鈦合金加工中TC4無縫管材工藝研究

謝林均，鳳偉中，代 春，張平輝

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、無磁性、導(dǎo)熱率小、彈性模量、抗阻尼性能低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、化工等領(lǐng)域。其中TC4鈦合金的應(yīng)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(qiáng)度以及良好的熱穩(wěn)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(qiáng)度高，焊接性能良好，結(jié)構(gòu)效益高，耐久性和損傷容限高，綜合性能優(yōu)異[1]。

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(chǔ)上進(jìn)行了多種成分調(diào)整發(fā)展出的如GR5、GR23、GR29等鈦合金已運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)制造。國內(nèi)也早于20世紀(jì)90年代開展TC4鈦合金的成分適應(yīng)性的調(diào)整及相關(guān)規(guī)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?qū)е鹿ば驈?fù)雜、生產(chǎn)周期長、加工難度大、成品率低。TC4鈦合金管材的生產(chǎn)多以熱擠壓制坯的方法為主，技術(shù)相對成熟，成品規(guī)格多，后續(xù)多采用溫軋或機(jī)加工兩種方式進(jìn)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。

本文主要以擠壓制坯為主線對“擠壓+溫軋”和“擠壓+機(jī)加”兩種后續(xù)的加工工藝路線試制TC4鈦合金無縫管材進(jìn)行了對比研究。通過研究對比其金相組織、力學(xué)性能和表面質(zhì)量的差異，為后續(xù)的TC4鈦合金無縫管材加工生產(chǎn)制造提供參考。

1 材料及方法

1.1 材料

所用鑄錠采用真空自耗電弧爐二次熔煉，并經(jīng)過多次鍛造開坯，機(jī)加工得到Φ210mm的錠坯，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：Al：5.5～6.75，V ：3.5～4.5，F(xiàn)e≤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(diǎn)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(jī)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(jī)加）：3150t臥式擠壓機(jī)擠壓管坯→溫矯直→熱處理→三點(diǎn)壓力矯直→機(jī)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(wěn)，不得忽高忽低，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)及功能穩(wěn)定性要求較高。

目前多以兩輥軋機(jī)為主要平臺進(jìn)行溫軋，芯頭采用硬質(zhì)合金鋼。機(jī)加應(yīng)保證工藝設(shè)計的機(jī)加余量足夠，對坯料平直度、幾何尺寸一致性及表面質(zhì)量等要求較高，需要在機(jī)加前進(jìn)行三點(diǎn)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[2]。

在3150t臥式擠壓機(jī)上熱擠壓得到的TC4鈦合金無縫管實(shí)物如圖1.所示。分別對兩種工藝路線試制得到的管材進(jìn)行取樣，對比分析金相組織、力學(xué)性能的差異性。目視檢查對比其表面質(zhì)量。

圖1 熱擠壓TC4鈦合金無縫管

1.2.2 取樣

對工藝1路線管坯擠壓態(tài)（R）取樣，試樣編號：1-1、1-2；對工藝2路線管坯擠壓態(tài)（R）取樣，試樣編號：1-3、1-4；對工藝1路線管材退火態(tài)（M）取樣，試樣編號：2-1、2-2；對工藝2路線管材退火態(tài)（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(jī)加至Φ5×80mm的圓棒樣，在TC-12-066拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測試。

對擠壓態(tài)（R）和兩種工藝路線得到的管材的退火態(tài)（M）的金相試樣進(jìn)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 結(jié)果與分析

2.1 金相組織和力學(xué)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(qū)組織，如圖2所示，其組織形貌兼有網(wǎng)籃組織和魏氏組織。

圖2 TC4鈦合金無縫管材金相組織（50μm）

在片層α相組織區(qū)域邊緣存在著轉(zhuǎn)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，見圖2a)。工藝1得到的管材的金相組織見圖2c)，進(jìn)行溫軋，得到的組織更加細(xì)密均勻。工藝2得到的管材的金相組織見圖2d)，在機(jī)加退火后，組織形貌基本延續(xù)了擠壓態(tài)，組織均勻化有一定有限的提升，晶粒略有長大，晶內(nèi)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(xué)性能

由表1可見，擠壓法生產(chǎn)的TC4鈦合金無縫管材擁有良好的室溫力學(xué)性能。工藝1相較于工藝2，抗拉強(qiáng)度Rm和屈服強(qiáng)度Rρ0.2均略高，延伸率較高。整體力學(xué)性能上進(jìn)行比較，工藝1制備的TC4鈦合金無縫管材的綜合力學(xué)性能更加優(yōu)異，這與組織形貌的顯示相匹配。

表1 TC4鈦合金管材不同狀態(tài)力學(xué)性能

2.2 表面質(zhì)量的對比

采用熱擠壓法在3150t擠壓機(jī)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(guī)律性的折疊和凹坑不平缺陷，呈環(huán)形周向分布，如圖3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(nèi)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(dǎo)致。尾部200mm位置的內(nèi)表面有輕微折疊缺陷，這是由于變形即將結(jié)束的尾部內(nèi)表面潤滑劑由于消耗損失導(dǎo)致潤滑能力下降，摩擦熱增大，內(nèi)表面金屬在個別位面上的塑性差異，以及金屬粘結(jié)剝離摩擦導(dǎo)致。管坯頭尾的缺陷并不會影響到后續(xù)管材的過程質(zhì)量穩(wěn)定性，可在后續(xù)工序上通過機(jī)加修磨等形式予以消除。

圖3 熱擠壓TC4鈦合金無縫管坯表面缺陷

工藝1和工藝2制備得到的TC4鈦合金無縫管材的表面質(zhì)量優(yōu)異，表面粗糙度均能達(dá)到3.2以下，無明顯差別，遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求。但工藝1在實(shí)際生產(chǎn)過程中工序較長，過程控制難點(diǎn)較多，過程穩(wěn)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(jī)加工后的金屬屑基本無有效用途，材料成本較高，生產(chǎn)同樣長度的成品管材需要較長的擠壓錠坯，或者調(diào)整擠壓管坯的規(guī)格才能減少機(jī)加損失。

3 結(jié)論

（1）熱擠壓TC4鈦合金無縫管材的組織形貌兼有網(wǎng)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(xì)密均勻。

（2）工藝1相較于工藝2，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均略高。整體力學(xué)性能上比較，工藝1制備的TC4鈦合金無縫管材更為優(yōu)異。

（3）工藝1和工藝2制備的管材表面質(zhì)量均優(yōu)異。工藝1在實(shí)際生產(chǎn)過程中穩(wěn)定性較低，過程控制難點(diǎn)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(chǎn)同樣長度的成品管材需要較長的擠壓錠坯。