鈦合金加工中 TC4無縫管材工藝研究
鈦合金加工中 TC4無縫管材工藝研究
鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、無磁性、導(dǎo)熱率小、彈性模量、抗阻尼性能低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、化工等領(lǐng)域。其中 TC4 鈦合金的應(yīng)用較為廣泛。TC4 鈦合金是一種典型的 (α+β) 兩相鈦合金，它具有較高的蠕變抗力和持久強(qiáng)度以及良好的熱穩(wěn)定性和耐沖刷腐蝕性能，能耐高溫 300℃的含鹽與酸性的流體的腐蝕， 比強(qiáng)度高，焊接性能良好，結(jié)構(gòu)效益高，耐久性和損傷容限高，綜合性能優(yōu)異 。
TC4 鈦合金管材的使用日趨迫切并已成為未來趨勢(shì)。國外在 Ti-6Al-4V 合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種成分調(diào)整發(fā)展出的如 GR5、GR23、GR29 等鈦合金已運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)制造。國內(nèi)也早于 20 世紀(jì) 90 年代開展 TC4 鈦合金的成分適應(yīng)性的調(diào)整及相關(guān)規(guī)格無縫管材的工藝試制工作。鈦合金管材加工由于材料壓力加工范圍窄、變形抗力高等原因?qū)е鹿ば驈?fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、加工難度大、成品率低。TC4 鈦合金管材的生產(chǎn)多以熱擠壓制坯的方法為主，技術(shù)相對(duì)成熟，成品規(guī)格多，后續(xù)多采用溫軋或機(jī)加工兩種方式進(jìn)行深加工以針對(duì)不同的性能需求。也可采用斜軋穿孔法制備管坯，但其性能相較于熱擠壓法較低。
1.1 材料
所用鑄錠采用真空自耗電弧爐二次熔煉，并經(jīng)過多次鍛造開坯，機(jī)加工得到 Φ210mm 的錠坯，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為 ：Al：5.5~6.75，V：3.5~4.5，F(xiàn)e ≤ 0.03，O ：0.20， H≤0.015，N≤0.05，C≤0.08，Ti余量，滿足GB/ T3620.1-2007要求。金相法測(cè)得相變點(diǎn)995℃。
1.2 方法
1.2.1 制定的兩種工藝路線
工藝 1（擠壓 + 溫軋）：3150t 臥式擠壓機(jī)擠壓管坯→溫矯直→酸洗→化涂→溫軋→除油→酸洗→真空退火→矯直 →平頭→拋光→酸洗→無損檢測(cè)→清潔→成品檢查→包裝 →入庫。
工藝 2（擠壓 + 機(jī)加）：3150t 臥式擠壓機(jī)擠壓管坯→溫 矯直→熱處理→三點(diǎn)壓力矯直→機(jī)加→酸洗→無損檢測(cè)→ 清潔→成品檢查→包裝→入庫。
溫軋過程中的管坯加熱溫度及過程溫度控制非常重要， 要求軋制過程的溫度要均衡平穩(wěn)，不得忽高忽低，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及功能穩(wěn)定性要求較高。
目前多以兩輥軋機(jī)為主要平臺(tái)進(jìn)行溫軋，芯頭采用硬質(zhì)合金鋼。機(jī)加應(yīng)保證工藝設(shè)計(jì)的機(jī)加余量足夠，對(duì)坯料平直度、幾何尺寸一致性及表面質(zhì)量等要求較高，需要在機(jī)加前進(jìn)行三點(diǎn)壓力矯直管坯的直線度，以滿足車削加工的精度。熱處理采用大氣爐空冷。真空退火要求退火爐真空度 ≤ 0.1Pa，隨爐冷卻至室溫。
在 3150t 臥式擠壓機(jī)上熱擠壓得到的 TC4 鈦合金無縫管實(shí)物分別對(duì)兩種工藝路線試制得到的管材進(jìn)行取樣，對(duì)比分析金相組織、力學(xué)性能的差異性。目視檢查 對(duì)比其表面質(zhì)量。
1.2.2 取樣
對(duì)工藝 1 路線管坯擠壓態(tài)（R）取樣，試樣編號(hào) ：1-1、 1-2 ；對(duì) 工藝 2 路線管坯擠壓態(tài)（R）取樣，試樣編號(hào) ：1-3、1-4 ；對(duì)工藝 1 路線管材退火態(tài)（M）取樣，試樣編 號(hào) ：2-1、2-2 ；對(duì)工 藝2路線管材退火態(tài)（M）取樣，試樣編 號(hào) ：3-1、3-2。取樣位 置為管材頭部 200mm 處。分別取 8mm×8mm×80mm 縱向方 棒樣，隨后機(jī)加 至 Φ5×80mm 的圓棒樣，在 TC-12-066 拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試。
對(duì)擠壓態(tài)（R）和兩種工藝路線得到的管材的退火態(tài)（M） 的金相試樣進(jìn)行磨制、拋光，采用酸性溶液腐蝕后，拍攝試樣橫向高倍金相照片，照片精度為 50μm。
2.1 金相組織和力學(xué)性能的對(duì)比
2.1.1 金相組織
熱擠壓得到的 TC4 鈦合金無縫管金相組織為典型 (α+β) 兩相區(qū)組織，其組織形貌兼有網(wǎng)籃組織和魏氏組織。
在片層 α 相組織區(qū)域邊緣存在著轉(zhuǎn)變 β 相，β 晶粒粗大，無等軸 α，有針狀 α 和條狀 α，有晶界 α 和大塊 α，。工藝 1 得到的管材的金相組織進(jìn)行溫軋，得到的組織更加細(xì)密均勻。工藝 2 得到的管材的金相組織）在機(jī)加退火后，組織形貌基本延續(xù)了擠壓態(tài)，組織均勻化有一定有限的提升，晶粒略有長(zhǎng)大，晶內(nèi)部分長(zhǎng)條形 α 相變厚，晶界上的 α 相也開始粗化。
2.1.2 力學(xué)性能
，擠壓法生產(chǎn)的 TC4 鈦合金無縫管材擁有良好的室溫力學(xué)性能。工藝 1 相較于工藝 2，抗拉強(qiáng)度 Rm 和屈服強(qiáng)度Rρ0.2 均略高，延伸率較高。整體力學(xué)性能上進(jìn)行比較，工藝 1 制備的 TC4 鈦合金無縫管材的綜合力學(xué)性能更加優(yōu)異，這與組織形貌的顯示相匹配。
2.2 表面質(zhì)量的對(duì)比
采用熱擠壓法在 3150t 擠壓機(jī)平臺(tái)上得到的 TC4 管坯長(zhǎng)度一般為 8m。頭部 300mm 位置的外表面有規(guī)律性的折疊和凹坑不平缺陷，呈環(huán)形周向分布，所示。頭部 300mm 以后外表面再無缺陷。這是由于錠坯端面直角位置在加熱及變形過程中容易熱集中，坯料內(nèi)外金屬塑性不均， 且處于劇烈變化的位置，同一截面上金屬流速非常不均勻所導(dǎo)致。尾部 200mm 位置的內(nèi)表面有輕微折疊缺陷，這是由于變形即將結(jié)束的尾部?jī)?nèi)表面潤滑劑由于消耗損失導(dǎo)致潤滑能力下降，摩擦熱增大，內(nèi)表面金屬在個(gè)別位面上的塑性差異，以及金屬粘結(jié)剝離摩擦導(dǎo)致。管坯頭尾的缺陷并不會(huì) 影響到后續(xù)管材的過程質(zhì)量穩(wěn)定性，可在后續(xù)工序上通過機(jī)加修磨等形式予以消除。
工藝 1 和工藝 2 制備得到的 TC4 鈦合金無縫管材的表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，表面粗糙度均能達(dá)到 3.2 以下，無明顯差別，遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求。但工藝 1 在實(shí)際生產(chǎn)過程中工序較長(zhǎng)，過程控制難點(diǎn)較多，過程穩(wěn)定性較低，個(gè)別工序的加工難度較大。工藝 2 造成的材料損失較大，機(jī)加工后的金屬屑基本無有效用途，材料成本較高，生產(chǎn)同樣長(zhǎng)度的成品管材需要較長(zhǎng)的擠壓錠坯，或者調(diào)整擠壓管坯的規(guī)格才能減少機(jī)加損失。
1）熱擠壓 TC4 鈦合金無縫管材的組織形貌兼有網(wǎng)籃組織和魏氏組織。工藝 1 相較于工藝 2 得到的組織更加細(xì)密均勻。
（2）工藝 1 相較于工藝 2，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均略高。整體力學(xué)性能上比較，工藝 1 制備的 TC4 鈦合金無縫管材更為優(yōu)異。
（3）工藝 1 和工藝 2 制備的管材表面質(zhì)量均優(yōu)異。工藝 1 在實(shí)際生產(chǎn)過程中穩(wěn)定性較低，過程控制難點(diǎn)多，加工難度較大。工藝 2 造成的材料損失較大，材料成本較高，生產(chǎn)同樣長(zhǎng)度的成品管材需要較長(zhǎng)的擠壓錠坯。
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