TA16鈦合金管材工藝研究

張君峰

摘 要：主要研究了TAl6鈦合金擠壓錠坯制備工藝技術、擠壓溫度、變形程度、退火工藝制度、表面處理工藝方法、化學成分、工藝與組織性能相關性的研究，掌握了該鈦合金的熱加工變形特點，確定了熱加工的工藝路線及參數(shù).

關鍵詞：鈦合金；管材；冷變形

一、鈦合金管材研制的現(xiàn)狀

在鈦合金管制造方面，世界各國一直致力于提高鈦合金管的可靠性和柔韌性，擴大產品系列。目前，國外發(fā)達國家的鈦及鈦合金無縫管的制造技術已比較成熟。對于低強度、低合金化的鈦及鈦合金無縫管制造均采用冷軋真空退火工藝，而管坯制備主要采用鉆孔擠壓和斜軋穿孔兩類工藝，其中鉆孔擠壓方法的金屬消耗量大，工藝廢料高達10%～15%，但管坯壁厚均勻；而采用斜軋穿孔方法的金屬消耗量小，工藝廢料為1%～3%，軋制變形的溫度、速度范圍較寬，道次變形量可達20%～90%，可減少加熱次數(shù)和鈦合金的氧化損失，提高成品率，但缺點是管坯厚度公差稍大。目前，斜軋穿孔是無縫管生產的主要方法。對中、高強鈦合金無縫管，則采用溫軋技術，即在軋管機上安裝感應加熱裝置，一般溫度控制在再結晶溫度以下100℃左右。采用溫軋技術可生產中等規(guī)格的TA16鈦合金管材。采用開式模具擠壓商業(yè)純鈦管的可行性。結果表明，采用開式模反向擠壓制造純鈦管的質量較高，消耗的潤滑劑少，且模具結構較擠壓制管方式簡單，但這種方式只適用于比較短的管件的制造。提高管材的性能和承載能力一直是鈦管研制領域的熱門課題，世界各鈦管生產制造商不斷提高鈦合金管的強度極限。在美國，通過采用去應力退火方式已經可以安全、可靠地實現(xiàn)860MPa級的高強鈦合金管Gr9的制造。雖然高強度有助于提高鈦管的抗拉、扭轉等能力，擴大其抗拉伸、耐高壓、復合疲勞等的適應性，但強度提高的同時也會導致塑性、韌性降低，增大裂紋敏感性，并增加后續(xù)的彎曲、管端頭成形的難度。因此，隨著鈦管應用的不斷擴大，除了材料強度以外，還應更加關注鈦管性能的其他方面，包括塑性、韌性、疲勞壽命、顯微組織以及焊接性能等，以達到綜合性能的良好匹配。由于鈦無縫管加工工序多、生產周期長、效率低、成本高，使得其應用受到限制。而基于鈦帶軋制、焊接工藝為主的鈦焊管，由于材料利用率高、生產效率高，而且其擴管、彎曲性能也與無縫管幾乎無差別，所以國內外鈦焊管的用量在逐年增加，各國也都在發(fā)展自己的鈦焊管生產體系，并在電站冷凝器中日益得到應用。在低強、低合金化鈦合金無縫管制造方面，我國同樣采用冷軋真空退火工藝，該技術在我國已經成熟。

二、試驗材料及試驗方法

1.試驗材料。鑄錠經鍛造、機加工，材料的主要化學成分（質量分數(shù)，%）為：1.8～2.3Al，2.3～2.6Zr，余量Ti。

2.試驗方法。采用外熱式真空退火爐、5m真空退火爐及LD30、LD15冷軋管機等設備。試驗內容為：①采用不同冷變形程度研究冷軋管材組織性能；②對兩種冷變形程度ε=30%和63.7%的管材在600、650、700、800℃的不同退火溫度下研究冷軋管材組織性能；③Q值（壁厚減薄率與減徑率之比）對冷軋管材力學性能的研究；④管材高溫拉伸性能研究。

三、結果與討論

1.冷變形程度對管材組織性能的影響。不同冷變形程度TA16合金管材的組織和性能如圖1、2所示。

冷加工過程中，金屬內部沒有任何回復機制，金屬組織和性能的變化純粹由塑性變形造成。首先，內能（儲存能）增加。內能主要以結構缺陷和彈性變形能等形式儲存在金屬中，約占金屬發(fā)生塑性變形的內消耗功的百分之幾到百分之十幾，內能的存在使冷加工后金屬自由能升高；其次，晶粒外形隨著變形方向拉長，形成不同程度的擇優(yōu)取向，對于管材，主要表現(xiàn)在縱向；晶內產生了胞狀亞組織、位錯、空位等結構缺陷；第三，金屬的許多結構敏感性質發(fā)生了相應的變化，如強度、硬度升高，塑性下降即加工硬化，以及性能上的各向異性。由圖1可見，隨冷變形量增加，管材的組織由等軸晶變?yōu)槔L晶，并且拉長的方向是延管材縱向拉長。變形量越大，晶粒被拉長的程度也越大。由圖2可見，隨冷變形量增加，管材強度值上升，塑性值下降。當變形70.9%時，強度在940MPa，管材仍有8%的延伸塑性，這說明材料確實有很好的冷加工性能。

2.Q值對管材力學性能的影響。Q值是間接描述管材形變織構優(yōu)劣的一個參數(shù)，其值大小對管材拉伸性能產生影響，力學性能與Q值對應關系見圖3。由圖3可知：Q值在1.7以下時，隨Q值增大，塑性逐漸上升；Q值在1.7以上時，基本不隨Q值的增加而發(fā)生變化；Q值大的比Q值小的塑性高約20%。強度隨Q值增加發(fā)生變化。

3.冷軋管材高溫拉伸性能。TA16合金管材主要在核反應堆熱交換系統(tǒng)、飛機發(fā)動機防火和液壓系統(tǒng)等場合使用，工作溫度通常在300℃左右，并且承受一定壓力，材料在高溫下的力學性能表現(xiàn)對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性非常重要。對成品退火并加工率42.4%，經700℃×1h再結晶退火的冷軋管材進行不同溫度下的拉伸性能，隨試驗溫度升高，強度下降，在200℃以下時下降得較快，之后變化緩慢；塑性在較低溫度時，隨溫度升高而略有升高，200～400℃之間則變化緩慢。在200～400℃之間，強度和塑性均處于相對穩(wěn)定的區(qū)域。在400℃時，材料仍有很高的強度（σb為320MPa，σ0.2為225MPa）和較好的塑性（δ5≥23%），材料性能在此溫度范圍內對溫度的這種不敏感性，對材料在300℃左右溫度下長期使用的可靠性是非常有利的。

采用熱擠壓方法生產TAl6鈦合金熱加工管材的工藝是完全可行的，該合金可在較寬溫度范圍內進行較大的熱變形.退火管材具有良好的組織和室、高溫機械性能。氧含量是提高擠壓管材強度的有效途徑之一。

參考文獻

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