鈦合金管材加工工藝及其性能優化探討

摘要：[A2]"鈦合金具有獨特的優良性能，被廣泛應用于航空航天、化工、醫療器械等領域。然而，鈦合金材料的加工性較差，尤其是鈦合金管材的生產，因高強度、高硬度、熱穩定性差而面臨加工困難、成本高等問題。近年來，隨著技術的發展，鈦合金管材的加工工藝不斷創新和優化。因此，需要探討鈦合金管材的加工工藝及其性能優化，重點分析鑄態管坯制備、徑向鍛造、雙重退火等關鍵工藝環節，以及對鈦合金管材力學性能、組織結構和表面質量的影響。研究表明，通過創新工藝的改進和合理的工藝參數控制，可以顯著提升鈦合金管材的性能，降低生產成本，提升材料的整體利用率。

關鍵詞：鈦合金 管材 加工[A3]" 工藝參數

Exploration of the Processing Technology and Performance Optimization of Titanium Alloy Pipes

LI Nanlin

Harbin Dong'an High Precision Pipe Shaft Manufacturing Co.， Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150060 China

Abstract： Titanium alloys are widely used in aerospace， chemical engineering， medical equipment and other fields due to their unique and excellent properties. However， the machinability of titanium alloy materials is poor， especially in the production of titanium alloy pipes， which often face processing difficulties and high costs due to their high strength， high hardness， and poor thermal stability. In recent years， with the development of technology， the processing technology of titanium alloy pipes has been continuously innovated and optimized. Therefore， it is necessary to explore the processing technology and performance optimization of titanium alloy pipes， with a focus on analyzing key process links including as cast billet preparation， radial forging， and double annealing， as well as their effects on the mechanical properties， microstructure， and surface quality of titanium alloy pipes. Research has shown that through innovative process improvement and reasonable process parameter control， the performance of titanium alloy pipes can be significantly improved， production costs can be reduced， and the overall utilization rate of materials can be enhanced.

Key Words： Titanium alloy; Pipe; Processing; Process parameters

鈦合金是一種高性能材料，具有優異的力學性能、耐腐蝕性和良好的生物相容性，已被廣泛應用于航空航天、化工、醫療器械等高端領域。鈦合金管材具有輕質、高強度、耐腐蝕等特點，已成為不可替代的關鍵材料。然而，鈦合金的高強度和較低的熱導性使其在加工過程中具有較大的變形抗力，在面對復雜形狀和高精度要求時，傳統的加工方法往往無法滿足生產需求。近年來，隨著鈦合金加工技術的不斷發展，尤其是新型加工工藝的不斷創新，鈦合金管材的生產效率和質量得到大幅提升，同時可以顯著降低生產成本。因此，對鈦合金管材加工工藝及其性能優化策略進行詳細探究意義重大。

[A4]"1 鈦合金管材加工工藝現狀

鈦合金管材具有優異的耐腐蝕性、良好的力學性能和高溫抗氧化性，已被廣泛應用于航空航天、化工、海洋工程等高端領域。鈦合金管材的傳統加工工藝通常包括熔煉、鍛造、管坯制備、軋制、機加工等多個環節。由于鈦合金具有較高的強度和變形抗力，傳統工藝在加工過程中常常面臨較高的技術難度和成本壓力。

鈦合金管材的制備通常從熔煉開始，鈦合金原料通過電弧爐或感應爐熔化，制成鈦合金錠。雖然這種方法能夠提供較高純度的鈦合金，但生產周期較長且能耗較大。熔煉后的鈦合金錠經過加熱，并通過熱鍛工藝形成棒材，棒材在鍛造過程中需要反復加熱、保溫和變形，以確保其內部組織均勻和致密。

棒材加工完成后，管坯的制備進入下一階段。常見的管坯制備方法有熱擠壓和斜軋穿孔。熱擠壓工藝要求使用大型擠壓設備，通常需要較大的噸位來克服鈦合金的高變形抗力，導致材料利用率低、設備需求大且生產周期較長。雖然斜軋穿孔工藝加工周期較短，但由于高溫處理，制成的管坯組織往往較差，能耗高^[1]。

2 鈦合金管材加工工藝及其性能優化策略

隨著鈦合金管材在航空、航天、化工、海洋工程等領域的需求不斷增加，傳統加工工藝的局限性逐漸顯現，尤其是在提高生產效率、降低能耗、提高成材率和產品性能方面的挑戰。因此，在保證產品質量的同時，優化鈦合金管材的加工工藝，已成為研究的重點方向。為了解決傳統鈦合金管材加工工藝中的缺陷，近年來出現一些新的加工方法和性能優化策略。鈦合金管材的加工工藝和性能優化策略的不斷發展，為提高生產效率、降低成本和提升材料性能提供了重要的解決方案。短流程制備技術、雙重退火處理、精密溫控、材料利用率的提升、先進設備的應用和表面處理技術的創新，均是實現鈦合金管材性能優化的有效途徑。隨著加工技術工藝的創新，鈦合金管材的生產將趨向更加高效、環保和精準的方向，能夠更好地滿足航空航天、化工等行業日益增長的高性能材料需求^[2]。

3 鈦合金管材加工工藝創新與實施策略

3.1鑄態管坯制備

近年來，針對鑄態管坯的制備工藝提出一系列創新方法，以提高鈦合金管材的生產效率和質量。一種創新的鑄態管坯制備方法是采用等離子槍或電子槍直接對海綿鈦和中間合金混合物進行熔煉，可以提高管坯的純凈度和組織均勻性，具有更低的能耗和更短的生產周期。另外，另一種常見的管坯制備方法是對傳統的柱狀鈦合金鑄錠進行鉆孔處理，合理利用鉆孔工藝制備管坯，回收鈦屑并進行重熔，提高材料的利用率，減少浪費，可以使鈦合金的生產成本得到有效控制。此外，鑄態管坯制備的創新不僅體現在原材料的處理和熔煉工藝上，而且體現在對后續成形工藝的影響。例如[A5]"：在鑄態管坯的制造過程中，可以通過控制溫度、熔煉速度和合金成分，優化管坯的內外組織結構，為后續的徑向鍛造和其他加工工序提供更好的基礎。使用更為精細的溫控和合金設計，減少晶粒粗化、氣孔、夾雜物等缺陷，從而保證最終產品的高強度和高韌性。

3.2徑向鍛造

將鑄態管坯加熱至鈦合金的β相變點以上，然后經過3次徑向鍛造，并最終通過雙重熱處理得到成品管坯。鑄態管坯中的粗大晶粒被充分打破并細化。細化的晶粒結構可以提高鈦合金的致密性和均勻性，使管材的內部結構更加緊密、連續，有效避免傳統鍛造方法可能存在的材料缺陷。此外，借助高速錘擊的手段，管坯的晶粒進一步被精細化，可提高鈦合金管材的力學性能^[3]。

在進行徑向鍛造之前，需要將管坯的中間部分插入一個芯棒，并將整個結構裝夾到徑向鍛造機上進行加工。第一夾頭固定在管坯的一端，而錘頭則位于管坯的另一端。第二夾頭則夾持著與錘頭同一端的芯棒。在每次鍛造之前，都需要根據管坯的形狀和尺寸更換芯棒。需要注意的是，每次更換的芯棒直徑通常比管坯的內徑小15～20 mm，在鍛造過程中有效地保持管坯的內外結構穩定。管坯徑向鍛造示意圖如圖1所示。

在徑向鍛造時，首先，管坯需要加熱至鈦合金β相變點以上，溫度通常設定在80～100 ℃的范圍內，管坯需要在該溫度下進行至少2 h的保溫。在進行多次徑向鍛造的過程中，需要進行3次關鍵的徑向鍛造，每一次都對管坯的組織結構產生深遠的影響。具體到第一次徑向鍛造，采用4個平面錘頭進行加工，并通過精確控制管坯沿中心軸方向的移動來完成變形。管坯的移動速度一般設定在1～3 m/min之間，而錘擊的頻率則控制在1 000～2 000次/min。在第一次鍛造過程中，管坯的變形量通常控制在40%～80%，如圖2所示。

在進行第二次徑向鍛造時，仍然采用4個平面錘頭來進行加工。首先，管坯將被旋轉40°～50°，并開始進行鍛造。管坯在旋轉后沿著中心軸方向繼續移動，移動速度通常設定為3～5 m/min。錘擊速度被設定在2 000～3 000次/min，通過高速錘擊促進管坯材料的塑性流動，消除鑄態組織的不均勻性。管坯的變形量在此過程中被精確控制在30%～60%之間。第二次鍛造的目標是進一步優化管坯的形狀和組織結構。完成第二次鍛造后，管坯的截面形狀發生顯著變化，外形為八邊形、內徑為圓形的結構，具體如圖3所示。

在進行第三次徑向鍛造之前，需要更換芯棒。新芯棒的直徑比管坯的內徑小15～20 mm。鍛造時，使用4個曲面錘頭，每個錘頭的曲面直徑比管坯的外徑大約80～120 mm^[4]。

鍛造過程中，當管坯的溫度降至鈦合金β相變點以下，40～60 ℃時，鍛造便開始進行。在此階段，控制管坯進行自轉和沿中心軸方向的平穩移動。自轉速度通常設定在300～600[A9]"r，而沿中心軸的移動速度為3～5 m/min。錘擊的頻率設定為50～100次/min，相較于前兩次鍛造，頻率較低，但足以有效推動管坯的變形而避免過度熱損傷。

在這一階段，管坯的變形量通常控制在30%～40%之間，變形量適度，有利于管坯在不失去材料強度的情況下，完成最后的成型。通過這一過程，管坯的形狀和結構得到進一步優化，最終恢復為標準的圓形管坯，整體形變量累計已超過100%，力學性能和致密性得到顯著提升。

3.3雙重退火

在完成徑向鍛造后，鈦合金管坯將進行雙重退火處理，通過不同溫度的退火來優化管材的微觀結構，消除鍛造過程中產生的不良影響。雙重退火的工藝通過兩階段加熱與冷卻，分別作用于管材的組織和內應力，從而提升其性能。經過多次徑向鍛造的鈦合金管坯將被加熱至850～930 ℃的高溫范圍，在這一高溫下，管材會經歷0.5～5 h的保溫時間，以促使材料內部發生再結晶，徹底消除鍛造過程中留下的變形組織，改善管材的力學性能。在結晶過程中，鈦合金的晶粒會細化，提升管材的塑性和韌性。完成高溫處理后，管坯將通過空冷的方式迅速降溫至室溫。隨后，管坯將再次被加熱至450～550 ℃的較低溫度進行第二次退火，并保溫0.5～5 h，消除管材在高溫退火過程中可能產生的內應力。此時，低溫處理可以緩慢釋放管坯內部的熱應力，并進一步均勻材料的組織結構，避免因內應力不均而導致的變形或裂紋^[5]。

3.4機械加工

在完成退火處理后，鈦合金管材進入機械加工階段，提高其尺寸精度和表面質量。對退火后的鈦合金管進行精準的加工，以確保管材的外形和尺寸符合設計要求。機械加工過程通常包括車削、銑削、磨削等操作，去除管材表面的多余部分，修整管材的外徑、壁厚、長度等關鍵尺寸。此外，機械加工還涉及對管材表面粗糙度的控制。在鈦合金管的生產過程中，表面粗糙度是影響管材性能的重要因素之一，因此，在機械加工過程中，需要采用精密的加工方法，降低表面的粗糙度，提高管材的密封性、耐腐蝕性與抗疲勞性能。

4 結語

綜上所述，本研究對鈦合金管材加工工藝的探討，深入分析各個加工階段對管材性能的影響。研究結果表明，創新的鈦合金管材加工工藝，如鑄態管坯的制備、徑向鍛造技術和雙重退火處理，能夠有效提高鈦合金管材的力學性能、組織均勻性和表面質量，解決鈦合金管材加工中的難點問題，提高生產效率和材料的整體利用率。未來，隨著鈦合金加工技術的不斷進步，需要持續優化加工工藝，提升鈦合金管材綜合性能，促進鈦合金管材的推廣與應用。

參考文獻：

[1]許玲玉，馬博榮，李沖，等.熱處理工藝對TiB95合金石油管材微觀組織與力學性能的影響[J].材料開發與應用，2024，39（2）：63-67，88.

[2]劉國軍.鈦合金管材徑向制孔技術研究[D].鞍山：遼寧科技大學，2023.

[3]田壯，趙志浩.TA18鈦合金管材研究現狀及發展趨勢[J].有色金屬加工，2023，52（2）：1-11.

[4]董恩濤.高強α+β鈦合金無縫管熱軋工藝及組織性能調控研究[D].北京：北京科技大學，2022.

[5]陳勝川，李建鋒，朱寶輝，等.徑向鍛造加工率對TC4鈦合金管材組織與性能的影響[J].熱加工工藝，2024，53（13）：134-137.