国防装备用TC16钛合金薄壁壳体冷旋压工艺及热处理优化——聚焦武器装备薄壁回转构件高精度无氧化成形需求，突破高强钛合金热旋压氧化缺陷瓶颈，开展两道次冷强旋试验，揭示不同退火温度下组织再结晶与强塑性调控机理

国防武器装备对减重、高性能、高机动性的要求不断提高，亟需开展新型装备关键构件的轻量化及整体成形技术研究。钛合金具备密度低、比强度高、耐热性好等优点,对实现武器装备关键构件的减重及高性能具备重要意义[1]。旋压是一种综合了环轧、锻压、辊压等多种加工工艺特点的金属渐进成形工艺，具备生产周期短、材料利用率高、产品尺寸精度高、适宜整体成形等优点[2-3]。旋压成形时,在旋轮与芯轴的共同作用下,坯料产生连续局部塑性变形,变形区处于三向压应力状态,大大提升了材料的塑性成形极限，非常适合于难变形材料的加工成形[4-6]。旋压工艺已成为制备战斗部设备壳体及尾喷管、超音速导弹发动机及助推器壳体等复杂形状薄壁回转体类构件的首选成形工艺[7-8]。因此，研究高强钛合金薄壁构件的旋压成形是十分有必要的。

由于冷加工时的变形抗力较大,目前针对高强钛合金回转体构件的旋压成形工艺及相关研究报道主要集中在热旋领域。王思冰等[9]对Ti2AlNb合金锥形件剪切旋压工艺及其组织性能演变进行了研究。由于热旋时组织中B2相粗化，导致Ti2AlNb合金在下一道次热旋压时的变形能力急剧下降，因此需在道次间进行退火处理，以提高合金的热加工性。该研究表明无道次间退火处理的Ti2AlNb合金很难实现连续多道次的热剪切旋压。詹梅等[10]研究了加热温度以及偏离率对TA15钛合金热剪切旋压变形的影响机制，发现当坯料加热温度控制在500~600℃范围内且近零偏差时可以获得尺寸精度高且显微组织均匀的钛合金剪切旋压件。单德彬等[11]对TA15钛合金管材在多道次热旋压过程中的组织演变过程进行了研究，结果表明，合金的变形程度、显微组织及织构在管材壁厚方向上存在明显差异，与旋轮接触的外层金属变形量大，与芯轴接触的内层金属变形量较小，当累积壁厚减薄率达到85%时，这种不均匀性显著降低。尽管热旋压能够提升材料的成形能力，但其制品表面通常形成氧化层，需要后续机械加工去除，增加了制造成本，尤其对于壁厚≤2mm的薄壁壳体构件，机加工难度大，限制了其应用。相比之下，冷旋压可直接成形高尺寸精度薄壁壳体构件，且无需后续机加工，生产效率更高。然而，目前尚无关于高强钛合金薄壁回转体构件冷旋压成形的研究报道。

本文研究了一种高强钛合金薄壁管的冷旋压成形工艺，所用材料为TC16钛合金。TC16钛合金是一种α+β型两相高强钛合金，其β稳定化系数为0.83,接近临界成分  1 [12]。该合金在退火状态下具备优异的室温塑性，可以像β钛合金一样冷镦成形螺栓等紧固件，并通过冷加工硬化作用或后续固溶时效处理使构件强度达到使用要求[13-14]，因此非常适合冷加工成形和热处理强化[15]。本文以TC16钛合金为试验材料，通过多道次冷旋压制备了外径为Φ95mm，壁厚仅为1.5mm的TC16高强钛合金薄壁管，并设计了3种热处理方案，研究了冷旋压变形及热处理温度对管材显微组织及力学性能的影响。

1、试验材料及方法

1.1试验材料

按照TC16钛合金名义成分(Ti-3Al-5Mo-4.5V,质量分数,%)进行配料，采用3次真空自耗电弧熔炼制备铸锭。经多火次锻造、斜轧穿孔、机加后制得管坯。将管坯内表面及芯轴表面涂抹润滑油,然后按照图 1所示方式进行装配并开始旋压。旋压方式采取三轮强力反旋压,过程如图2所示,工艺参数如表 1。旋压前初始管坯外径为 102 mm,壁厚为5 mm。经两道次冷强旋后,制得外径为95 mm,壁厚为 1.5 mm的 TC16薄壁管材。第 1道次壁厚减薄率为 50%,第 2道次为 40%,累积壁厚减薄率为 70%。分别在 550、650和 750℃下对旋压管材进行热处理,保温时间均为180min，冷却方式为空冷。研究旋压变形及热处理对管材显微组织及力学性能的影响。

表1三轮强力反旋压工艺参数

Table 1 Process parameters of three-roller power spinning

旋压前初始管坯的轴向显微组织如图3所示，力学性能如表2所示。初始管坯组织中可见原始β晶界，晶粒呈等轴状。晶粒内部细小的α及β片层交错排列，呈网篮编织状分布。初始管坯的屈服强度为695 MPa，伸长率达15%，断面收缩率高达43%，处于低强、高塑性状态，为后续冷旋压变形提供了良好的坯料准备。

表2初始管坯力学性能

Table 2 Mechanical properties of the tubular billet

1.2试验方法

采用德国-Bruker-D8 Advance型X射线衍射仪(X-Ray Diffraction，XRD)对试样相组成进行分析。采用蔡司GeminiSEM 360型扫描电子显微镜(Scan-ning Electron Microscope，SEM)对试样轴向显微组织进行观察，并利用ImageJ图像分析处理软件对晶粒尺寸及相含量进行统计。沿管材轴向进行取样，利用INSTRON-5500R型电子万能试验机测试试样的室温拉伸性能，拉伸速率为0.5mm·min  −1，拉伸试验依据GB/T 228.12021  [16]进行。

2、试验结果与讨论

2.1相分析

图4为冷旋压态及不同热处理态TC16钛合金试样的XRD图谱。可以看出，不同状态下试样均由α相及β相组成，并存在多角度α相及β相衍射峰。随着退火温度升高，XRD谱图中衍射峰向低角度方向产生小角度偏移。

2.2 显微组织

旋压态试样的轴向显微组织如图5所示，其中旋压方向与旋轮进给方向一致。可以看出，冷旋压后，初始管坯中的等轴晶(见图3)被压扁、拉长，形成了典型的冷塑性变形纤维组织。初始管坯中等轴晶内部的编织状a及β片层经旋压后被拉长,呈细小、均匀且交替分布的层片状分布。a片层的平均厚度为0.15μm,β片层平均厚度为0.11μm,片层间距极小,为0.13μm。片层方向平行于旋压方向,即管材轴向。经统计,旋压态下a及β相的含量分别为76.9%、23.1%。

图6为550℃退火态显微组织SEM图。可以看出,原本旋压态下光滑连续的α、β片层发生破碎、失稳分解,并开始球化、再结晶。前期冷旋压变形时片层内部积累了大量变形位错、亚晶界等高能量微观缺陷，导致片层稳定性降低。退火加热时，当这些高能量界面迁移至与相界面接触时，会破坏α/β相界面的平衡，在接触处形成热蚀坑。由于热蚀坑底部和边缘的α/β相界面曲率半径不同，导致附近相界面的Al、Mo元素存在浓度梯度，在这种元素浓度差驱动下，片层不断溶解，热蚀坑尖端最终穿透片层，使原本连续的α、β片层分割为独立的晶粒。这种通过晶界扩散作用使片层分解球化的机制与文献[16]的研究结果一致。本研究中，由于冷旋压组织中的初始片层厚度极薄，经片层破碎分解形成的晶粒尺寸也极为细小，达到纳米级。这些微观尺度的纳米晶、超细晶以及残留片层在宏观上仍沿管材旋压方向呈流线形层片状分布，形成一种梯度混合组织[17]。这种旋压变形后通过静态再结晶过程得到纳米晶的现象在文献[18]中也有报道。图6表明，550℃退火后组织发生了回复、多变形化过程以及再结晶。本研究中，由于合金在前期冷旋压变形时积累了大量的形变能，在回复、多边化阶段，高位错密度的片层中发生位错的再分布和局部抵消，位错密度降低，从而有效消除了冷加工应力，此变化与退火后XRD衍射图谱向低角度偏移的结果一致。

图7a为650℃退火态试样的显微组织。可以看出，当退火温度升高至650℃时，α、β片层已基本分解为块状或棒状。分解后的块状(或棒状)α及β相仍呈断续的层状分布，并伴随有明显的晶粒长大现象，组织发生不完全再结晶。图7b为750℃退火态组织。可以看出，经750℃退火后，组织发生完全再结晶，晶粒尺寸细小、均匀，呈等轴状分布。α及β晶粒的平均尺寸分别为1.17和1.36μm。对比不同退火温度下试样的SEM图可知，随着退火温度的升高，组织经历了片层分解、球化，不完全再结晶，到完全再结晶的过程。

旋压态及退火态组织中  α相及  β相含量统计结果如表3所示。可以看出，退火态合金中β相的含量高于旋压态，且随着退火温度升高，元素扩散能力增强，组织中α相逐渐溶解，β相含量升高。750℃完全再结晶组织中的  β相含量达到 43.7%。

表3不同状态下试样中α相及β相含量对比

Table 3 Comparison of a phase andβ phase volume fraction in specimens under different conditions

2.3力学性能

冷旋压及不同热处理态试样的力学性能测试结果如图8和表4所示。冷旋压态试样的抗拉强度、屈服强度以及伸长率分别为1126MPa、850MPa和14.5%。与初始管坯相比，抗拉强度提高42.5%，屈服屈服提升22.3%，同时伸长率无明显下降。冷旋压后强度提升主要有以下3个原因:

(1)冷变形后合金的加工硬化作用。冷旋压时，组织中的位错密度迅速增加，随着变形的进行，位错运动受晶界、相界阻碍产生塞积，形成位错缠结。在位错缠结及位错间交互作用的影响下，位错运动的阻力增加，合金强度增加。

(2)冷变形后组织细化。由图5可知，冷旋态下α/β片层间距极小，组织中存在大量连续的α/β相界面，这些相界面能够显著阻碍位错滑移，提升合金塑性变形的临界分切应力，从而提高强度。

(3)冷旋压形成的有利片层取向。冷旋压态纤维状片层方向平行于管材轴向，即旋压方向，进一步提高了合金的强度。合金在冷变形后仍保持高的伸长率(14.5%)主要与冷旋压态全a+β的片层组织结构有关。 Wu Z X等  [20]研究表明,在全  α +  β片层组织中，α/β相界面处产生应力集中可激活二次位错滑移带产生，从而缓解应变局域化，且随着相界面的增多，滑移带的分布更均匀，应变分布也更加均匀。此外，全a+β片层结构中交错分布的β片层也能够有效缓解应力集中趋势。综上所述，冷旋态组织中大量的α/β相界面以及均匀交错分布的β片层使冷变形后合金的伸长率未发生明显下降。这种冷变形后强度提高而塑性仍保持较高水平的现象在冷轧 Ti-7.5Mo板材、冷旋锻TB9钛合金中也有报道[21-22]

与冷旋压态相比，550℃退火态试样的抗拉强度(1099MPa)及伸长率(13.5%)略有降低，但屈服强度(1034 MPa)显著提高，较冷旋态提高了21.6%。结合图6可知，550℃退火态试样组织中存在大量由片层分解形成的纳米晶及超细晶，在细晶强化作用下，合金的屈服强度大幅提高。退火后合金的加工硬化作用消除，强化作用主要来源于纳米晶及超细晶。对比旋压态以及550℃退火态试样的性能可知，合金的抗拉强度受加工硬化、细晶强化以及片层取向等因素共同作用，而屈服强度则主要由纳米晶的细晶强化作用主导,加工硬化对其提升有限。相关研究表明，梯度混合组织中的纳米晶及超细晶可将塑性变形限定在一定范围内，不断减缓变形局域化及应力集中趋势,从而在提供细晶强化作用的同时保证合金的塑性[22]。此外，组织中的超细晶、纳米晶以及残留片层在宏观上仍呈平行于

管材轴向的层状分布，进一步保证了塑性。最终，在这种大尺度纤维状层片组织、小尺度纳米晶及超细晶的共同作用下，550℃退火态试样表现出良好的抗拉强度、屈服强度以及伸长率[23]。

与550℃退火态试样相比，650℃退火态试样的抗拉和屈服强度均发生下降，伸长率升高。结合图7可知，650℃退火态试样的组织发生了不完全再结晶，同时晶粒长大粗化。随着冷加工硬化及细晶强化作用的消除，合金强度下降，伸长率提高。此外，该状态下高达37.5%的β相含量使得伸长率进一步提高。750℃退火态试样的伸长率最高，达到17.5%，这是由于完全再结晶退火组织中晶粒细小、均匀，且该状态下合金中β相含量最高所致[24]。

表4旋压态及热处理态试样的力学性能

Table 4 Mechanical properties of specimens in spun and heat treated conditions

3、结论

(1)冷旋压成形的TC16钛合金薄壁管材呈纤维状全片层组织。退火后，组织经历了片层分解、球化,不完全再结晶,到完全再结晶的过程。

(2)合金的抗拉强度受加工硬化、细晶强化、

片层取向等因素共同作用，屈服强度主要与纳米晶及超细晶贡献的细晶强化作用有关，加工硬化作用对屈服强度的提升水平有限。550℃退火态试样呈纳米晶、超细晶以及残留片层组成的层状梯度混合组织，在细晶强化作用下，屈服强度最高，达到1034 MPa，同时伸长率无明显下降。

(3)随着退火温度升高，合金中β相含量增加，伸长率升高。750℃退火态试样β相含量达43.7%，伸长率最高，达到17.5%。

参考文献:

[1]Yang Z Z, Xu W C, Zhang W Q, et al. Effect of power spinning and heat treatment on microstructure evolution and mechanical properties of duplex low-cost titanium alloy[J]. Journal of Materi-als Science& Technology,2023,136:121-139.

[2]潘金启.挤压态ZK61镁合金薄壁环筋筒体热强旋成形组织性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2024.

Pan J Q. Study on the Microstructure and Property of Extruded ZK61 Alloy Thin-Walled Tube with Transverse Inner Rib During Hot Spinning[D]. Harbin: Harbin Institute of technology,2017.

[3] Zhan M, Yang H, Guo J, et al. Review on hot spinning for diffi-cult-to-deform lightweight metals[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(6): 1732-1743.

[4] Quigley E, Monaghan J. Metal forming: An analysis of spinning processes[J]. Journal of Materials Processing Technology,2000,103(1):114-119.

[5]杨英丽，郭荻子，赵永庆，等.钛旋压技术研究进展[J].稀有金属材料与工程，2008，37(S4):625-629.

Yang Y L, Guo D Z, Zhao Y Q, et al. Progress on the spin-form-ing technology of titanium in China[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2008,37(S4):625-629.

[6]赵小凯.TA15钛合金强旋--扩口成形工艺研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2017.

Zhao X K. Research on Power Spinning and Flaring of TA15 Tita-nium Alloy[D]. Harbin: Harbin Institute of technology, 2017.

[7] Nkoi B,Pilidis P,Nikolaidis T. Performance assessment of simple and modified cycle turboshaft gas turbines[J]. Propulsion and Power Research,2013,2(2):96-106.

[8]Potapov A, Shtefan Y, Lichman E, et al. Research of material for uncooled nozzle extensions of liquid rocket engines[J]. Acta As-tronautica,2009,64(1):22-27.

[9]Wang S B, Xu W C, Shao B, et al. Process design and micro-structure-property evolution during shear spinning of Ti2AlNb-based alloy[J]. Journal of Materials Science& Technology,2022,101:1-17.

[10]Zhan M, Wang Q L, Han D, et al. Geometric precision and mi-crostructure evolution of TA15 alloy by hot shear spinning[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(6):1617-1627.

[11] Shan D B, Yang G P, Xu W C, et al. Deformation history and the resultant microstructure and texture in backward tube spinning of Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V[J]. Journal of Materials Processing Tech-nology,2009,209(17):5713-5719.

[12]胡明.TC16钛合金丝材镦粗变形行为研究[D].沈阳:东北大学，2015.

Hu M. Study on Upsetting Deformation Behavior of TC16 Titanium Alloy Wire[D]. Shenyang: Northeastern University,2015.

[13]石建华.TC16钛合金热处理与冷镦变形行为研究[D].大连:大连理工大学，2012.

Shi J H. Study on Heat Treatment and Cold Forging Process of TC16 Titanium Alloy[D]. Dalian: Dalian University of Technol-ogy,2012.

[14]罗锦华，孙小平，杨辉，等.冷连轧对TC16钛合金丝材组织性能的影响[J].中国材料进展，2017，36(4):67-71.

Luo J H, Sun X P, Yang H, et al. Effects of cold tandem rolling on microstructures and mechanical properties of TC16 titanium al-loy wire for fastener use[J]. Materials China,2017,36(4):67-71.

[15]张志强，董利民，杨洋，等.淬火温度对TC16钛合金显微组织及变形行为的影响[J].金属学报，2011，47(10):1257-1262.

Zhang Z Q, Dong L M, Yang Y, et al. Influences of quenching temperature on the microstructure and deformation behaviors of TC16 titanium alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2011,47(10):1257-1262

[16] GB/T228.1-2021，金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法[S].

GB/T 228.1-2021，Metallic materialsTensile testingPart 1:Method of test at room temperature[S].

[17]陈慧琴，曹春晓，郭灵，等.TC11钛合金片层组织热变形球化机制[J].稀有金属材料与工程，2009，38(3):421-425.Chen H Q, Cao C X, Guo L, et al. Globularization mechanisms during hot deformation processes of TC11 alloy with lamellar struc-

ture[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2009, 38(3):421-425.

[18]李毅.梯度结构金属材料研究进展[J].中国材料进展，2016,35(9):658-665,700-701.

Li Y. Research progress on gradient metallic materials[J]. Mate-rials China,2016,35(9):658-665,700-701.

[19] Xia Q X, Xiao G F, Long H, et al. A study of manufacturing tubes with nano/ultrafine grain structure by stagger spinning[J].Materials& Design,2014,59:516-523.

[20] Wu Z X, Turner R, Qi M J, et al. Effect of phase boundary on the critical resolved shear stress and dislocation behavior of dual-phase titanium alloy[J]. Acta Materialia,2024,275:120051.

[21] Chung C C, Wang S W, Chen Y C, et al. Effect of cold rolling on structure and tensile properties of cast Ti-7.5Mo alloy[J]. Mate-rials Science and Engineering: A,2015,631:52-66.

[22]任德春，苏虎虎，张慧博，等.冷旋锻变形对TB9钛合金显微组织和拉伸性能的影响[J].金属学报，2019，55(4):480-488.

Ren D C, Su H H, Zhang H B, et al. Effect of cold rotary-swaging deformation on microstructure and tensile properties of TB9 titani-um alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2019, 55(4):480-488.

23]Fang TH, Li W L, Tao N R, et al. Revealing extraordinary in-trinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper[J]. sci-ence,2011,331(6024):1587-1590.

[24]高志荣，卫俊鑫，李宗泽，等.退火对冷轧Ti2AlNb基合金带材组织及力学性能的影响[J].塑性工程学报，2025，32(2):203-212.

Gao Z R, Wei J X, Li Z Z, et al. Effect of annealing on micro-structure and mechanical properties of cold-rolled Ti2AlNb-based alloy strip[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2025, 32(2):203-212.

（注，原文标题：旋压变形及热处理对TC16钛合金薄壁管材组织性能的影响_刘姣）