鈦合金斜軋穿孔溫度預測方法研究

雷 楊，趙文婷，陳 肖，楊碧蕓

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

某鈦合金具有高韌性、耐腐蝕性能好、強度高、焊接能力好的優勢，屬于近α型鈦合金的一種，被廣泛的應用于我國海洋和船舶領域，但鈦合金的制作工藝較復雜且不成熟，導致鈦合金在高科技領域中的應用推廣受到限制[1]。在鈦合金管材生產過程中，斜軋穿孔是制備無縫管坯的重要技術手段，對鈦合金管材質量的好壞影響較大。雖然我國在鈦合金制作及應用方面取得了較好的應用效果，但在預測模型等方面還存在不足。

基于此，本文以某鈦合金為試驗原料，分析斜軋穿孔溫度預測方法在鈦合金質量分析中的應用，為推動鈦合金斜軋穿孔技術發展提供幫助。

1 試驗原料及過程

本文試驗所選用的材料為鈦合金棒材，將其沿圓軸方向加工成φ8mm×12mm的圓柱狀試驗樣材。由于鈦合金的合金相變點為1010℃，故本次試驗溫度設計為850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃和1150℃，應變速率為0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1。

在斜軋穿孔試驗過程中樣材中心區域的金屬在交替擠壓過程中會形成疏松區，若及時進行塑性加工可制成空心毛管。根據制成的空心毛管的尺寸制作成三維模型進行斜軋穿孔試驗，試驗過程中軋輥與坯料之間的摩差系數設置為0.9，頂頭與坯料之間的摩差系數設置為0.3，導盤與坯料之間的摩差系數設置為0.6。

2 試驗結果與分析

2.1 熱模擬壓縮試驗結果分析

根據熱模擬壓縮試驗結果可知，鈦合金棒材的流動應力隨著溫度的逐漸升高而降低，隨著應變速率的逐漸增加而增大。在鈦合金棒材變形初期階段，因為變形位錯導致棒材變形加劇增大進而引起加工硬化，且鈦合金棒材的流動應力在小應變條件下快速達到最高值。

隨著棒材變形量的持續增加，溫度在小于1000℃（兩相區變形）的條件下流動應力具有連續軟化變化的特征，且應變速率與溫度變化呈負相關關系，即溫度越低，應變速率越大，棒材軟化越明顯。綜上所述，在單相區變形（溫度≥1050℃）時，鈦合金棒材的流動應力變化不大，總體上呈現出穩定流變的規律。

當實驗溫度在鈦合金棒材合金相變點溫度1010℃左右時，樣材功率耗散系數等值線圖出現了較為明顯的彎折現象，這與合金相變關系密切，可得出鈦合金棒材加工時的2個失穩區和2個高功率耗散安全區[2]。

因此，為了分析鈦合金棒材的顯微組織及性能，可以在2個高功率耗散安全區進行熱變形試驗。鈦合金棒材的抗變形能力隨著溫度的降低而增高，使得斜軋穿孔過程中常出現扎卡概率。

因此，綜合認為使用斜軋穿孔制備鈦合金棒材時選擇在單相區內進行即可，此時溫度為1050℃～1100℃。

2.2 斜軋穿孔有限元模擬試驗結果

為了更加精確的分析鈦合金棒材斜軋穿孔溫度，本文采用了有限元模擬試驗方法。鈦合金棒材斜軋穿孔過程中的初始溫度是斜軋穿孔工藝中的關鍵環節之一。在制備鈦合金無縫管坯過程中，斜軋穿孔溫度過低，極易造成鈦合金管材變形抗力增大，導致金屬流動能力降低，進而容易使得鈦合金管材軸向力增大，進而發生扎卡等現象[3]；若斜軋穿孔溫度過高，不僅顯著的提高了能耗浪費量，而且容易使得鈦合金管材燒損大，造成管材中晶粒粗大，進而影響鈦合金管材的顯微組織和性能。

因此，在鈦合金管材斜軋穿孔工藝過程中控制初始溫度至關重要，初始溫度對鈦合金管材的顯微組織以及性能影響較大。

基于本文優選出的2個安全工藝窗口，采用三維有限元模擬試驗設置初始溫度為1100℃、1050℃和950℃進行斜軋穿孔溫度試驗。試驗結果表明，在兩相區（溫度小于1000℃）950℃進行斜軋穿孔試驗過程中出現了扎卡現象，未能完成熱穿孔試驗；在單相區（溫度≥1050℃）1050℃和1100℃分別進行斜軋穿孔試驗，順利完成了熱穿孔試驗。根據頂頭軸向力與溫度的變化關系可以得出，在兩相區950℃進行斜軋穿孔試驗過程中頂頭軸向力出現激增，為單相區斜軋穿孔頂頭軸向力的5倍～6倍，導致這一現象的原因在于斜軋穿孔速率無法滿足準靜態變形條件導致。此外，當初始溫度在單相區1050℃和1100℃是能夠順利進行熱穿孔試驗，此時頂頭軸向力變化不大。綜合考慮斜軋穿孔工藝能耗以及鈦合金棒材顯微組織及性能，最終確定實際的斜軋穿孔試驗溫度為1050℃。采用單相區1050℃制作的鈦合金無縫管材內外表面光滑、未見明顯的缺陷，質量達到了試驗要求。

3 結語

綜上所述，在兩相變形區內，鈦合金的流動應用隨著溫度的降低而明顯增加；在單相變形區內，鈦合金的流動應力和應變速率變化范圍較小。

根據三維有限元模擬試驗顯示，在單相區1050℃和1100℃內均能順利完成斜軋穿孔試驗，在兩相區950℃內無法完成斜軋穿孔試驗，最終確定該類鈦合金的斜軋穿孔溫度為1050℃。