鈦合金管材微氧化膜與壓扁性能關(guān)系的初探

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721000）

鈦合金作為一種優(yōu)異的輕量化結(jié)構(gòu)材料，憑借其優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域。TA16（Ti-2Al-2.5Zr）是極具代表性高塑單相a合金，具有抗腐蝕及良好的冷加工工藝性能的特性，目前已被應(yīng)用于軍用飛機(jī)的管路，核反應(yīng)堆的連接系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，[1]本文針對鈦合金管材外表面由真空退火后形成的微氧化膜與壓扁性能之間的關(guān)系為核心，由管材壓扁開裂引起，對不同酸液濃度配比及不同時(shí)間進(jìn)行酸洗的鈦管，在壓扁試驗(yàn)中的差異做出了初步探究。

2 問題引發(fā)

本文所述管材是采用寶鈦股份生產(chǎn)的鑄錠經(jīng)過熔煉、鍛造、擠壓、軋制、退火、酸洗等主要工序制成的Φ16×0.5的鈦管，其中鑄錠主元素及雜質(zhì)含量分布的均勻性良好，詳見表1，

表1

鑄錠通過2500t快鍛機(jī)鍛造成棒坯，通過3150t臥式擠壓機(jī)制成管坯，再通過兩輥及多輥軋機(jī)進(jìn)行軋制，在軋制完成后將兩個(gè)批次鈦管在5m真空退火進(jìn)行退火，鈦管在酸洗后無損探傷結(jié)果合格。

鈦合金管材在真空退火時(shí)主要包括了兩個(gè)過程，金屬中的氣體向金屬表面的擴(kuò)散、氣體從金屬表面釋放、氣體被真空系統(tǒng)抽出，在此過程中決定其效果的主要因素是真空度，真空度越高初氣效果越好。

在鈦管表面經(jīng)會(huì)附著有氧化物、氮化物、氮化物、氫化物等物質(zhì)，在真空加熱時(shí)這物質(zhì)因被還原分解或揮發(fā)而消失，從而使鈦管表面光潔，其反應(yīng)過程可表示為：2MO=2M+2O，此氧化還原反應(yīng)是可逆的，反應(yīng)向那個(gè)方向進(jìn)行取決于爐內(nèi)加熱氣氛中氧的分壓和氧化物的分解壓之間的關(guān)系，若真空度好，即爐內(nèi)殘余氣體較少，氧的分壓很低，氧化物的分解壓也低，反應(yīng)則向右進(jìn)行，產(chǎn)生的氣體的被抽走，氧化物被去除，保持鈦管表面的金屬色及光潔度，反之若爐內(nèi)真空度不夠或者未完全真空，反應(yīng)則向左進(jìn)行，鈦管表面形成氧化膜，因此在真空退火時(shí)，真空度應(yīng)不低于1×10-2Pa[2]。

但往往在處理過程中，真空退火爐不能完全真空，會(huì)在鈦管表面形成一層微氧化膜，這種微氧化膜可以在后續(xù)的酸洗過程中被去除，但如果處理不當(dāng)，會(huì)使氧化膜殘留在材料表面，影響材料的材料性能。

3 分析與討論

取退火完成且無損探傷合格規(guī)格為Φ16×0.5的TA16鈦管兩批次，分別每個(gè)批次取兩個(gè)壓扁試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

所取兩個(gè)批次鈦管壓扁試驗(yàn)均為不合格。

3.1 另對兩個(gè)批次按各取一支管材照如下不同的酸液濃度配比進(jìn)行酸洗，酸洗選取相同的時(shí)間與溫度。

（1）酸液配比為3%～7%HF+40%-45%HNO3+H2O（余量），酸液取濃度上線控制（A批次）。

（2）酸液配比為3%～7%HF+40%-45%HNO3+H2O（余量），酸液取濃度下線控制（B批次）。

表2 壓扁試驗(yàn)

表3 管材壓扁試驗(yàn)結(jié)果

表4 壓扁實(shí)驗(yàn)

表5 酸液濃度試驗(yàn)

圖1 壓扁開裂照片

3.2 分別對A、B兩個(gè)批次完成酸洗的鈦管取壓扁試樣各3個(gè)，進(jìn)行壓扁實(shí)驗(yàn)

其中B批次3個(gè)試樣壓扁后出現(xiàn)開裂（見圖1），A批次管材也變未出現(xiàn)開裂，詳情見表3。

3.3 分別對壓扁后的管材進(jìn)行表面污染層測試

對兩個(gè)批次6個(gè)試樣進(jìn)行表面污染層測試，A批次管材表面未發(fā)現(xiàn)表面污染層，B批次管材表面發(fā)現(xiàn)污染層。

3.4 機(jī)理分析

鈦及鈦合金管材熱處理溫度為650℃～750℃，鈦及鈦合金化學(xué)活性較高，且真空退火爐的真空狀態(tài)只是相對的，并不能達(dá)到完全真空狀態(tài)，真空度應(yīng)不低于1×10-2Pa，這就導(dǎo)致熱處理過程仍處于一種微氧化環(huán)境中，殘留的氣體在熱處理過程中會(huì)鈦管發(fā)生反應(yīng)，在鈦管表面形成一層薄的氧化膜，是由表面向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散形成的“α”擴(kuò)散層，氧化膜硬度和脆性都很高，在壓扁試驗(yàn)中易出現(xiàn)開裂從而帶動(dòng)管材的基體開裂。

3.5 解決方案

使用上述方式制成A、B批次酸洗完成的管材各一支，各取兩批次鈦管壓扁實(shí)驗(yàn)各4支，將A、B兩批次8個(gè)試樣中每批次取兩個(gè)試樣外表面進(jìn)行打磨，將試樣外表面去除8-10μm，將未打磨與打磨完成的8各試樣進(jìn)行壓扁實(shí)驗(yàn)，結(jié)果詳見表4。

對管材表面進(jìn)行打磨是可以對壓扁實(shí)驗(yàn)有一定程度上的改善，但效果不理想，對管材表面為氧化膜去除不徹底，而且打磨過程耗時(shí)長，人工成本較高，會(huì)產(chǎn)生粉塵不利于環(huán)保，基于以上幾點(diǎn)所以打磨這種方式一般不被才用。

在酸洗時(shí)間一定的情況下對酸液配比控制，增加酸洗去除量也是可以出去表面為氧化膜的，從而解決管材壓扁不合格這一問題。

3.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過程：對退火完成未進(jìn)行酸洗的管材進(jìn)行表面污染層測試，選取20min與30min兩個(gè)時(shí)間酸洗時(shí)長，在兩個(gè)酸洗時(shí)長內(nèi)選取4中不同的酸液濃度配比，分別在規(guī)定時(shí)長內(nèi)進(jìn)行酸洗，完成后再次對管材表面進(jìn)行污染層測試，進(jìn)行壓扁實(shí)驗(yàn)，詳情見表5。

由上表可見，當(dāng)酸液濃度調(diào)整到5%～6% HF+40%～45% HNO3+H2O（余量）時(shí)，管材表面已完全清洗干凈，無表面污染。

隨著HF濃度繼續(xù)升高時(shí)，管材表面均可被清洗干凈且無表面污染，但由于HF濃度升高反應(yīng)速度加快，管材表面會(huì)有過腐風(fēng)險(xiǎn)，需保證酸洗過程中HF和HNO3的合理配比，并嚴(yán)格控制酸洗時(shí)間。

4 結(jié)論

（1）真空熱處理過程中的微氧化環(huán)境會(huì)在鈦管表面形成一層薄的氧化膜，是由表面向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散形成的“α”擴(kuò)散層，氧化膜硬度和脆性都很高，在壓扁試驗(yàn)中易出現(xiàn)開裂從而帶動(dòng)管材的基體開裂。

（2）這種形成的微氧化膜會(huì)對影響管材的壓扁實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）這種形成的微氧化膜可以通過調(diào)整酸洗時(shí)酸液溶度配及控制酸洗時(shí)間比來解決。