鈦合金斜軋穿孔溫度預(yù)測(cè)方法研究

雷 楊，趙文婷，陳 肖，楊碧蕓

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

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

基于此，本文以某鈦合金為試驗(yàn)原料，分析斜軋穿孔溫度預(yù)測(cè)方法在鈦合金質(zhì)量分析中的應(yīng)用，為推動(dòng)鈦合金斜軋穿孔技術(shù)發(fā)展提供幫助。

1 試驗(yàn)原料及過(guò)程

本文試驗(yàn)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(yàn)樣材。由于鈦合金的合金相變點(diǎn)為1010℃，故本次試驗(yàn)溫度設(shè)計(jì)為850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃和1150℃，應(yīng)變速率為0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1。

在斜軋穿孔試驗(yàn)過(guò)程中樣材中心區(qū)域的金屬在交替擠壓過(guò)程中會(huì)形成疏松區(qū)，若及時(shí)進(jìn)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(jìn)行斜軋穿孔試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)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(dǎo)盤與坯料之間的摩差系數(shù)設(shè)置為0.6。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱模擬壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)熱模擬壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知，鈦合金棒材的流動(dòng)應(yīng)力隨著溫度的逐漸升高而降低，隨著應(yīng)變速率的逐漸增加而增大。在鈦合金棒材變形初期階段，因?yàn)樽冃挝诲e(cuò)導(dǎo)致棒材變形加劇增大進(jìn)而引起加工硬化，且鈦合金棒材的流動(dòng)應(yīng)力在小應(yīng)變條件下快速達(dá)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(dòng)應(yīng)力具有連續(xù)軟化變化的特征，且應(yīng)變速率與溫度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即溫度越低，應(yīng)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(shí)，鈦合金棒材的流動(dòng)應(yīng)力變化不大，總體上呈現(xiàn)出穩(wěn)定流變的規(guī)律。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度在鈦合金棒材合金相變點(diǎn)溫度1010℃左右時(shí)，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(shí)的2個(gè)失穩(wěn)區(qū)和2個(gè)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(gè)高功率耗散安全區(qū)進(jìn)行熱變形試驗(yàn)。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(guò)程中常出現(xiàn)扎卡概率。

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

2.2 斜軋穿孔有限元模擬試驗(yàn)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(yàn)方法。鈦合金棒材斜軋穿孔過(guò)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(wú)縫管坯過(guò)程中，斜軋穿孔溫度過(guò)低，極易造成鈦合金管材變形抗力增大，導(dǎo)致金屬流動(dòng)能力降低，進(jìn)而容易使得鈦合金管材軸向力增大，進(jìn)而發(fā)生扎卡等現(xiàn)象[3]；若斜軋穿孔溫度過(guò)高，不僅顯著的提高了能耗浪費(fèi)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(jìn)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(guò)程中控制初始溫度至關(guān)重要，初始溫度對(duì)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(gè)安全工藝窗口，采用三維有限元模擬試驗(yàn)設(shè)置初始溫度為1100℃、1050℃和950℃進(jìn)行斜軋穿孔溫度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在兩相區(qū)（溫度小于1000℃）950℃進(jìn)行斜軋穿孔試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了扎卡現(xiàn)象，未能完成熱穿孔試驗(yàn)；在單相區(qū)（溫度≥1050℃）1050℃和1100℃分別進(jìn)行斜軋穿孔試驗(yàn)，順利完成了熱穿孔試驗(yàn)。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(jìn)行斜軋穿孔試驗(yàn)過(guò)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(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于斜軋穿孔速率無(wú)法滿足準(zhǔn)靜態(tài)變形條件導(dǎo)致。此外，當(dāng)初始溫度在單相區(qū)1050℃和1100℃是能夠順利進(jìn)行熱穿孔試驗(yàn)，此時(shí)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(shí)際的斜軋穿孔試驗(yàn)溫度為1050℃。采用單相區(qū)1050℃制作的鈦合金無(wú)縫管材內(nèi)外表面光滑、未見(jiàn)明顯的缺陷，質(zhì)量達(dá)到了試驗(yàn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在兩相變形區(qū)內(nèi)，鈦合金的流動(dòng)應(yīng)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(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變速率變化范圍較小。

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