鈦合金斜軋穿孔溫度預測方法研究

雷 楊，趙文婷，陳 肖，楊碧蕓

（西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西 西安 710201）

某鈦合金具有高韌性、耐腐蝕性能好、強度高、焊接能力好的優(yōu)勢，屬于近α型鈦合金的一種，被廣泛的應用于我國海洋和船舶領(lǐng)域，但鈦合金的制作工藝較復雜且不成熟，導致鈦合金在高科技領(lǐng)域中的應用推廣受到限制[1]。在鈦合金管材生產(chǎn)過程中，斜軋穿孔是制備無縫管坯的重要技術(shù)手段，對鈦合金管材質(zhì)量的好壞影響較大。雖然我國在鈦合金制作及應用方面取得了較好的應用效果，但在預測模型等方面還存在不足。

基于此，本文以某鈦合金為試驗原料，分析斜軋穿孔溫度預測方法在鈦合金質(zhì)量分析中的應用，為推動鈦合金斜軋穿孔技術(shù)發(fā)展提供幫助。

1 試驗原料及過程

本文試驗所選用的材料為鈦合金棒材，將其沿圓軸方向加工成φ8mm×12mm的圓柱狀試驗樣材。由于鈦合金的合金相變點為1010℃，故本次試驗溫度設(shè)計為850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃和1150℃，應變速率為0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1。

在斜軋穿孔試驗過程中樣材中心區(qū)域的金屬在交替擠壓過程中會形成疏松區(qū)，若及時進行塑性加工可制成空心毛管。根據(jù)制成的空心毛管的尺寸制作成三維模型進行斜軋穿孔試驗，試驗過程中軋輥與坯料之間的摩差系數(shù)設(shè)置為0.9，頂頭與坯料之間的摩差系數(shù)設(shè)置為0.3，導盤與坯料之間的摩差系數(shù)設(shè)置為0.6。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 熱模擬壓縮試驗結(jié)果分析

根據(jù)熱模擬壓縮試驗結(jié)果可知，鈦合金棒材的流動應力隨著溫度的逐漸升高而降低，隨著應變速率的逐漸增加而增大。在鈦合金棒材變形初期階段，因為變形位錯導致棒材變形加劇增大進而引起加工硬化，且鈦合金棒材的流動應力在小應變條件下快速達到最高值。

隨著棒材變形量的持續(xù)增加，溫度在小于1000℃（兩相區(qū)變形）的條件下流動應力具有連續(xù)軟化變化的特征，且應變速率與溫度變化呈負相關(guān)關(guān)系，即溫度越低，應變速率越大，棒材軟化越明顯。綜上所述，在單相區(qū)變形（溫度≥1050℃）時，鈦合金棒材的流動應力變化不大，總體上呈現(xiàn)出穩(wěn)定流變的規(guī)律。

當實驗溫度在鈦合金棒材合金相變點溫度1010℃左右時，樣材功率耗散系數(shù)等值線圖出現(xiàn)了較為明顯的彎折現(xiàn)象，這與合金相變關(guān)系密切，可得出鈦合金棒材加工時的2個失穩(wěn)區(qū)和2個高功率耗散安全區(qū)[2]。

因此，為了分析鈦合金棒材的顯微組織及性能，可以在2個高功率耗散安全區(qū)進行熱變形試驗。鈦合金棒材的抗變形能力隨著溫度的降低而增高，使得斜軋穿孔過程中常出現(xiàn)扎卡概率。

因此，綜合認為使用斜軋穿孔制備鈦合金棒材時選擇在單相區(qū)內(nèi)進行即可，此時溫度為1050℃～1100℃。

2.2 斜軋穿孔有限元模擬試驗結(jié)果

為了更加精確的分析鈦合金棒材斜軋穿孔溫度，本文采用了有限元模擬試驗方法。鈦合金棒材斜軋穿孔過程中的初始溫度是斜軋穿孔工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在制備鈦合金無縫管坯過程中，斜軋穿孔溫度過低，極易造成鈦合金管材變形抗力增大，導致金屬流動能力降低，進而容易使得鈦合金管材軸向力增大，進而發(fā)生扎卡等現(xiàn)象[3]；若斜軋穿孔溫度過高，不僅顯著的提高了能耗浪費量，而且容易使得鈦合金管材燒損大，造成管材中晶粒粗大，進而影響鈦合金管材的顯微組織和性能。

因此，在鈦合金管材斜軋穿孔工藝過程中控制初始溫度至關(guān)重要，初始溫度對鈦合金管材的顯微組織以及性能影響較大。

基于本文優(yōu)選出的2個安全工藝窗口，采用三維有限元模擬試驗設(shè)置初始溫度為1100℃、1050℃和950℃進行斜軋穿孔溫度試驗。試驗結(jié)果表明，在兩相區(qū)（溫度小于1000℃）950℃進行斜軋穿孔試驗過程中出現(xiàn)了扎卡現(xiàn)象，未能完成熱穿孔試驗；在單相區(qū)（溫度≥1050℃）1050℃和1100℃分別進行斜軋穿孔試驗，順利完成了熱穿孔試驗。根據(jù)頂頭軸向力與溫度的變化關(guān)系可以得出，在兩相區(qū)950℃進行斜軋穿孔試驗過程中頂頭軸向力出現(xiàn)激增，為單相區(qū)斜軋穿孔頂頭軸向力的5倍～6倍，導致這一現(xiàn)象的原因在于斜軋穿孔速率無法滿足準靜態(tài)變形條件導致。此外，當初始溫度在單相區(qū)1050℃和1100℃是能夠順利進行熱穿孔試驗，此時頂頭軸向力變化不大。綜合考慮斜軋穿孔工藝能耗以及鈦合金棒材顯微組織及性能，最終確定實際的斜軋穿孔試驗溫度為1050℃。采用單相區(qū)1050℃制作的鈦合金無縫管材內(nèi)外表面光滑、未見明顯的缺陷，質(zhì)量達到了試驗要求。

3 結(jié)語

綜上所述，在兩相變形區(qū)內(nèi)，鈦合金的流動應用隨著溫度的降低而明顯增加；在單相變形區(qū)內(nèi)，鈦合金的流動應力和應變速率變化范圍較小。

根據(jù)三維有限元模擬試驗顯示，在單相區(qū)1050℃和1100℃內(nèi)均能順利完成斜軋穿孔試驗，在兩相區(qū)950℃內(nèi)無法完成斜軋穿孔試驗，最終確定該類鈦合金的斜軋穿孔溫度為1050℃。