淺析航空用高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝

高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝受到了多方面因素的影響，首先是內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值；其次是變形率；再最后是退火溫度；本文正是從以上三個(gè)方面來(lái)對(duì)高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝進(jìn)行探討，以此找到最為合理的軋制工藝方法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，上述這三個(gè)條件都不同程度的影響著高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制效果，只要有關(guān)人員掌握規(guī)律，即可軋制出性能優(yōu)良的鈦合金管材。

1、TA18鈦合金簡(jiǎn)單介紹

TA18鈦合金是被廣泛使用的一種鈦合金，這種鈦合金的性質(zhì)屬于低合金化，其本質(zhì)接近α 鈦合金，該種鈦合金與其他類(lèi)型的鈦合金相比，首先有著良好的室溫；其次，性能優(yōu)良，尤其是高溫力學(xué)性能，能夠承受極高的溫度，此外，其耐蝕性也較為突出；最后，TA18鈦合金不僅能夠進(jìn)行冷加工，還能夠被熱加工，無(wú)論哪種加工方式都利于焊接，正 是因?yàn)槿绱耍朔N鈦合金作為該領(lǐng)域不可缺少的管路系統(tǒng)材料被普遍的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域當(dāng)中。現(xiàn)階段我國(guó)航天航空事業(yè)的發(fā)展有目共睹，為把握航天航空工業(yè)持續(xù)性的發(fā)展機(jī)遇，應(yīng)對(duì)TA18鈦合金各方面性能提出更為嚴(yán)格的要求。其中高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝一直是航空部門(mén)人員研究以及關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。現(xiàn)階段，我國(guó)只要是利用軋技術(shù)來(lái)生產(chǎn)TA18管材，其強(qiáng)度都能夠達(dá)到860MP，但是這種冷軋工藝在我國(guó)還有很多需要改進(jìn)的方面，總體上講，還未進(jìn)入到成熟的階段，一般情況下，在軋制管材期間，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂情況，而且已經(jīng)制造完成的管材性能也無(wú)法得到保證，尤其是強(qiáng)度以及塑性，所以目前我國(guó)航天航空領(lǐng)域所使用的高強(qiáng)TA18鈦合金管材主要的來(lái)源是依靠國(guó)外進(jìn)口。這大大增加了我國(guó)管材應(yīng)用成本，因此科研人員一直都沒(méi)有放棄對(duì)相關(guān)軋制工藝的研究。很多科研人員將不同類(lèi)型的高強(qiáng)TA18鈦合金管材作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，來(lái)對(duì)其各自的內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值Q，高強(qiáng)TA18鈦合金管材出現(xiàn)的累積變形率ε，及退火溫度對(duì)成品鈦合金管材的影響（比如對(duì)其顯微組織以及其他各方面性能的影響等）進(jìn)行了大量了研究，為進(jìn)一步優(yōu)化合金加工技術(shù)奠定了優(yōu)良的基礎(chǔ)，進(jìn)而使得高強(qiáng)TA18鈦合金管材有望盡快的擺脫進(jìn)口，從而為我國(guó)航天航空領(lǐng)域的發(fā)展節(jié)約成本。

2、實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)原料選用一級(jí)海綿鈦、Al 箔、Al 豆以及A1-V 中間合金，經(jīng)過(guò)多次真空自耗電弧爐熔煉，制成Φ430mm 的TA18合金鑄錠。經(jīng)β 區(qū)開(kāi)坯的鑄錠在α＋β 兩相區(qū)精鍛成Φ130mm 棒坯，然后在2500t 臥式擠壓機(jī)上擠成Φ45mm×8mm 的合金管坯。通過(guò)在兩輥LG 和三輥LD 軋機(jī)上進(jìn)行多道次冷軋和表面處理，再在真空退火爐中進(jìn)行退火后， 制備成Φ25mm ×1.8mm、Φ22mm ×1.6mm、Φ20mm ×1.5mm、Φ18mm×1.3mm、Φ16mm×1.2mm、Φ14mm×1mm、Φ12mm×0.9mm、Φ10mm×0.7mm、8mm×0.6mm 和Φ6mm×0.5mm10 種規(guī)格的成品管材。

高強(qiáng)TA18鈦合金管材的拉伸性能測(cè)試主要是在室溫下進(jìn)行，并且采用10t 試驗(yàn)機(jī)，其所選定的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E8 M，所選擇的管材試樣需要進(jìn)行磨制以及拋光，此外，有關(guān)人員還需要使用腐蝕劑對(duì)管材試樣進(jìn)行腐蝕，其腐蝕的部位是軸向截面，腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)間為15s，最多不能超過(guò)20s，之后利用特制的光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行有效的觀察。

3、結(jié)果

3.1 Q 值。

Q 值即上文所述的高強(qiáng)TA18鈦合金管材的內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值，這一比值能夠直接的反映出管材試樣內(nèi)表面與外表面的質(zhì)量。本文研究人員采用了兩種不同的變形率以及有差別的Q 值，進(jìn)而對(duì)管材試樣進(jìn)行比較。其比較結(jié)果如下：當(dāng)內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值為在0.53-1.14 范圍內(nèi)時(shí)，盡管管材試樣的變形率會(huì)比較大，但是也不會(huì)影響表面質(zhì)量，如果比值超過(guò)了1.19，盡管管材試樣的變形率會(huì)非常小，也會(huì)影響管材試樣的表面質(zhì)量。而之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況下主要是因?yàn)楣懿脑嚇釉谲堉破陂g，減壁段長(zhǎng)度會(huì)所有減小，進(jìn)而使得軋制前期金屬流動(dòng)到減壁段的后期，逐漸的堆積最終導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫。

3.2 變形率。

該研究主要是以Φ12mm×0.9mm 為對(duì)象，研究人員利用6 種冷軋工藝，將TA18鈦合金軋制成該種類(lèi)型的管材，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：晶粒的破碎程度隨著變形率的增大而愈加充分，管材加工態(tài)顯微組織中的變形流線(xiàn)更加明顯，同時(shí)管材加工態(tài)的強(qiáng)度也隨之升高。變形率低于44％時(shí)塑性的變化效果不明顯，但當(dāng)變形率高于44％時(shí)，隨著變形率的進(jìn)一步增大塑性逐漸降低。經(jīng)700℃，90 min 退火后，變形率為30％～80％的管材的品粒均勻度較好，力學(xué)性能趨于一致。而變形率為23％的管材M 態(tài)的晶粒尺寸分布不均勻，塑性也較低。

3.3 退火溫度。

各實(shí)驗(yàn)管材的強(qiáng)度均隨著退火溫度的升高逐漸降低，同時(shí)延伸率逐漸升高。還注意到力學(xué)性能的變化主要集中在550～650℃溫區(qū)內(nèi)，當(dāng)溫度低于550℃或大于650℃時(shí)，塑性和強(qiáng)度的變化較為平緩。

4 、結(jié)論

通過(guò)上述的研究對(duì)航空高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝可以總結(jié)出如下幾點(diǎn)：

首先，如果高強(qiáng)TA18鈦合金管材的累積變形率沒(méi)有超過(guò)55%，則其Q 值需要控制在0.53- 1.14 之間，這時(shí)高強(qiáng)TA18鈦合金管材試樣可以通過(guò)兩輥軋機(jī)完成軋制，并且管材試樣的內(nèi)、外表面都不會(huì)出現(xiàn)裂紋；其次，高強(qiáng)TA18鈦合金管材試樣的加工強(qiáng)度與變形率成正比，但變形率與高強(qiáng)TA18鈦合金管材試樣的塑性之間的關(guān)系能夠達(dá)到一個(gè)臨界狀態(tài)，如果管材試樣的變形率未達(dá)到44%，則管材試樣的變形率幾乎不會(huì)對(duì)其塑性產(chǎn)生影響，而當(dāng)管材試樣的變形率已經(jīng)達(dá)到了或者大于44%時(shí)，則管材塑性與變形率之間呈現(xiàn)出反比關(guān)系；再次，退火溫度與管材強(qiáng)度之間呈反比關(guān)系，退火溫度與延伸率之間則成正比關(guān)系，但因各個(gè)管材試樣變形率有所差別，因此其硬化效應(yīng)也存在差別，而退火溫度與硬化效應(yīng)之間呈現(xiàn)出反比關(guān)系。當(dāng)管材試樣的變形率在30%-80%之間時(shí)，在對(duì)其進(jìn)行退火處理，這時(shí)變形率幾乎不會(huì)對(duì)管材試樣的力學(xué)性能產(chǎn)生任何影響，而如果管材試樣變形率較小；沒(méi)有超過(guò)23%時(shí)，這時(shí)管材試樣即使再進(jìn)行結(jié)晶，其所具有的塑性也會(huì)十分低，這主要是因?yàn)楣懿牡淖冃温蔬^(guò)小，使其再結(jié)晶晶粒尺寸無(wú)法完全平均分布；最后，當(dāng)管材試樣變形率達(dá)到51%時(shí)，其所達(dá)到的退火溫度為550℃，而時(shí)間持續(xù)一個(gè)半小時(shí)時(shí)，Φ12mm×0.9mm的TA18鈦合金管材試樣的各個(gè)力學(xué)性能如下：UTS=920MPa，YS=755MPa，El=14%。

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