鈦合金加工中TC4無縫管材工藝研究

謝林均，鳳偉中，代 春，張平輝

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鈦合金具有密度小、強度高、比強度大、無磁性、導熱率小、彈性模量、抗阻尼性能低等特點，廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、化工等領域。其中TC4鈦合金的應用較為廣泛。TC4鈦合金是一種典型的(α+β)兩相鈦合金，它具有較高的蠕變抗力和持久強度以及良好的熱穩定性和耐沖刷腐蝕性能，能耐高溫300℃的含鹽與酸性的流體的腐蝕，比強度高，焊接性能良好，結構效益高，耐久性和損傷容限高，綜合性能優異[1]。

TC4鈦合金管材的使用日趨迫切并已成為未來趨勢。國外在Ti-6Al-4V合金的基礎上進行了多種成分調整發展出的如GR5、GR23、GR29等鈦合金已運用于實際生產制造。國內也早于20世紀90年代開展TC4鈦合金的成分適應性的調整及相關規格無縫管材的工藝試制工作。鈦合金管材加工由于材料壓力加工范圍窄、變形抗力高等原因導致工序復雜、生產周期長、加工難度大、成品率低。TC4鈦合金管材的生產多以熱擠壓制坯的方法為主，技術相對成熟，成品規格多，后續多采用溫軋或機加工兩種方式進行深加工以針對不同的性能需求。也可采用斜軋穿孔法制備管坯，但其性能相較于熱擠壓法較低。

本文主要以擠壓制坯為主線對“擠壓+溫軋”和“擠壓+機加”兩種后續的加工工藝路線試制TC4鈦合金無縫管材進行了對比研究。通過研究對比其金相組織、力學性能和表面質量的差異，為后續的TC4鈦合金無縫管材加工生產制造提供參考。

1 材料及方法

1.1 材料

所用鑄錠采用真空自耗電弧爐二次熔煉，并經過多次鍛造開坯，機加工得到Φ210mm的錠坯，其化學成分（質量分數，%）為：Al：5.5～6.75，V ：3.5～4.5，Fe≤0.03，O ：0.20，H≤0.015，N≤0.05，C≤0.08，Ti余量，滿足GB/T3620.1-2007要求。金相法測得相變點995℃。

1.2 方法

1.2.1 制定的兩種工藝路線

工藝1（擠壓+溫軋）：3150t臥式擠壓機擠壓管坯→溫矯直→酸洗→化涂→溫軋→除油→酸洗→真空退火→矯直→平頭→拋光→酸洗→無損檢測→清潔→成品檢查→包裝→入庫。

工藝2（擠壓+機加）：3150t臥式擠壓機擠壓管坯→溫矯直→熱處理→三點壓力矯直→機加→酸洗→無損檢測→清潔→成品檢查→包裝→入庫。

溫軋過程中的管坯加熱溫度及過程溫度控制非常重要，要求軋制過程的溫度要均衡平穩，不得忽高忽低，對設備的結構及功能穩定性要求較高。

目前多以兩輥軋機為主要平臺進行溫軋，芯頭采用硬質合金鋼。機加應保證工藝設計的機加余量足夠，對坯料平直度、幾何尺寸一致性及表面質量等要求較高，需要在機加前進行三點壓力矯直管坯的直線度，以滿足車削加工的精度。熱處理采用大氣爐空冷。真空退火要求退火爐真空度≤0.1Pa，隨爐冷卻至室溫[2]。

在3150t臥式擠壓機上熱擠壓得到的TC4鈦合金無縫管實物如圖1.所示。分別對兩種工藝路線試制得到的管材進行取樣，對比分析金相組織、力學性能的差異性。目視檢查對比其表面質量。

圖1 熱擠壓TC4鈦合金無縫管

1.2.2 取樣

對工藝1路線管坯擠壓態（R）取樣，試樣編號：1-1、1-2；對工藝2路線管坯擠壓態（R）取樣，試樣編號：1-3、1-4；對工藝1路線管材退火態（M）取樣，試樣編號：2-1、2-2；對工藝2路線管材退火態（M）取樣，試樣編號：3-1、3-2。取樣位置為管材頭部200mm處。分別取8mm×8mm×80mm縱向方棒樣，隨后機加至Φ5×80mm的圓棒樣，在TC-12-066拉伸機上進行室溫拉伸性能測試。

對擠壓態（R）和兩種工藝路線得到的管材的退火態（M）的金相試樣進行磨制、拋光，采用酸性溶液腐蝕后，拍攝試樣橫向高倍金相照片，照片精度為50μm。

2 結果與分析

2.1 金相組織和力學性能的對比

2.1.1 金相組織

熱擠壓得到的TC4鈦合金無縫管金相組織為典型(α+β)兩相區組織，如圖2所示，其組織形貌兼有網籃組織和魏氏組織。

圖2 TC4鈦合金無縫管材金相組織（50μm）

在片層α相組織區域邊緣存在著轉變β相，β晶粒粗大，無等軸α，有針狀α和條狀α，有晶界α和大塊α，見圖2a)。工藝1得到的管材的金相組織見圖2c)，進行溫軋，得到的組織更加細密均勻。工藝2得到的管材的金相組織見圖2d)，在機加退火后，組織形貌基本延續了擠壓態，組織均勻化有一定有限的提升，晶粒略有長大，晶內部分長條形α相變厚，晶界上的α相也開始粗化。

2.1.2 力學性能

由表1可見，擠壓法生產的TC4鈦合金無縫管材擁有良好的室溫力學性能。工藝1相較于工藝2，抗拉強度Rm和屈服強度Rρ0.2均略高，延伸率較高。整體力學性能上進行比較，工藝1制備的TC4鈦合金無縫管材的綜合力學性能更加優異，這與組織形貌的顯示相匹配。

表1 TC4鈦合金管材不同狀態力學性能

2.2 表面質量的對比

采用熱擠壓法在3150t擠壓機平臺上得到的TC4管坯長度一般為8m。頭部300mm位置的外表面有規律性的折疊和凹坑不平缺陷，呈環形周向分布，如圖3所示。頭部300mm以后外表面再無缺陷。這是由于錠坯端面直角位置在加熱及變形過程中容易熱集中，坯料內外金屬塑性不均，且處于劇烈變化的位置，同一截面上金屬流速非常不均勻所導致。尾部200mm位置的內表面有輕微折疊缺陷，這是由于變形即將結束的尾部內表面潤滑劑由于消耗損失導致潤滑能力下降，摩擦熱增大，內表面金屬在個別位面上的塑性差異，以及金屬粘結剝離摩擦導致。管坯頭尾的缺陷并不會影響到后續管材的過程質量穩定性，可在后續工序上通過機加修磨等形式予以消除。

圖3 熱擠壓TC4鈦合金無縫管坯表面缺陷

工藝1和工藝2制備得到的TC4鈦合金無縫管材的表面質量優異，表面粗糙度均能達到3.2以下，無明顯差別，遠高于指標要求。但工藝1在實際生產過程中工序較長，過程控制難點較多，過程穩定性較低，個別工序的加工難度較大。工藝2造成的材料損失較大，機加工后的金屬屑基本無有效用途，材料成本較高，生產同樣長度的成品管材需要較長的擠壓錠坯，或者調整擠壓管坯的規格才能減少機加損失。

3 結論

（1）熱擠壓TC4鈦合金無縫管材的組織形貌兼有網籃組織和魏氏組織。工藝1相較于工藝2得到的組織更加細密均勻。

（2）工藝1相較于工藝2，抗拉強度和屈服強度均略高。整體力學性能上比較，工藝1制備的TC4鈦合金無縫管材更為優異。

（3）工藝1和工藝2制備的管材表面質量均優異。工藝1在實際生產過程中穩定性較低，過程控制難點多，加工難度較大。工藝2造成的材料損失較大，材料成本較高，生產同樣長度的成品管材需要較長的擠壓錠坯。