鈦及鈦合金管材軋制工藝研究現(xiàn)狀

供稿|劉偉，張耀斌，侯振杰 / LIU Wei, ZHANG Yao-bin, HOU Zhen-jie

內(nèi)容導(dǎo)讀

鈦及鈦合金管材具有優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。鈦合金管材分為無縫管和有縫管，無縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。鈦合金管材冷軋是先進(jìn)的管材生產(chǎn)方法。如何制定軋制工藝參數(shù)對軋制出合格的管材尤為重要。文章闡述了鈦及鈦合金冷軋管材生產(chǎn)現(xiàn)狀，敘述了鈦合金管材軋制的特點及生產(chǎn)過程中的影響因素，對鈦合金軋制工藝研究及發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

鈦及鈦合金具有比強度高、熔點高、耐蝕性好、彈性模量低、無磁且生物相容性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工作的零件、結(jié)構(gòu)件和緊固件以及航空航天、海洋開發(fā)、醫(yī)療和運動器材等領(lǐng)域[1-2]。世界各國都在大力發(fā)展鈦及鈦合金生產(chǎn)。據(jù)估計，目前全球鈦及鈦合金的生產(chǎn)能力已超過消費需求量的2~2.5倍，因而鈦及鈦合金世界市場競爭激烈。鈦合金管材分為無縫管和有縫管，無縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。而鈦及鈦合金軋制管的生產(chǎn)過程主要有管坯制備、軋制、熱處理等三個部分。鈦合金管材冷軋是先進(jìn)的管材生產(chǎn)方法。第一臺冷軋管機問世于1930年，由于各種形式的冷軋管機的不斷出現(xiàn)，以及冷軋管工藝的日益完善，使得管材工業(yè)的發(fā)展得到了長足的進(jìn)步。

鈦合金管材軋制的特點

目前，低強度、低合金化的鈦及鈦合金無縫管的加工技術(shù)比較成熟，均采用冷軋真空退火工藝。管材冷軋相對于其他生產(chǎn)方法(如：管材的拉伸生產(chǎn))具有如下優(yōu)點：(1)冷軋管材時，金屬在變形區(qū)中始終處于三向壓應(yīng)力的作用之下能充分發(fā)揮金屬的塑性，同時在多段孔型中實現(xiàn)分散變形，因此能采用較大的變形量。(2)冷軋后的管材，其尺寸精確，內(nèi)表面光潔，并且具有較高的機械性能。(3)冷軋管可生產(chǎn)各種規(guī)格的小直徑薄壁管以及各種斷面不規(guī)則的異型管材。一般用兩輥式冷軋管機軋制的管材外徑最小為15 mm，壁厚可薄至0.5 mm；而用三輥式冷軋管機軋制的管材最小外徑可為3 mm，壁厚薄至0.08 mm。(4)冷軋管的成品率高，廢品損失少。冷軋管材廢品率僅為1%~1.5%，而拉伸管材廢品率高達(dá)20%~25%。

鈦及鈦合金管材軋制采用兩輥和多輥式周期軋管機生產(chǎn)。兩輥軋機相比多輥軋機來說減徑量和減壁量較大，提高了生產(chǎn)效率，而多輥軋機能夠提高尺寸的精度、變形均勻但生產(chǎn)效率較低。為了能夠兼具兩者的優(yōu)點，通常情況下生產(chǎn)線會相結(jié)合使用。

盡管焊管有代替無縫管的趨勢，但重要的化工裝置、航空液壓管路及火箭發(fā)動機燃料導(dǎo)管等，為保證安全，無縫管仍然不能被焊管取代[3]。

軋制過程的影響因素

鈦合金管材軋制過程的影響因素較多，諸如送料量、轉(zhuǎn)角、摩擦因數(shù)、工件的材質(zhì)、加工率、軋機的類型、工件的直徑、機架往復(fù)行程次數(shù)等，歸納得出其主要影響因素有：轉(zhuǎn)角、送進(jìn)量選擇、軋機的速度、變形程度。

轉(zhuǎn)角

通過研究發(fā)現(xiàn)，在其他軋制參數(shù)相同的情況下，回轉(zhuǎn)角度的變化對壁厚的不均勻度產(chǎn)生較大的影響。隨著回轉(zhuǎn)角度的增加，壁厚不均度增加較快。這是由于回轉(zhuǎn)角的增大，輾軋角也增大，切向變形增大，從而加大了橫向變形的不均。例如，LD60三輥冷軋管機在軋制TA2 φ41 mm×1.4 mm的純鈦管坯時，回轉(zhuǎn)角分別為16o、18o、20o，對應(yīng)的壁厚不均度Z分別為8.4%、8.7%、9.1%，壁厚不均度隨著回轉(zhuǎn)角的增加而增大[4]。管材通過轉(zhuǎn)動一定角度，可以大大減小壓縮段中出現(xiàn)的拉應(yīng)力，避免塑性差的金屬在機架工作行程中出現(xiàn)裂紋。

變形程度

變形程度是管材軋制過程中一個重要的參數(shù)，它對軋制時所需的軋制力、軋制制品的表面質(zhì)量、變形熱效應(yīng)、制品的組織和性能等均有一定的影響。通過對小規(guī)格TA15鈦合金軋制管材工藝研究發(fā)現(xiàn)：隨著變形程度的增加，強度提高，塑性基本不變，但管材經(jīng)過800℃/1.5 h退火后，其強度降低，塑性會有所提高。再結(jié)晶退火后，大加工量管材的強度比小加工量的降低很多，塑性比小加工量的高。從組織上看，再結(jié)晶比小加工量的更完全[5]。通過變形率對TA18管材力學(xué)性能和組織的影響分析發(fā)現(xiàn)：加工硬態(tài)管材的抗拉強度和屈服強度均隨著變形率的增大而逐漸升高，變形率超過44%時，延伸率會逐漸下降；經(jīng)不同變形率軋制成形的φ12 mm×0.9 mm管材的加工硬態(tài)縱向顯微組織中，變形率為23%時，晶粒變形不明顯，晶界清晰可見，隨著加工率的增大出現(xiàn)典型的纖維組織，管材組織中的變形流線就越明顯[6]。通過實驗發(fā)現(xiàn)，變形率對管材力學(xué)性能的影響可以通過退火進(jìn)行消除。

在軋制時，除考慮變形程度外，還必須考慮減徑量與減壁量的比值對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。通過生產(chǎn)實踐得知，孔型始端減徑值(通稱空減徑)對工業(yè)純鈦TA2、TA3的變形影響不大，但對TC1、TC2等鈦合金的變形有著很大的影響。

送進(jìn)量

送進(jìn)量大小的選擇合理與否，是直接影響到能否獲得較高的生產(chǎn)效率和良好的產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要因素。送進(jìn)量過小使設(shè)備能力沒有充分發(fā)揮出來，降低了生產(chǎn)率；而送進(jìn)量過大，則將使軋出的管材出現(xiàn)飛邊、棱子、橢圓、壁厚不均甚至破裂等嚴(yán)重缺陷。通過實驗發(fā)現(xiàn)：管材軋制送進(jìn)量的大小對渦流探傷也會產(chǎn)生一定的影響。送進(jìn)量較小的情況下，渦流探傷檢測精度高，當(dāng)軋制送進(jìn)量增大到一定值后，即使不產(chǎn)生軋制缺陷，也會由于金屬變形激烈、應(yīng)力集中等原因使管材本身渦流探傷噪聲加大[7]。

當(dāng)金屬及合金越硬、越難變形時，送進(jìn)量應(yīng)適當(dāng)減小，且工作機架的行程次數(shù)可以放慢，否則軋機的負(fù)荷增加，軋出的管材容易造成廢品。當(dāng)軋機的行程次數(shù)不變時，軋制不同類型的合金可根據(jù)不同的情況調(diào)整送進(jìn)量，例如：軋機型號LG-30，TA1、TA2管材軋后壁厚為0.40~2.50 mm，送進(jìn)量可選擇3.0~7.0 mm/次；軋后壁厚為2.60~6.00 mm時，送進(jìn)量則可調(diào)整為4.0~10.0 mm/次。

軋機的速度

軋機速度的選擇主要根據(jù)不使軋機負(fù)荷過于增大的原則來確定。小型軋機的速度比大型軋機的快，因小型軋機運動部分的重量和金屬的送進(jìn)體積??；而大型軋機的則相反，因慣性力矩很大而使傳動困難，為此，在軋機的主傳動部分增加動平衡裝置，可顯著提高速度。

擠壓工藝確定

鈦及鈦合金軋制，要求在工具合適的條件下制定正確的生產(chǎn)工藝，即要求轉(zhuǎn)角、送進(jìn)量、軋機速度、變形程度的配合。針對不同鈦合金型號的特點，制定合適的軋制工藝，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和成品率最大化。

雷江等通過實驗的方法研究了TA18鈦合金小規(guī)格厚壁管材變形量對成品管材顯微組織及力學(xué)性能的影響，張富平也通過實驗的方法研究了TA16小規(guī)格厚壁管材加工量對管材性能均勻性的影響[8]。

隨著有限元計算技術(shù)的發(fā)展，將有限元分析法和傳統(tǒng)的實驗方法結(jié)合起來，通過有限元數(shù)值模擬金屬塑性成形過程，優(yōu)化工藝參數(shù)后再進(jìn)行實驗，對提高經(jīng)濟效益和軋制效率具有實際應(yīng)用價值[9]。

結(jié)束語

鈦及鈦合金管材冷軋方法主要受轉(zhuǎn)角，變形程度、送進(jìn)量和軋機速度的選擇等因素影響。采用計算機模擬與實際相結(jié)合制定合理的軋制工藝，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。