擠壓速度對TA16鈦合金管坯熱擠壓成型的影響

謝林均，朱栓平

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

TA16鈦合金是一種低合金化α型鈦合金，其名義成分為Ti-2Al-2.5Zr，具有較高的塑性和適中的強度，具有良好的壓力加工性能、可焊性和耐腐蝕性。該合金主要以管材的形式在航空、艦船及核反應堆等領域作為熱交換器中的管路系統，承受高溫、高壓、水蒸氣介質的作用，工作溫度可達400～450℃[1]。

本文對在相同加熱制度前提下，分別以60～120mm/s和180～240mm/s兩種不同擠壓速度熱擠壓成型φ86mm×15mm×TA16管坯，并研究分析了兩種不同擠壓速度對熱擠壓成型管坯金相組織、室溫力學性能、截面尺寸精度及表面質量狀況的影響，得出了對擠壓速度選擇的結論依據。

1 實驗材料及試驗方法

1.1 實驗材料

所用鑄錠經真空自耗電弧爐兩次熔煉而成，成分波動極小，化學成分（質量分數%）為：Al 2.1～2.3，Zr 2.4～2.5，Fe 0.07，Si＜ 0.01，C 0.01，N0.006，H0.0012，O 0.05～0.06，余量Ti。完全滿足標準規定，相變點930～940℃。

1.2 實驗方法

采用設備：3150t臥式擠壓機、箱式電阻爐等設備。

管坯制備工藝方案為：鍛棒→錠坯制備→包套→加熱→擠壓→矯直→酸洗→機加→檢查→待冷軋管坯。

實驗內容：①選取相同加熱制度（850℃×3h），同爐次的錠坯，采用60～120mm/s和180～240mm/s兩種不同擠壓速度熱擠壓成型φ86mm×15mm×TA16管坯，②取樣對比研究分析兩種不同擠壓速度對管坯金相組織、室溫力學性能的影響；③對比檢查兩種不同擠壓速度對管坯內外表面質量及截面尺寸精度的影響；④得出擠壓速度選擇的結論。

2 實驗結果與分析

2.1 擠壓速度對金相組織的影響

由圖1可見，兩種擠壓速度擠壓TA16管坯的金相組織并沒有發生顯著的變化組織均為典型α+β兩相區加工形成的組織，由于擠壓溫度較高，無完整原始β晶界，材料在擠壓過程中發生了一定程度的動態再結晶，基本上為等軸α+拉長的片狀α晶粒尺寸變化不大，平均晶粒尺寸為12μm，晶粒較為細小。圖b)相較圖a)晶粒尺寸大小均勻性提高。這是由于擠壓速度相對較低時，由于沒有足夠的應變能，合金只發生部分再結晶。而隨著擠壓速度的提高，合金的應變速率加快，體系應變能也相應升高，合金發生了動態再結晶的程度提高。

圖1 不同擠壓速度φ86mm×15mm×TA16管坯的金相組織(50μm)

2.2 擠壓速度對室溫力學性能的影響

室溫力學性能（GB/T 228.1-2010）如表1所示。其室溫力學性能幾乎相同并無多大變化，均達到該牌號擠壓管坯標準的使用要求[2]。

表1 不同擠壓速度擠壓管坯的室溫力學性能

2.3 擠壓速度對壁厚偏差的影響

由圖2可見，擠壓管壁厚偏差情況擠壓速度為180～240mm/s平均壁厚偏差達到了1.29mm，擠壓速度為60～120mm/s平均壁厚偏差僅0.43mm。擠壓速度為60～120mm/s時擠壓管坯的壁厚偏差明顯小于擠壓速度為擠壓速度為180～240mm/s時擠壓的TA16管坯。

圖2 兩種擠壓速度壁厚偏差情況

2.4 擠壓速度對內表面質量的影響

實際擠壓過程中，影響管坯內表面質量的因素很多。控制溫度均勻性以及出爐過程中的溫度損失程度、潤滑等因素不變是研究不同擠壓速度對管坯表面質量的影響的前提。

如圖3所示，擠壓速度越高，得到的擠壓管坯表面缺陷越多，質量越差。由于850℃×3h高溫加熱待擠壓錠坯表面包覆的銅材及鋼材氧化嚴重，保護及潤滑性大幅降低，較高的擠壓速度導致摩擦熱和變形熱增大，導致內孔實際變形過程中的溫度在熱效應的影響下持續升高，擠壓變形過程中基體金屬表面流動受阻，內部流動快，流速差增大，導致內表面凹坑、橫向拉裂等缺陷產生。

圖3 兩種擠壓速度φ86mm×15mm×TA16管坯的內表面質量

擠壓速度維持在60～120mm/s，金屬表里流速差較小，表面橫向拉裂缺陷消失，表面質量好。但是，擠壓速度過低，高溫擠壓對工模具使用壓力增大，尤其擠壓針長時間接觸高溫金屬，易造成粘針，變形，甚至斷針；擠壓過程中溫度不斷散失降低，造成擠壓機悶車的概率升高。因此實際擠壓速度不得低于60mm/s。

3 結論

（1）擠壓速度對熱擠壓TA16管坯的金相組織和室溫力學性能沒有顯著影響。

（2）擠壓速度為60～120mm/s時擠壓管坯的壁厚偏差明顯小于擠壓速度為擠壓速度為120～180mm/s時擠壓的TA16管坯。

（3）擠壓速度維持在60～120mm/s，金屬表里流速差較小，表面橫向拉裂缺陷消失，表面質量好。