熱連軋工藝制備TC4鈦合金無縫管材組織及力學性能研究

屈 磊，辛社偉，李 婷，杜 宇，鄒 磊，應 揚，郭荻子，王 曉

(1.西北有色金屬研究院, 陜西 西安 710016)(2.西安秦鈦智造科技有限公司, 陜西 西安 710016)

近年來，隨著我國鈦冶煉技術的提高和鈦合金生產系統的改善，鈦合金管材質量不斷提高，成本有效降低，推動了其市場需求[1]。據中國有色金屬工業協會鈦鋯鉿分會統計，我國鈦加工材產量已連續7年增長，2021年我國生產各類鈦加工材135 941 t，同比增長40.1%，其中管材產量為15 402 t，同比增長62.3%，占全年鈦加工材產量的11.3%[2]。相對傳統鋼管、不銹鋼管、銅合金管等，鈦合金管材的耐腐蝕性更好、比強度更高，被大量應用于化工、海洋工程、核電、艦船及航空航天等領域[3-5]。

目前，鈦合金管材的制造工藝已經較為成熟。管坯制造工藝主要有鉆孔擠壓和斜軋穿孔，再通過軋制、拉拔、旋壓等方法制備出不同規格和用途的成品管材[6]。此類方法存在工藝流程長、成材率低、難以獲得超長管材等缺點，且成本較高[6-9]。2000年以來，現代熱連軋管機組的穿孔、軋管和定(減)徑工序在技術裝備上取得了長足發展，例如穿孔機由過去的桶式(曼式)和帶導盤桶式穿孔機發展到現在的錐形輥(菌式)穿孔機；在軋管方面由過去的7～8機架、二輥全浮動芯棒或限動芯棒連軋管工藝發展到現在的5～6機架、三輥與二輥限動芯棒連軋管工藝；在定(減)徑方面由過去的定(減)徑發展到現在的三輥張力減徑機。熱連軋管機組以其生產效率高、產品質量好、金屬收得率高等特點，成為世界無縫鋼管主要生產企業的首選機型[10]。目前，熱連軋管機組已成為我國熱軋無縫鋼管生產的第一主力機型，產能約占51%，可生產規格為φ(38～460)mm×(3.0～40.0)mm的鋼管，主要品種有油井管、高壓鍋爐管和管線管等專用管材[11]。高強度特種鋼管的熱連軋工業化生產現已完全成熟，有效解決了高強低塑性管材的內部缺陷問題，為中高強度鈦合金管材的大規模批量生產奠定了基礎。但鮮有此工藝用于制備TC4鈦合金管材的報道。

本研究采用熱連軋管機組，通過穿孔、軋管和定(減)徑工序的工業化流水線式的熱連軋工藝實現TC4鈦合金無縫管材的批量生產，并對熱連軋管材的組織性能進行分析，以期進一步縮短管材的加工流程，提高材料利用率，降低中高強度鈦合金無縫管材的生產成本。

1 實 驗

選用西北有色金屬研究院生產的φ200 mm TC4鈦合金棒坯(相變點為983 ℃)，在1080 ℃加熱2 h后，通過熱連軋機組的穿孔、軋管和定(減)徑工序實現工業化流水線式生產，獲得規格為φ108 mm×14.5 mm×L的無縫管材。對熱軋無縫管材進行920 ℃/2 h/AC+520 ℃/6 h/AC熱處理。

沿TC4鈦合金無縫管材橫向和縱向切取金相試樣，采用Olympus PMG3光學顯微鏡觀察顯微組織。如圖1所示，在無縫管材頭部至尾部選取5個位置，各位置沿無縫管材周向每90°切取拉伸試樣。采用Instron 1185試驗機進行室溫拉伸性能測試。

圖1 TC4鈦合金無縫管材取樣位置示意圖

2 結果與討論

2.1 熱軋態無縫管材顯微組織

圖2為熱軋態TC4鈦合金無縫管材橫向及縱向的顯微組織。由圖2可見，熱連軋后無縫管材的橫向組織主要由大量扭曲的片層狀α相以及少量未完全破碎的β晶界組成。縱向組織晶內α片層呈網籃狀交織形貌，β晶界被破碎且部分區域呈球狀，整體形貌呈現為扭曲變形的過渡組織形態。

圖2 熱軋態TC4鈦合金無縫管材的顯微組織

熱軋態TC4鈦合金無縫管材變形組織形成原因在于合金坯料斜軋穿孔起始溫度超過合金相變點約100 ℃，加之變形熱的作用，致使管坯斜軋穿孔和熱軋變形溫度高于相變點，管坯呈現β單相區變形組織，粗大的片層組織在加工過程中形變、扭曲，冷卻后形成取向混亂的α片，β晶界被一定程度破碎。同時，熱成形過程中晶界處發生了動態再結晶，冷卻后形成了更為細小的等軸α相和細小α片。整個熱連軋過程坯料變形量較大，β晶粒尺寸不大，且β晶界被破碎呈不連續分布，晶內片狀α相較細，這種組織有利于提高管材的綜合性能。

2.2 熱軋態無縫管材力學性能

表1為熱軋態TC4鈦合金無縫管材不同部位的拉伸性能。從表1可以看出，無縫管材抗拉強度≥926 MPa，屈服強度≥810 MPa，延伸率≥12.5%，力學性能良好。同時，沿無縫管材周向不同位置取樣測試結果相近，證明無縫管材在熱加工過程中旋轉拉伸時受力變形均勻，各位置組織狀態相似。熱軋態無縫管材為破碎變形組織，內部存在交錯的條狀α相，這種排列方式的α相會阻礙位錯滑移，增大合金的變形抗力而使得其強度略高于其他狀態的組織，但組織內的α/α相界和α/β相界數量較多，容易形成微裂紋的形核質點，局部應力會誘發位錯塞積，從而導致其塑性相對較低。

表1 熱軋態TC4鈦合金無縫管材不同部位的室溫拉伸性能

2.3 熱處理態無縫管材顯微組織

圖3為TC4鈦合金無縫管材經920 ℃/2 h/AC+520 ℃/6 h/AC固溶時效熱處理后的橫向、縱向顯微組織。從圖3可以看出，經熱處理后，無縫管材組織由熱軋態的不均勻變形組織(圖2)變為了比較均勻的組織，晶內α相長大，由不規則扭曲的α片層變為條棒狀，晶界α相發生再結晶形成球狀α相，無連續晶界。固溶時效處理顯著改善了無縫管材的組織均勻性。

圖3 TC4鈦合金無縫管材熱處理后的顯微組織

2.4 熱處理態無縫管材力學性能

圖4為TC4鈦合金無縫管材的室溫拉伸性能。從圖4可以看出，熱處理后無縫管材的抗拉強度≥995 MPa，屈服強度≥931 MPa，延伸率≥15%，相比熱軋態明顯提升，綜合性能優異。同時，熱連軋TC4鈦合金無縫管材的力學性能指標明顯優于傳統鍛造擠壓工藝制造的TC4鈦合金管材[12]。

圖4 TC4鈦合金無縫管材的室溫拉伸性能

采用工業化流水線式的熱連軋工藝制備TC4鈦合金無縫管材，相較鉆孔擠壓工藝制備中高強鈦合金管材，無需去芯棒，材料損耗少，同時生產效率高，綜合成本顯著降低。

3 結 論

(1) 采用熱連軋工藝制備出規格為φ108 mm×14.5 mm×L的TC4鈦合金無縫管材。與傳統鉆孔擠壓工藝相比，該工藝無需去芯棒，具有材料損耗少、生產效率高、成本低等特點。

(2) 熱軋態TC4鈦合金無縫管材的綜合力學性能良好，組織主要由大量扭曲變形的片層狀α相以及未完全破碎的β晶界組成，整體呈現為扭曲變形的過渡組織形態。

(3) 經固溶時效熱處理后，TC4鈦合金無縫管材組織中不規則扭曲的α片層變為條棒狀，晶界α相發生再結晶形成球狀α相，其Rm≥995 MPa，Rp0.2≥931 MPa，A≥15%，綜合性能優異。