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、強度高、比強度大、無磁性、導熱率小、彈性模量、抗阻尼性能低等特點，廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、化工等領域。其中 TC4 鈦合金的應用較為廣泛。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度以及良好的熱穩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， 比強度高，焊接性能良好，結構效益高，耐久性和損傷容限高，綜合性能優異 。
TC4 鈦合金管材的使用日趨迫切并已成為未來趨勢。國外在 Ti-6Al-4V 合金的基礎上進行了多種成分調整發展出的如 GR5、GR23、GR29 等鈦合金已運用于實際生產制造。國內也早于 20 世紀 90 年代開展 TC4 鈦合金的成分適應性的調整及相關規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、變形抗力高等原因導致工序復雜、生產周期長、加工難度大、成品率低。TC4 鈦合金管材的生產多以熱擠壓制坯的方法為主，技術相對成熟，成品規格多，后續多采用溫軋或機加工兩種方式進行深加工以針對不同的性能需求。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，并經過多次鍛造開坯，機加工得到 Φ210mm 的錠坯，其化學成分（質量分數，%）為 ：Al：5.5~6.75，V：3.5~4.5，Fe ≤ 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。金相法測得相變點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→清潔→成品檢查→包裝 →入庫。
工藝 2（擠壓 + 機加）：3150t 臥式擠壓機擠壓管坯→溫 矯直→熱處理→三點壓力矯直→機加→酸洗→無損檢測→ 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，不得忽高忽低，對設備的結構及功能穩定性要求較高。
目前多以兩輥軋機為主要平臺進行溫軋，芯頭采用硬質合金鋼。機加應保證工藝設計的機加余量足夠，對坯料平直度、幾何尺寸一致性及表面質量等要求較高，需要在機加前進行三點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 臥式擠壓機上熱擠壓得到的 TC4 鈦合金無縫管實物分別對兩種工藝路線試制得到的管材進行取樣，對比分析金相組織、力學性能的差異性。目視檢查 對比其表面質量。
1.2.2 取樣
對工藝 1 路線管坯擠壓態（R）取樣，試樣編號 ：1-1、 1-2 ；對 工藝 2 路線管坯擠壓態（R）取樣，試樣編號 ：1-3、1-4 ；對工藝 1 路線管材退火態（M）取樣，試樣編 號 ：2-1、2-2 ；對工 藝2路線管材退火態（M）取樣，試樣編 號 ：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，隨后機加 至 Φ5×80mm 的圓棒樣，在 TC-12-066 拉伸機上進行室溫拉伸性能測試。
對擠壓態（R）和兩種工藝路線得到的管材的退火態（M） 的金相試樣進行磨制、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 金相組織和力學性能的對比
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) 兩相區組織，其組織形貌兼有網籃組織和魏氏組織。
在片層 α 相組織區域邊緣存在著轉變 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行溫軋，得到的組織更加細密均勻。工藝 2 得到的管材的金相組織）在機加退火后，組織形貌基本延續了擠壓態，組織均勻化有一定有限的提升，晶粒略有長大，晶內部分長條形 α 相變厚，晶界上的 α 相也開始粗化。
2.1.2 力學性能
，擠壓法生產的 TC4 鈦合金無縫管材擁有良好的室溫力學性能。工藝 1 相較于工藝 2，抗拉強度 Rm 和屈服強度Rρ0.2 均略高，延伸率較高。整體力學性能上進行比較，工藝 1 制備的 TC4 鈦合金無縫管材的綜合力學性能更加優異，這與組織形貌的顯示相匹配。
2.2 表面質量的對比
采用熱擠壓法在 3150t 擠壓機平臺上得到的 TC4 管坯長度一般為 8m。頭部 300mm 位置的外表面有規律性的折疊和凹坑不平缺陷，呈環形周向分布，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致。尾部 200mm 位置的內表面有輕微折疊缺陷，這是由于變形即將結束的尾部內表面潤滑劑由于消耗損失導致潤滑能力下降，摩擦熱增大，內表面金屬在個別位面上的塑性差異，以及金屬粘結剝離摩擦導致。管坯頭尾的缺陷并不會 影響到后續管材的過程質量穩定性，可在后續工序上通過機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量優異，表面粗糙度均能達到 3.2 以下，無明顯差別，遠高于指標要求。但工藝 1 在實際生產過程中工序較長，過程控制難點較多，過程穩定性較低，個別工序的加工難度較大。工藝 2 造成的材料損失較大，機加工后的金屬屑基本無有效用途，材料成本較高，生產同樣長度的成品管材需要較長的擠壓錠坯，或者調整擠壓管坯的規格才能減少機加損失。
1）熱擠壓 TC4 鈦合金無縫管材的組織形貌兼有網籃組織和魏氏組織。工藝 1 相較于工藝 2 得到的組織更加細密均勻。
（2）工藝 1 相較于工藝 2，抗拉強度和屈服強度均略高。整體力學性能上比較，工藝 1 制備的 TC4 鈦合金無縫管材更為優異。
（3）工藝 1 和工藝 2 制備的管材表面質量均優異。工藝 1 在實際生產過程中穩定性較低，過程控制難點多，加工難度較大。工藝 2 造成的材料損失較大，材料成本較高，生產同樣長度的成品管材需要較長的擠壓錠坯。
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