张君峰

摘 要：主要研究了TAl6钛合金挤压锭坯制备工藝技术、挤压温度、变形程度、退火工艺制度、表面处理工艺方法、化学成分、工艺与组织性能相关性的研究，掌握了该钛合金的热加工变形特点，确定了热加工的工艺路线及参数.

关键词：钛合金；管材；冷变形

一、钛合金管材研制的现状

在钛合金管制造方面，世界各国一直致力于提高钛合金管的可靠性和柔韧性，扩大产品系列。目前，国外发达国家的钛及钛合金无缝管的制造技术已比较成熟。对于低强度、低合金化的钛及钛合金无缝管制造均采用冷轧真空退火工艺，而管坯制备主要采用钻孔挤压和斜轧穿孔两类工艺，其中钻孔挤压方法的金属消耗量大，工艺废料高达10%～15%，但管坯壁厚均匀；而采用斜轧穿孔方法的金属消耗量小，工艺废料为1%～3%，轧制变形的温度、速度范围较宽，道次变形量可达20%～90%，可减少加热次数和钛合金的氧化损失，提高成品率，但缺点是管坯厚度公差稍大。目前，斜轧穿孔是无缝管生产的主要方法。对中、高强钛合金无缝管，则采用温轧技术，即在轧管机上安装感应加热装置，一般温度控制在再结晶温度以下100℃左右。采用温轧技术可生产中等规格的TA16钛合金管材。采用开式模具挤压商业纯钛管的可行性。结果表明，采用开式模反向挤压制造纯钛管的质量较高，消耗的润滑剂少，且模具结构较挤压制管方式简单，但这种方式只适用于比较短的管件的制造。提高管材的性能和承载能力一直是钛管研制领域的热门课题，世界各钛管生产制造商不断提高钛合金管的强度极限。在美国，通过采用去应力退火方式已经可以安全、可靠地实现860MPa级的高强钛合金管Gr9的制造。虽然高强度有助于提高钛管的抗拉、扭转等能力，扩大其抗拉伸、耐高压、复合疲劳等的适应性，但强度提高的同时也会导致塑性、韧性降低，增大裂纹敏感性，并增加后续的弯曲、管端头成形的难度。因此，随着钛管应用的不断扩大，除了材料强度以外，还应更加关注钛管性能的其他方面，包括塑性、韧性、疲劳寿命、显微组织以及焊接性能等，以达到综合性能的良好匹配。由于钛无缝管加工工序多、生产周期长、效率低、成本高，使得其应用受到限制。而基于钛带轧制、焊接工艺为主的钛焊管，由于材料利用率高、生产效率高，而且其扩管、弯曲性能也与无缝管几乎无差别，所以国内外钛焊管的用量在逐年增加，各国也都在发展自己的钛焊管生产体系，并在电站冷凝器中日益得到应用。在低强、低合金化钛合金无缝管制造方面，我国同样采用冷轧真空退火工艺，该技术在我国已经成熟。

二、试验材料及试验方法

1.试验材料。铸锭经锻造、机加工，材料的主要化学成分（质量分数，%）为：1.8～2.3Al，2.3～2.6Zr，余量Ti。

2.试验方法。采用外热式真空退火炉、5m真空退火炉及LD30、LD15冷轧管机等设备。试验内容为：①采用不同冷变形程度研究冷轧管材组织性能；②对两种冷变形程度ε=30%和63.7%的管材在600、650、700、800℃的不同退火温度下研究冷轧管材组织性能；③Q值（壁厚减薄率与减径率之比）对冷轧管材力学性能的研究；④管材高温拉伸性能研究。

三、结果与讨论

1.冷变形程度对管材组织性能的影响。不同冷变形程度TA16合金管材的组织和性能如图1、2所示。

冷加工过程中，金属内部没有任何回复机制，金属组织和性能的变化纯粹由塑性变形造成。首先，内能（储存能）增加。内能主要以结构缺陷和弹性变形能等形式储存在金属中，约占金属发生塑性变形的内消耗功的百分之几到百分之十几，内能的存在使冷加工后金属自由能升高；其次，晶粒外形随着变形方向拉长，形成不同程度的择优取向，对于管材，主要表现在纵向；晶内产生了胞状亚组织、位错、空位等结构缺陷；第三，金属的许多结构敏感性质发生了相应的变化，如强度、硬度升高，塑性下降即加工硬化，以及性能上的各向异性。由图1可见，随冷变形量增加，管材的组织由等轴晶变为拉长晶，并且拉长的方向是延管材纵向拉长。变形量越大，晶粒被拉长的程度也越大。由图2可见，随冷变形量增加，管材强度值上升，塑性值下降。当变形70.9%时，强度在940MPa，管材仍有8%的延伸塑性，这说明材料确实有很好的冷加工性能。

2.Q值对管材力学性能的影响。Q值是间接描述管材形变织构优劣的一个参数，其值大小对管材拉伸性能产生影响，力学性能与Q值对应关系见图3。由图3可知：Q值在1.7以下时，随Q值增大，塑性逐渐上升；Q值在1.7以上时，基本不随Q值的增加而发生变化；Q值大的比Q值小的塑性高约20%。强度随Q值增加发生变化。

3.冷轧管材高温拉伸性能。TA16合金管材主要在核反应堆热交换系统、飞机发动机防火和液压系统等场合使用，工作温度通常在300℃左右，并且承受一定压力，材料在高温下的力学性能表现对整个系统的稳定性和安全性非常重要。对成品退火并加工率42.4%，经700℃×1h再结晶退火的冷轧管材进行不同温度下的拉伸性能，随试验温度升高，强度下降，在200℃以下时下降得较快，之后变化缓慢；塑性在较低温度时，随温度升高而略有升高，200～400℃之间则变化缓慢。在200～400℃之间，强度和塑性均处于相对稳定的区域。在400℃时，材料仍有很高的强度（σb为320MPa，σ0.2为225MPa）和较好的塑性（δ5≥23%），材料性能在此温度范围内对温度的这种不敏感性，对材料在300℃左右温度下长期使用的可靠性是非常有利的。

采用热挤压方法生产TAl6钛合金热加工管材的工艺是完全可行的，该合金可在较宽温度范围内进行较大的热变形.退火管材具有良好的组织和室、高温机械性能。氧含量是提高挤压管材强度的有效途径之一。

参考文献

[1]李雯.TAl6钛合金的发展应用及其特点分析[J].材料工程，2016.（10）：3-6

[2]林媛.钛及钛合金管材生产技术现状[J].稀有金属快报，2016.24（2）：1-2