熱加工工藝對Ti75合金管坯組織及性能的影響

1、前言

Ti75合金名義成分為Ti-3Al-2Mo-2Zr，是一種近α型船用鈦合金，具有中強、高韌、可焊、耐蝕等特點，用其制作的板、棒、鍛件、鑄件等半成品目前已廣泛應用于艦船動力系統中代替銅／鋼復合結構，使用效果良好。然而對于艦船管路系統所用半成品，Ti75合金管材加工工藝目前還沒有系統研究過，限制了其應用范圍。

目前鈦合金管坯的生產方法主要是鉆孔擠壓法和斜軋穿孔法，由于鉆孔擠壓法制備管坯組織均勻，工藝穩定，擠壓變形后金屬材料晶粒組織更加致密，因而鈦合金管坯制備大多采用此種方法。斜軋穿孔法制備鈦合金管坯，我國在20世紀70年代就開始研究了，但是直到最近幾年才得到廣泛應用。采用此種方法制備鈦合金管坯，工藝簡單可靠，材料利用率高，生產效率高，但是由于金屬變形過程不均勻，對工藝要求較為嚴格。為此本實驗針對Ti75合金特點，采用擠壓和斜軋穿孔工藝制備了Ti75合金管坯，研究了兩種熱加工工藝對管坯組織性能的影響，確定了合理的工藝參數，為Ti75合金管材批量生產打下基礎。

2、實驗方法

實驗所用Ti75合金棒坯是采用二次真空自耗電弧熔煉的φ480 mm鑄錠，經β區開坯，α+β兩相區精鍛的方法制備的。擠壓工藝是在2500t臥式擠壓機上進行的，擠壓棒坯的尺寸：φ213mm，采用銅鋼雙包套，擠壓溫度：700～850℃，擠壓比5~7。斜軋穿孔工藝是在60-H型兩輥斜軋穿孔機上進行的，穿孔坯料尺寸：φ88mm、φ108 mm、φ116 mm。

將精鍛好的棒坯沿縱向切取試樣進行高溫拉伸實驗，在制備出的管坯上沿縱向切取試樣進行熱處理及室溫拉伸實驗，比較其金相組織和力學性能。室溫拉伸是在INSTRO-1185拉伸實驗機上進行，拉伸試樣按ASTN E8的規定制備，工作部分寬12.5 mm，標距長50 mm，并利用光學顯微鏡觀察組織。

3、結果與討論

3.1 擠壓溫度對管坯組織性能的影晌

由于Ti75合金屬于中強鈦合金，采用擠壓和斜軋穿孔工藝制備該合金管坯以前還沒有試驗過，為了制定合理的熱加工過程中的成形溫度，在Ti75合金鍛棒上截取試樣進行單向拉伸試驗，測試合金的高溫力學性能(圖1)。

從圖1可以看出，Ti75合金在變形溫度超過600℃以后，抗拉強度呈直線下降，而合金的延伸率升高并不明顯，只有超過800℃，合金才表現出良好的超塑性。因此，在考慮設備能力足夠的情況下，變形溫度應選擇在800℃以上比較合適。

擠壓溫度是影響合金性能的重要因素之一。因此選擇合適的擠壓溫度及擠壓比是保證良好工藝塑性條件下，獲得綜合性能優異管坯的先決條件。根據圖1數據并考慮合金的相變點，選擇在750~850℃范圍內研究了擠壓溫度對Ti75合金擠壓管坯性能影響的實驗，試驗制備的管坯規格為φ130 mm×13 mm，管坯力學性能列于表1。

結果表明：隨著擠壓溫度的升高，變形后的管坯塑性變化不大，850℃強度略有降低，而且管坯表面質量較差。對比組織結果見圖2，發現擠壓后的晶粒度發生了明顯變化，低溫擠壓管坯組織細小均勻，并不同程度的出現了回復和動態再結晶，而高溫擠壓管材為粗大的網籃組織，說明隨著擠壓溫度的升高，在變形熱的影響下，合金實際的變形溫度已經超過了相變點，造成了高溫擠壓管材強度的降低。所以Ti75合金的擠壓溫度應以不超過850℃為宜。這樣可以保證制備的管坯具有較好的機械性能。

3.2 斜軋穿孔工藝對管坯組織性能的影響

斜軋穿孔工藝是無縫管材生產的重要手段。它是利用沿軋制坯料縱向和橫向上的拉應力作用，使棒坯中心區金屬產生微裂紋，繼而擴展為疏松區，最后形成孔腔這一物理現象，同時當軸心區金屬出現疏松時，頂頭及時地參加塑性加工過程，從而將實心圓坯(鍛坯或軋坯)直接軋成毛管的加工方法。Ti75屬中強合金，其變形抗力較大、導熱性能差，所以其管材加工較工業純鈦困難。在斜軋穿制備Ti75合金管坯工藝中，影響管坯質量的因素很多，除了正常的設備條件外，加熱溫度和加熱時間是重要參數，如果控制不當，必然容易在管坯表面產生缺陷。參照合金高溫力學性能，其斜軋穿孔溫度選擇在相變點以上20～30℃，加熱方式采用感應加熱+電阻爐保溫。

3種規格管坯穿制過程較為順利，雖然尾部內表面部分出現分層和細小裂紋，但是管坯表面光滑，尺寸均勻性較好。穿孔前后的組織如圖3所示，管坯力學性能見表2。

從表2中可以看出，采用斜軋穿孔工藝制備的Ti75合金管坯力學性能優良，除了φ110 mm×11 mm管坯有一個樣品面塑率較低外，3種規格管坯力學性能相當，都具有良好的塑性，可以滿足管材的后續成品開坯軋制工作。同時，在金相顯微鏡下觀察了3種規格管坯橫、縱向組織。從組織圖中可以看出，鈦合金棒材在斜軋穿孔加工后，3種規格管材都是典型的網籃組織，在組織圖中還可以看到沿加工流線變形的原始p晶界。由于Ti75合金屬于近a合金，在相變點以上20~30℃熱加工，可以顯著減少初生a相數最，改善合金塑性，使晶粒組織均勻細化。說明采用此工藝用斜軋穿孔機制各Ti75合金管坯是可行的，管坯無須熱處理就可滿足后續冷軋加工要求。

3.3 熱處理對擠壓管坯性能的影響

為了后續冷軋加工，對擠壓好的Ti75合金管坯進行熱處理。熱處理試樣均是在箱式退火爐中完成的。不同退火溫度下管坯力學性能見表3，表中數據表明：4種溫度退火樣品均具有良好的性能，說明Ti75合金熱處理退火溫度范圍較寬，對成形工藝有較好的適應性。從組織回復、再結晶和性能兩方面考慮，擠壓管坯宜采用750~800℃/1 h，AC熱處理較為理想。

4、結 論

1）采用鉆孔擠壓工藝可以制備出合格的Ti75合金管坯，擠壓溫度在800～850℃，擠壓比5～7制備的管坯具有較好的力學性能。

2）在相變點以上20～30℃斜軋穿孔工藝也可以制備中強Ti75合金管坯，材料利用率比鉆孔擠壓法高15％，而且制備的管坯不需熱處理就可滿足后續冷軋要求。

3）Ti75合金熱處理溫度范圍較寬，擠壓管坯熱處理溫度宜采用750～800℃/1 h，AC較為理想。

參考文獻

【1】Zhao Yongqing(趙永慶)et a1．Titanium Industry Progress(鈦工業進展)【J】，2003，20(6)：12

【2】Li Zuochen(李佐臣)eta1．Rare Metal Materials andEngineering(稀有金屬材料與工程)【J】，1993，I:23

【3】Zhao Yongqinget a1．TransNonferrousMet Soc China[J]，1995(supple)：9

【4】Yu Shunbing(于順兵)，Li Defu(李德富)，Chen Haishan(陳海珊)et a1．Journal of Plasticity Engineering(塑性工程學報)[J]，2005，12(6)：26

【5】Wang Tingpu(王廷溥)，Qi Kemin(齊克敏)．MetalPlasticTheory and TechnologyonRolling(金屬塑性加工學：軋制理論與工藝)[M]．Beijing：Metallurgical Industry Press，2001～2004

【6】Tian Dang(It：1黨)．SteelPipe(qA管)【J】，2002，31(3)：1