熱加工工藝對Ti75合金管坯組織及性能的影響

1、前言

Ti75合金名義成分為Ti-3Al-2Mo-2Zr，是一種近α型船用鈦合金，具有中強、高韌、可焊、耐蝕等特點，用其制作的板、棒、鍛件、鑄件等半成品目前已廣泛應(yīng)用于艦船動力系統(tǒng)中代替銅／鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)，使用效果良好。然而對于艦船管路系統(tǒng)所用半成品，Ti75合金管材加工工藝目前還沒有系統(tǒng)研究過，限制了其應(yīng)用范圍。

目前鈦合金管坯的生產(chǎn)方法主要是鉆孔擠壓法和斜軋穿孔法，由于鉆孔擠壓法制備管坯組織均勻，工藝穩(wěn)定，擠壓變形后金屬材料晶粒組織更加致密，因而鈦合金管坯制備大多采用此種方法。斜軋穿孔法制備鈦合金管坯，我國在20世紀70年代就開始研究了，但是直到最近幾年才得到廣泛應(yīng)用。采用此種方法制備鈦合金管坯，工藝簡單可靠，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，但是由于金屬變形過程不均勻，對工藝要求較為嚴格。為此本實驗針對Ti75合金特點，采用擠壓和斜軋穿孔工藝制備了Ti75合金管坯，研究了兩種熱加工工藝對管坯組織性能的影響，確定了合理的工藝參數(shù)，為Ti75合金管材批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

2、實驗方法

實驗所用Ti75合金棒坯是采用二次真空自耗電弧熔煉的φ480 mm鑄錠，經(jīng)β區(qū)開坯，α+β兩相區(qū)精鍛的方法制備的。擠壓工藝是在2500t臥式擠壓機上進行的，擠壓棒坯的尺寸：φ213mm，采用銅鋼雙包套，擠壓溫度：700～850℃，擠壓比5~7。斜軋穿孔工藝是在60-H型兩輥斜軋穿孔機上進行的，穿孔坯料尺寸：φ88mm、φ108 mm、φ116 mm。

將精鍛好的棒坯沿縱向切取試樣進行高溫拉伸實驗，在制備出的管坯上沿縱向切取試樣進行熱處理及室溫拉伸實驗，比較其金相組織和力學(xué)性能。室溫拉伸是在INSTRO-1185拉伸實驗機上進行，拉伸試樣按ASTN E8的規(guī)定制備，工作部分寬12.5 mm，標距長50 mm，并利用光學(xué)顯微鏡觀察組織。

3、結(jié)果與討論

3.1 擠壓溫度對管坯組織性能的影晌

由于Ti75合金屬于中強鈦合金，采用擠壓和斜軋穿孔工藝制備該合金管坯以前還沒有試驗過，為了制定合理的熱加工過程中的成形溫度，在Ti75合金鍛棒上截取試樣進行單向拉伸試驗，測試合金的高溫力學(xué)性能(圖1)。

從圖1可以看出，Ti75合金在變形溫度超過600℃以后，抗拉強度呈直線下降，而合金的延伸率升高并不明顯，只有超過800℃，合金才表現(xiàn)出良好的超塑性。因此，在考慮設(shè)備能力足夠的情況下，變形溫度應(yīng)選擇在800℃以上比較合適。

擠壓溫度是影響合金性能的重要因素之一。因此選擇合適的擠壓溫度及擠壓比是保證良好工藝塑性條件下，獲得綜合性能優(yōu)異管坯的先決條件。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)并考慮合金的相變點，選擇在750~850℃范圍內(nèi)研究了擠壓溫度對Ti75合金擠壓管坯性能影響的實驗，試驗制備的管坯規(guī)格為φ130 mm×13 mm，管坯力學(xué)性能列于表1。

結(jié)果表明：隨著擠壓溫度的升高，變形后的管坯塑性變化不大，850℃強度略有降低，而且管坯表面質(zhì)量較差。對比組織結(jié)果見圖2，發(fā)現(xiàn)擠壓后的晶粒度發(fā)生了明顯變化，低溫擠壓管坯組織細小均勻，并不同程度的出現(xiàn)了回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶，而高溫擠壓管材為粗大的網(wǎng)籃組織，說明隨著擠壓溫度的升高，在變形熱的影響下，合金實際的變形溫度已經(jīng)超過了相變點，造成了高溫擠壓管材強度的降低。所以Ti75合金的擠壓溫度應(yīng)以不超過850℃為宜。這樣可以保證制備的管坯具有較好的機械性能。

3.2 斜軋穿孔工藝對管坯組織性能的影響

斜軋穿孔工藝是無縫管材生產(chǎn)的重要手段。它是利用沿軋制坯料縱向和橫向上的拉應(yīng)力作用，使棒坯中心區(qū)金屬產(chǎn)生微裂紋，繼而擴展為疏松區(qū)，最后形成孔腔這一物理現(xiàn)象，同時當軸心區(qū)金屬出現(xiàn)疏松時，頂頭及時地參加塑性加工過程，從而將實心圓坯(鍛坯或軋坯)直接軋成毛管的加工方法。Ti75屬中強合金，其變形抗力較大、導(dǎo)熱性能差，所以其管材加工較工業(yè)純鈦困難。在斜軋穿制備Ti75合金管坯工藝中，影響管坯質(zhì)量的因素很多，除了正常的設(shè)備條件外，加熱溫度和加熱時間是重要參數(shù)，如果控制不當，必然容易在管坯表面產(chǎn)生缺陷。參照合金高溫力學(xué)性能，其斜軋穿孔溫度選擇在相變點以上20～30℃，加熱方式采用感應(yīng)加熱+電阻爐保溫。

3種規(guī)格管坯穿制過程較為順利，雖然尾部內(nèi)表面部分出現(xiàn)分層和細小裂紋，但是管坯表面光滑，尺寸均勻性較好。穿孔前后的組織如圖3所示，管坯力學(xué)性能見表2。

從表2中可以看出，采用斜軋穿孔工藝制備的Ti75合金管坯力學(xué)性能優(yōu)良，除了φ110 mm×11 mm管坯有一個樣品面塑率較低外，3種規(guī)格管坯力學(xué)性能相當，都具有良好的塑性，可以滿足管材的后續(xù)成品開坯軋制工作。同時，在金相顯微鏡下觀察了3種規(guī)格管坯橫、縱向組織。從組織圖中可以看出，鈦合金棒材在斜軋穿孔加工后，3種規(guī)格管材都是典型的網(wǎng)籃組織，在組織圖中還可以看到沿加工流線變形的原始p晶界。由于Ti75合金屬于近a合金，在相變點以上20~30℃熱加工，可以顯著減少初生a相數(shù)最，改善合金塑性，使晶粒組織均勻細化。說明采用此工藝用斜軋穿孔機制各Ti75合金管坯是可行的，管坯無須熱處理就可滿足后續(xù)冷軋加工要求。

3.3 熱處理對擠壓管坯性能的影響

為了后續(xù)冷軋加工，對擠壓好的Ti75合金管坯進行熱處理。熱處理試樣均是在箱式退火爐中完成的。不同退火溫度下管坯力學(xué)性能見表3，表中數(shù)據(jù)表明：4種溫度退火樣品均具有良好的性能，說明Ti75合金熱處理退火溫度范圍較寬，對成形工藝有較好的適應(yīng)性。從組織回復(fù)、再結(jié)晶和性能兩方面考慮，擠壓管坯宜采用750~800℃/1 h，AC熱處理較為理想。

4、結(jié) 論

1）采用鉆孔擠壓工藝可以制備出合格的Ti75合金管坯，擠壓溫度在800～850℃，擠壓比5～7制備的管坯具有較好的力學(xué)性能。

2）在相變點以上20～30℃斜軋穿孔工藝也可以制備中強Ti75合金管坯，材料利用率比鉆孔擠壓法高15％，而且制備的管坯不需熱處理就可滿足后續(xù)冷軋要求。

3）Ti75合金熱處理溫度范圍較寬，擠壓管坯熱處理溫度宜采用750～800℃/1 h，AC較為理想。

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