℃, более предпочтительно 1250–1350 ℃; предпочтительное время термообработки — 0,5–1,5 ч.
Внешняя поверхность и оба конца кованого слитка ниобиевого сплава обрабатываются механически, и в обработанном слитке просверливаются отверстия для получения заготовки трубки из ниобиевого сплава.
После механической обработки слитка ниобиевого сплава заготовка трубки из ниобиевого сплава подвергается горячей экструзии, т.е. операции, описанной в шаге а). Сначала заготовка трубки из ниобиевого сплава предварительно нагревается, а затем на ее поверхность наносится стеклянный порошок. Предварительный нагрев позволяет стеклянному порошку лучше формировать плотную оксидную пленку на поверхности заготовки трубки из ниобиевого сплава, а также обеспечивает равномерную температуру по всей трубке, подготавливая ее к последующей горячей экструзии. Для обеспечения хорошей адгезии стеклянного порошка к поверхности заготовки трубки из ниобиевого сплава температура предварительного нагрева предпочтительно составляет 700℃–950℃, более предпочтительно 800℃–900℃. После предварительного нагрева на поверхность заготовки из ниобиевого сплава наносится стеклянный порошок, образуя плотную пленку. Как известно специалистам в данной области, заготовка из ниобиевого сплава представляет собой полую трубчатую заготовку; поэтому в процессе нанесения стеклянного порошка поверхность заготовки из ниобиевого сплава включает ее внутреннюю поверхность, внешнюю поверхность и оба торца. Для обеспечения равномерного и беспористого распыления стеклянного порошка толщина слоя предпочтительно составляет 1–2 мм.
После распыления стеклянного порошка на поверхность заготовки из ниобиевого сплава, чтобы обеспечить полное расплавление стеклянного порошка и его прилипание к поверхности слитка ниобиевого сплава с образованием плотной антиоксидантной пленки на поверхности слитка ниобиевого сплава, в качестве предпочтительного варианта осуществления, в настоящем изобретении предпочтительно предварительно нагревают заготовку из ниобиевого сплава после распыления стеклянного порошка, а затем снова распыляют стеклянный порошок на поверхность предварительно нагретой заготовки из ниобиевого сплава. Для ниобий-циркониевых сплавов температура предварительного нагрева предпочтительно составляет 1200–1400 ℃, более предпочтительно 1250–1350 ℃; время предварительного нагрева предпочтительно составляет 1–15 мин, более предпочтительно 5–10 мин. Для ниобий-титановых сплавов температура предварительного нагрева предпочтительно составляет 1000–1200 ℃, более предпочтительно 1050–1150 ℃; время предварительного нагрева предпочтительно составляет 1–15 мин, более предпочтительно 5–10 мин. Для ниобий-молибденовых сплавов температура предварительного нагрева предпочтительно составляет 1200–1450 ℃, более предпочтительно 1250–1350 ℃; время предварительного нагрева предпочтительно составляет 1–15 мин, более предпочтительно 5–10 мин. Толщина слоя напыляемого стеклянного порошка предпочтительно составляет 1–2 мм. Такое напыление стеклянного порошка обеспечивает достаточные антиоксидантные и смазывающие свойства поверхности слитка ниобиевого сплава. Для обеспечения достаточных антиоксидантных и смазывающих свойств поверхности слитка ниобиевого сплава, его можно наносить на поверхность слитка несколько раз. Данное изобретение не накладывает каких-либо особых ограничений, но из соображений стоимости и эффективности предпочтительно напылять заготовку трубки из ниобиевого сплава дважды.
После напыления стеклянного порошка на заготовку трубки из ниобиевого сплава, заготовка трубки из ниобиевого сплава с покрытием из стеклянного порошка подвергается горячей экструзии. Для ниобиево-циркониевых сплавов температура горячей экструзии предпочтительно составляет 1200–1400 ℃, более предпочтительно 1250–1350 ℃; Для ниобий-титановых сплавов температура горячей экструзии предпочтительно составляет 1000–1200 ℃, более предпочтительно 1050–1150 ℃; для ниобий-молибденовых сплавов температура горячей экструзии предпочтительно составляет 1200–1450 ℃, более предпочтительно 1250–1350 ℃. Используемый для горячей экструзии экструзионный пресс хорошо известен специалистам в данной области, и настоящее изобретение не накладывает никаких особых ограничений. Предпочтительно, тоннаж экструзионного пресса составляет не менее 3000 тонн, более предпочтительно 3500–4500 тонн, а коэффициент экструзии предпочтительно не менее 4,5, более предпочтительно 5–7.
Согласно настоящему изобретению, после горячей экструзии заготовки из ниобиевого сплава, полученная заготовка подвергается травлению для удаления стеклянной крошки с поверхности, что предотвращает плавление или испарение стеклянной крошки во время последующей термообработки, что может повлиять на качество поверхности заготовки. Предпочтительно, в качестве травильного раствора используется смесь фтористоводородной и азотной кислот. Фтористоводородная кислота имеет массовую долю 35,35 мас.%, а азотная кислота – коммерчески доступную соляную кислоту с концентрацией 68%. Предпочтительно, объемное соотношение фтористоводородной и азотной кислот составляет 3:5, а температура кислотного раствора предпочтительно 55℃-75℃, более предпочтительно 60-70℃. Для устранения остаточных напряжений в заготовке из ниобиевого сплава в процессе горячей экструзии и получения однородной рекристаллизованной структуры, данное изобретение включает термическую обработку протравленной заготовки из ниобиевого сплава. Предпочтительно, термическую обработку проводят в вакууме для предотвращения окисления заготовки из ниобиевого сплава. Для ниобиево-циркониевых сплавов предпочтительная температура термической обработки составляет 1200℃–1450℃, более предпочтительно 1300℃–1400℃, а предпочтительное время термической обработки — 0,5–1,5 ч. Для ниобиево-титановых сплавов предпочтительная температура термической обработки составляет 900℃–1150℃, более предпочтительно 1000℃–1100℃, а предпочтительное время термической обработки — 0,5–1,5 ч. Для ниобий-молибденовых сплавов предпочтительная температура термообработки составляет 1200℃–1450℃, более предпочтительно 1300℃–1400℃, а предпочтительное время термообработки — 0,5–1,5 ч. Согласно данному изобретению, после горячей ковки в слитке ниобиевого сплава достигается предварительное измельчение зерна, что в сочетании с последующим процессом горячей экструзии способствует формированию мишени из ниобиевого сплава однородного размера.
После горячей экструзии заготовки из ниобиевого сплава труб производится обработка внутренних отверстий. Для обработки внутренних отверстий заготовки из ниобиевого сплава в данном изобретении используется первый режущий инструмент для расточки и фрезерования. Первый режущий инструмент имеет двустороннюю или одностороннюю режущую кромку, а длина хвостовика инструмента превышает 5000 мм. Двусторонние режущие кромки расположены последовательно вдоль осевого направления на рабочем конце хвостовика инструмента, при этом угол наклона двусторонних режущих кромок отрицательный. Как хорошо известно специалистам в данной области, при обработке внутренних отверстий режущий инструмент, используемый на сверлильно-расточном станке, имеет один конец, закрепленный на станке (так называемый неподвижный конец), а другой конец используется для обработки заготовки (так называемый рабочий конец).
В процессе обработки внутренних отверстий, путем выбора специального режущего инструмента, поддерживается малая скорость подачи при обработке заготовки из ниобиевого сплава, что приводит к постепенному формированию стружек сферической формы. Это облегчает удаление стружки из ниобиевого сплава и предотвращает накопление стружки во внутреннем отверстии, что влияет на качество поверхности внутреннего отверстия. В процессе внутренней расточки и фрезерования, для обеспечения непрерывного и автоматического удаления стружки из заготовки из ниобиевого сплава, во внутреннее отверстие одновременно подается сульфидированное масло под высоким давлением. Сернистое масло обеспечивает смазку и охлаждение, а высокотемпературное сернистое масло способствует удалению стружки. Предпочтительная частота вращения расточного станка в процессе расточки и фрезерования составляет от 80 до 125 об/мин; предпочтительная глубина резания — от 0,5 до 1,2 мм.
После обработки внутреннего отверстия заготовки из ниобиевого сплава, для обеспечения точности размеров и шероховатости поверхности, производится токарная обработка наружного диаметра заготовки из ниобиевого сплава. Согласно настоящему изобретению, предпочтительный способ наружной токарной обработки заключается в следующем: полученная заготовка из ниобиевого сплава устанавливается на горизонтальный токарный станок, и наружный диаметр трубчатой заготовки из ниобиевого сплава обрабатывается токарным методом с использованием внутреннего отверстия в качестве ориентира. Угол заточки (γ) второго инструмента, используемого в процессе токарной обработки, составляет 30°–40°, угол зазора (α) — 40°–60°, угол главной режущей кромки — 50°–60°, угол второстепенной режущей кромки — 10°–15°, угол наклона (λ) — 10°–15°, а радиус кончика инструмента — 0,3–0,4 мм. В предпочтительном варианте осуществления скорость подачи в процессе токарной обработки составляет: черновая обработка (F) предпочтительно 0,25–0,3 мм/оборот, а чистовая обработка (f) предпочтительно 0,15–0,2 мм/оборот; глубина резания: черновая обработка (T) предпочтительно 2–5 мм, а чистовая обработка (t) — 0,8–1,2 мм; скорость резания: черновая обработка (ν) предпочтительно 40 м/мин, а чистовая обработка (ν) предпочтительно 60 м/мин. Для повышения точности при токарной обработке в качестве второго инструмента предпочтительно использовать твердосплавный инструмент, более предпочтительно – инструмент из вольфрамо-кобальтового твердосплава. Твердосплавные инструменты из вольфрамо-кобальтового твердосплава выпускаются различных марок, таких как YG3, YG6 и YG8. Число после марки указывает процентное содержание кобальта, а остальное – карбид вольфрама. Более высокое число указывает на лучшую прочность и пригодность для черновой обработки. Поэтому для черновой токарной обработки предпочтительны инструменты YG8, а для чистовой – инструменты YG6.