TC2鈦合金軋制管材表面裂紋產(chǎn)生原因分析

侯振杰　成小麗　晏小兵

摘 要：文章研究了TC2鈦合金軋制過程中表面容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象的原因，研究了溫軋制、軋制工藝、表面處理方式等因素對TC2合金管材開裂的影響。研究證明：采用在線加熱溫軋制、內(nèi)外表面強(qiáng)酸洗及內(nèi)鉸處理方式、合理的軋制工藝能夠滿足TC2合金管材產(chǎn)品質(zhì)量要求。

關(guān)鍵詞：TC2合金管材；溫軋；表面處理

1 概述

TC2鈦合金屬于中高強(qiáng)鈦合金，該金屬在航空、航天行業(yè)中的應(yīng)用迅速發(fā)展，市場需求量越來越大，前景十分廣闊。但是該合金的小規(guī)格管材生產(chǎn)仍有很大層次上的空缺。由于TC2鈦合金強(qiáng)度較高，塑性較差，加工過程中易產(chǎn)生裂紋等缺陷，其管材生產(chǎn)成品率非常低，國內(nèi)對鈦及鈦合金管材生產(chǎn)目前采用擠壓-軋制法生產(chǎn)，擠壓管坯規(guī)格較大，軋制道次較多，軋制易產(chǎn)生裂紋，為解決這一難題，本次通過研究TC2鈦合金管材產(chǎn)生裂紋的原因，探索冷軋管材最佳工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量和成品率，成功開發(fā)出穩(wěn)定管材產(chǎn)品，使其盡快滿足市場的需求。

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 管坯制備

Ф220鍛棒經(jīng)3150噸擠壓制得Ф70×9和Ф80×12兩種規(guī)格管坯。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用LG80和LG55兩輥軋機(jī)按照設(shè)定的變形量開坯軋制。再根據(jù)設(shè)備能力，依次選用LD30、LD15三輥軋機(jī)軋制。

2.3 工藝設(shè)計(jì)

2.3.1 工藝流程

擠壓坯料準(zhǔn)備→加熱→擠壓→精整→內(nèi)外表面處理→軋制→除油→酸洗→退火→矯直→修理→檢查→軋制→除油→酸洗→退火→矯直→水壓→探傷→成品管

2.3.2 工藝方案

方案1：在線加熱300～400℃溫軋制與冷軋裂紋及表面開裂支數(shù)對比，研究溫軋開坯對管材產(chǎn)生裂紋的影響。

方案2：制管坯進(jìn)行一道次或兩道次內(nèi)鉸處理，外表面多次扒皮及強(qiáng)酸洗等多種處理方式，盡可能消除裂紋的產(chǎn)生源頭，研究其對管材產(chǎn)生裂紋的影響。

方案3：合理設(shè)計(jì)管材軋制各道次加工率，減徑率與減壁率的匹配（Q值），工模具的合理設(shè)計(jì)，使變形過程中的應(yīng)力分布更有利于塑性的發(fā)揮，減少裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié)果與分析

（1）溫軋開坯對管材產(chǎn)生裂紋的影響。

由表1可知，當(dāng)采用冷軋軋制時(shí)，TC2管材產(chǎn)生裂紋的比率為23.96%；當(dāng)采用溫軋軋制方式時(shí)，TC2管材產(chǎn)生裂紋的支數(shù)比率降低到16.95%。

由于TC2冷加工塑性較差，變形抗力較大，由金屬材料的塑性加工理論可知，材料在較低的溫度下變形時(shí)，如果冷軋加工率比較大，塑性變形時(shí)原子間滑移比較困難，金屬變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中不能得到迅速松弛，就會(huì)導(dǎo)致管材發(fā)生開裂[1，2]。所以采用冷軋開坯會(huì)導(dǎo)致管材產(chǎn)生裂紋趨勢幾率加大，采用溫軋開坯，較好發(fā)揮金屬塑性，降低變形抗力及內(nèi)應(yīng)力，從而改善管坯質(zhì)量，減少裂紋的產(chǎn)生。

（2）管坯內(nèi)外表面處理產(chǎn)生裂紋的影響。

不同工藝條件下的管材其外表面質(zhì)量和尺寸精度均無明顯區(qū)別，都能很好滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但就內(nèi)表面質(zhì)量比較而言，管坯內(nèi)表面未內(nèi)鉸工藝的管材內(nèi)表面縱向起皺條紋明顯且可見裂紋；而內(nèi)鉸工藝的管材內(nèi)表面比較光滑，無縱向條紋。

管材有無裂紋用超聲波探傷結(jié)果如下：

a.未經(jīng)內(nèi)鉸的14支管材超聲全部不合格，從定傷位解剖分析，由于內(nèi)表面缺陷造成。

b.軋制前增加一道內(nèi)鉸，分析對原始缺陷內(nèi)鉸去除比較有利，內(nèi)表面相對光滑，管材超聲合格率達(dá)63%。

c.內(nèi)鉸工序在管材成品軋制前一道次，管材超聲合格率達(dá)63%；說明內(nèi)鉸工序越靠近成品，對缺陷的去除越有利，內(nèi)表面解剖證明表面光滑無起皺條紋。

d.兩次強(qiáng)酸洗修理管材，超聲合格率可為79%。強(qiáng)酸洗修理可以去除管材內(nèi)外表面氧化層、溝條和有裂紋趨勢的較深溝條、微裂紋，防止了裂紋擴(kuò)展，使軋制管材內(nèi)外表面光滑。

（3）小減徑孔型系列、兩輥軋機(jī)開坯中采用雙錐度芯頭等可以改善管材變形區(qū)內(nèi)表面受力狀態(tài)，減少內(nèi)表面裂紋（起皺）的產(chǎn)生。對降低TC2管材內(nèi)表面裂紋產(chǎn)生具有明顯效果。

根據(jù)參考相關(guān)文獻(xiàn)：中高強(qiáng)鈦合金軋制管材選用LG系列軋制和LD系列軋制，道次加工量分別選為40～55%和28～35%、Q值為1.5～1.7、軋制送進(jìn)量3～5mm/次；該工藝配合上述溫軋制及表面處理方案應(yīng)為最佳工藝方案，進(jìn)一步大大減少了管材軋制裂紋，管材超聲合格率可達(dá)到89%甚至更高。

4 結(jié)束語

（1）溫軋開坯在管材裂紋去除效果上比冷軋開坯好。

（2）采用管坯內(nèi)表面鉸削及多道次強(qiáng)酸洗處理可有效提高超聲合格率。

（3）合理的工模具及工藝可顯著降低內(nèi)表面裂紋的產(chǎn)生，可作為主導(dǎo)生產(chǎn)工藝。

參考文獻(xiàn)

[1]王占學(xué).塑性加工金屬學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1989.

[2]張錄強(qiáng)，白宏斌，朱海林.塑性變形及熱處理對鉭鉿合金管組織性能影響[J].中國材料進(jìn)展，2005，24（6）.