TC2鈦合金軋制管材表面裂紋產生原因分析

侯振杰　成小麗　晏小兵

摘 要：文章研究了TC2鈦合金軋制過程中表面容易產生開裂現象的原因，研究了溫軋制、軋制工藝、表面處理方式等因素對TC2合金管材開裂的影響。研究證明：采用在線加熱溫軋制、內外表面強酸洗及內鉸處理方式、合理的軋制工藝能夠滿足TC2合金管材產品質量要求。

關鍵詞：TC2合金管材；溫軋；表面處理

1 概述

TC2鈦合金屬于中高強鈦合金，該金屬在航空、航天行業中的應用迅速發展，市場需求量越來越大，前景十分廣闊。但是該合金的小規格管材生產仍有很大層次上的空缺。由于TC2鈦合金強度較高，塑性較差，加工過程中易產生裂紋等缺陷，其管材生產成品率非常低，國內對鈦及鈦合金管材生產目前采用擠壓-軋制法生產，擠壓管坯規格較大，軋制道次較多，軋制易產生裂紋，為解決這一難題，本次通過研究TC2鈦合金管材產生裂紋的原因，探索冷軋管材最佳工藝參數，提高產品內在質量和成品率，成功開發出穩定管材產品，使其盡快滿足市場的需求。

2 實驗過程

2.1 管坯制備

Ф220鍛棒經3150噸擠壓制得Ф70×9和Ф80×12兩種規格管坯。

2.2 實驗設備

采用LG80和LG55兩輥軋機按照設定的變形量開坯軋制。再根據設備能力，依次選用LD30、LD15三輥軋機軋制。

2.3 工藝設計

2.3.1 工藝流程

擠壓坯料準備→加熱→擠壓→精整→內外表面處理→軋制→除油→酸洗→退火→矯直→修理→檢查→軋制→除油→酸洗→退火→矯直→水壓→探傷→成品管

2.3.2 工藝方案

方案1：在線加熱300～400℃溫軋制與冷軋裂紋及表面開裂支數對比，研究溫軋開坯對管材產生裂紋的影響。

方案2：制管坯進行一道次或兩道次內鉸處理，外表面多次扒皮及強酸洗等多種處理方式，盡可能消除裂紋的產生源頭，研究其對管材產生裂紋的影響。

方案3：合理設計管材軋制各道次加工率，減徑率與減壁率的匹配（Q值），工模具的合理設計，使變形過程中的應力分布更有利于塑性的發揮，減少裂紋的產生。

3 結果與分析

（1）溫軋開坯對管材產生裂紋的影響。

由表1可知，當采用冷軋軋制時，TC2管材產生裂紋的比率為23.96%；當采用溫軋軋制方式時，TC2管材產生裂紋的支數比率降低到16.95%。

由于TC2冷加工塑性較差，變形抗力較大，由金屬材料的塑性加工理論可知，材料在較低的溫度下變形時，如果冷軋加工率比較大，塑性變形時原子間滑移比較困難，金屬變形過程中產生的應力集中不能得到迅速松弛，就會導致管材發生開裂[1，2]。所以采用冷軋開坯會導致管材產生裂紋趨勢幾率加大，采用溫軋開坯，較好發揮金屬塑性，降低變形抗力及內應力，從而改善管坯質量，減少裂紋的產生。

（2）管坯內外表面處理產生裂紋的影響。

不同工藝條件下的管材其外表面質量和尺寸精度均無明顯區別，都能很好滿足標準的要求，但就內表面質量比較而言，管坯內表面未內鉸工藝的管材內表面縱向起皺條紋明顯且可見裂紋；而內鉸工藝的管材內表面比較光滑，無縱向條紋。

管材有無裂紋用超聲波探傷結果如下：

a.未經內鉸的14支管材超聲全部不合格，從定傷位解剖分析，由于內表面缺陷造成。

b.軋制前增加一道內鉸，分析對原始缺陷內鉸去除比較有利，內表面相對光滑，管材超聲合格率達63%。

c.內鉸工序在管材成品軋制前一道次，管材超聲合格率達63%；說明內鉸工序越靠近成品，對缺陷的去除越有利，內表面解剖證明表面光滑無起皺條紋。

d.兩次強酸洗修理管材，超聲合格率可為79%。強酸洗修理可以去除管材內外表面氧化層、溝條和有裂紋趨勢的較深溝條、微裂紋，防止了裂紋擴展，使軋制管材內外表面光滑。

（3）小減徑孔型系列、兩輥軋機開坯中采用雙錐度芯頭等可以改善管材變形區內表面受力狀態，減少內表面裂紋（起皺）的產生。對降低TC2管材內表面裂紋產生具有明顯效果。

根據參考相關文獻：中高強鈦合金軋制管材選用LG系列軋制和LD系列軋制，道次加工量分別選為40～55%和28～35%、Q值為1.5～1.7、軋制送進量3～5mm/次；該工藝配合上述溫軋制及表面處理方案應為最佳工藝方案，進一步大大減少了管材軋制裂紋，管材超聲合格率可達到89%甚至更高。

4 結束語

（1）溫軋開坯在管材裂紋去除效果上比冷軋開坯好。

（2）采用管坯內表面鉸削及多道次強酸洗處理可有效提高超聲合格率。

（3）合理的工模具及工藝可顯著降低內表面裂紋的產生，可作為主導生產工藝。

參考文獻

[1]王占學.塑性加工金屬學[M].北京：冶金工業出版社，1989.

[2]張錄強，白宏斌，朱海林.塑性變形及熱處理對鉭鉿合金管組織性能影響[J].中國材料進展，2005，24（6）.