热加工工艺对Ti75合金管坯组织及性能的影响

1、前言

Ti75合金名义成分为Ti-3Al-2Mo-2Zr，是一种近α型船用钛合金，具有中强、高韧、可焊、耐蚀等特点，用其制作的板、棒、锻件、铸件等半成品目前已广泛应用于舰船动力系统中代替铜／钢复合结构，使用效果良好。然而对于舰船管路系统所用半成品，Ti75合金管材加工工艺目前还没有系统研究过，限制了其应用范围。

目前钛合金管坯的生产方法主要是钻孔挤压法和斜轧穿孔法，由于钻孔挤压法制备管坯组织均匀，工艺稳定，挤压变形后金属材料晶粒组织更加致密，因而钛合金管坯制备大多采用此种方法。斜轧穿孔法制备钛合金管坯，我国在20世纪70年代就开始研究了，但是直到最近几年才得到广泛应用。采用此种方法制备钛合金管坯，工艺简单可靠，材料利用率高，生产效率高，但是由于金属变形过程不均匀，对工艺要求较为严格。为此本实验针对Ti75合金特点，采用挤压和斜轧穿孔工艺制备了Ti75合金管坯，研究了两种热加工工艺对管坯组织性能的影响，确定了合理的工艺参数，为Ti75合金管材批量生产打下基础。

2、实验方法

实验所用Ti75合金棒坯是采用二次真空自耗电弧熔炼的φ480 mm铸锭，经β区开坯，α+β两相区精锻的方法制备的。挤压工艺是在2500t卧式挤压机上进行的，挤压棒坯的尺寸：φ213mm，采用铜钢双包套，挤压温度：700～850℃，挤压比5~7。斜轧穿孔工艺是在60-H型两辊斜轧穿孔机上进行的，穿孔坯料尺寸：φ88mm、φ108 mm、φ116 mm。

将精锻好的棒坯沿纵向切取试样进行高温拉伸实验，在制备出的管坯上沿纵向切取试样进行热处理及室温拉伸实验，比较其金相组织和力学性能。室温拉伸是在INSTRO-1185拉伸实验机上进行，拉伸试样按ASTN E8的规定制备，工作部分宽12.5 mm，标距长50 mm，并利用光学显微镜观察组织。

3、结果与讨论

3.1 挤压温度对管坯组织性能的影晌

由于Ti75合金属于中强钛合金，采用挤压和斜轧穿孔工艺制备该合金管坯以前还没有试验过，为了制定合理的热加工过程中的成形温度，在Ti75合金锻棒上截取试样进行单向拉伸试验，测试合金的高温力学性能(图1)。

从图1可以看出，Ti75合金在变形温度超过600℃以后，抗拉强度呈直线下降，而合金的延伸率升高并不明显，只有超过800℃，合金才表现出良好的超塑性。因此，在考虑设备能力足够的情况下，变形温度应选择在800℃以上比较合适。

挤压温度是影响合金性能的重要因素之一。因此选择合适的挤压温度及挤压比是保证良好工艺塑性条件下，获得综合性能优异管坯的先决条件。根据图1数据并考虑合金的相变点，选择在750~850℃范围内研究了挤压温度对Ti75合金挤压管坯性能影响的实验，试验制备的管坯规格为φ130 mm×13 mm，管坯力学性能列于表1。

结果表明：随着挤压温度的升高，变形后的管坯塑性变化不大，850℃强度略有降低，而且管坯表面质量较差。对比组织结果见图2，发现挤压后的晶粒度发生了明显变化，低温挤压管坯组织细小均匀，并不同程度的出现了回复和动态再结晶，而高温挤压管材为粗大的网篮组织，说明随着挤压温度的升高，在变形热的影响下，合金实际的变形温度已经超过了相变点，造成了高温挤压管材强度的降低。所以Ti75合金的挤压温度应以不超过850℃为宜。这样可以保证制备的管坯具有较好的机械性能。

3.2 斜轧穿孔工艺对管坯组织性能的影响

斜轧穿孔工艺是无缝管材生产的重要手段。它是利用沿轧制坯料纵向和横向上的拉应力作用，使棒坯中心区金属产生微裂纹，继而扩展为疏松区，最后形成孔腔这一物理现象，同时当轴心区金属出现疏松时，顶头及时地参加塑性加工过程，从而将实心圆坯(锻坯或轧坯)直接轧成毛管的加工方法。Ti75属中强合金，其变形抗力较大、导热性能差，所以其管材加工较工业纯钛困难。在斜轧穿制备Ti75合金管坯工艺中，影响管坯质量的因素很多，除了正常的设备条件外，加热温度和加热时间是重要参数，如果控制不当，必然容易在管坯表面产生缺陷。参照合金高温力学性能，其斜轧穿孔温度选择在相变点以上20～30℃，加热方式采用感应加热+电阻炉保温。

3种规格管坯穿制过程较为顺利，虽然尾部内表面部分出现分层和细小裂纹，但是管坯表面光滑，尺寸均匀性较好。穿孔前后的组织如图3所示，管坯力学性能见表2。

从表2中可以看出，采用斜轧穿孔工艺制备的Ti75合金管坯力学性能优良，除了φ110 mm×11 mm管坯有一个样品面塑率较低外，3种规格管坯力学性能相当，都具有良好的塑性，可以满足管材的后续成品开坯轧制工作。同时，在金相显微镜下观察了3种规格管坯横、纵向组织。从组织图中可以看出，钛合金棒材在斜轧穿孔加工后，3种规格管材都是典型的网篮组织，在组织图中还可以看到沿加工流线变形的原始p晶界。由于Ti75合金属于近a合金，在相变点以上20~30℃热加工，可以显著减少初生a相数最，改善合金塑性，使晶粒组织均匀细化。说明采用此工艺用斜轧穿孔机制各Ti75合金管坯是可行的，管坯无须热处理就可满足后续冷轧加工要求。

3.3 热处理对挤压管坯性能的影响

为了后续冷轧加工，对挤压好的Ti75合金管坯进行热处理。热处理试样均是在箱式退火炉中完成的。不同退火温度下管坯力学性能见表3，表中数据表明：4种温度退火样品均具有良好的性能，说明Ti75合金热处理退火温度范围较宽，对成形工艺有较好的适应性。从组织回复、再结晶和性能两方面考虑，挤压管坯宜采用750~800℃/1 h，AC热处理较为理想。

4、结 论

1）采用钻孔挤压工艺可以制备出合格的Ti75合金管坯，挤压温度在800～850℃，挤压比5～7制备的管坯具有较好的力学性能。

2）在相变点以上20～30℃斜轧穿孔工艺也可以制备中强Ti75合金管坯，材料利用率比钻孔挤压法高15％，而且制备的管坯不需热处理就可满足后续冷轧要求。

3）Ti75合金热处理温度范围较宽，挤压管坯热处理温度宜采用750～800℃/1 h，AC较为理想。

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