供稿|劉偉，張耀斌，侯振杰 / LIU Wei, ZHANG Yao-bin, HOU Zhen-jie

內(nèi)容導(dǎo)讀

鈦及鈦合金管材具有優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金管材分為無(wú)縫管和有縫管，無(wú)縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。鈦合金管材冷軋是先進(jìn)的管材生產(chǎn)方法。如何制定軋制工藝參數(shù)對(duì)軋制出合格的管材尤為重要。文章闡述了鈦及鈦合金冷軋管材生產(chǎn)現(xiàn)狀，敘述了鈦合金管材軋制的特點(diǎn)及生產(chǎn)過(guò)程中的影響因素，對(duì)鈦合金軋制工藝研究及發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、耐蝕性好、彈性模量低、無(wú)磁且生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工作的零件、結(jié)構(gòu)件和緊固件以及航空航天、海洋開(kāi)發(fā)、醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域[1-2]。世界各國(guó)都在大力發(fā)展鈦及鈦合金生產(chǎn)。據(jù)估計(jì)，目前全球鈦及鈦合金的生產(chǎn)能力已超過(guò)消費(fèi)需求量的2~2.5倍，因而鈦及鈦合金世界市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。鈦合金管材分為無(wú)縫管和有縫管，無(wú)縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。而鈦及鈦合金軋制管的生產(chǎn)過(guò)程主要有管坯制備、軋制、熱處理等三個(gè)部分。鈦合金管材冷軋是先進(jìn)的管材生產(chǎn)方法。第一臺(tái)冷軋管機(jī)問(wèn)世于1930年，由于各種形式的冷軋管機(jī)的不斷出現(xiàn)，以及冷軋管工藝的日益完善，使得管材工業(yè)的發(fā)展得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

鈦合金管材軋制的特點(diǎn)

目前，低強(qiáng)度、低合金化的鈦及鈦合金無(wú)縫管的加工技術(shù)比較成熟，均采用冷軋真空退火工藝。管材冷軋相對(duì)于其他生產(chǎn)方法(如：管材的拉伸生產(chǎn))具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)冷軋管材時(shí)，金屬在變形區(qū)中始終處于三向壓應(yīng)力的作用之下能充分發(fā)揮金屬的塑性，同時(shí)在多段孔型中實(shí)現(xiàn)分散變形，因此能采用較大的變形量。(2)冷軋后的管材，其尺寸精確，內(nèi)表面光潔，并且具有較高的機(jī)械性能。(3)冷軋管可生產(chǎn)各種規(guī)格的小直徑薄壁管以及各種斷面不規(guī)則的異型管材。一般用兩輥式冷軋管機(jī)軋制的管材外徑最小為15 mm，壁厚可薄至0.5 mm；而用三輥式冷軋管機(jī)軋制的管材最小外徑可為3 mm，壁厚薄至0.08 mm。(4)冷軋管的成品率高，廢品損失少。冷軋管材廢品率僅為1%~1.5%，而拉伸管材廢品率高達(dá)20%~25%。

鈦及鈦合金管材軋制采用兩輥和多輥式周期軋管機(jī)生產(chǎn)。兩輥軋機(jī)相比多輥軋機(jī)來(lái)說(shuō)減徑量和減壁量較大，提高了生產(chǎn)效率，而多輥軋機(jī)能夠提高尺寸的精度、變形均勻但生產(chǎn)效率較低。為了能夠兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，通常情況下生產(chǎn)線會(huì)相結(jié)合使用。

盡管焊管有代替無(wú)縫管的趨勢(shì)，但重要的化工裝置、航空液壓管路及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料導(dǎo)管等，為保證安全，無(wú)縫管仍然不能被焊管取代[3]。

軋制過(guò)程的影響因素

鈦合金管材軋制過(guò)程的影響因素較多，諸如送料量、轉(zhuǎn)角、摩擦因數(shù)、工件的材質(zhì)、加工率、軋機(jī)的類型、工件的直徑、機(jī)架往復(fù)行程次數(shù)等，歸納得出其主要影響因素有：轉(zhuǎn)角、送進(jìn)量選擇、軋機(jī)的速度、變形程度。

轉(zhuǎn)角

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在其他軋制參數(shù)相同的情況下，回轉(zhuǎn)角度的變化對(duì)壁厚的不均勻度產(chǎn)生較大的影響。隨著回轉(zhuǎn)角度的增加，壁厚不均度增加較快。這是由于回轉(zhuǎn)角的增大，輾軋角也增大，切向變形增大，從而加大了橫向變形的不均。例如，LD60三輥冷軋管機(jī)在軋制TA2 φ41 mm×1.4 mm的純鈦管坯時(shí)，回轉(zhuǎn)角分別為16o、18o、20o，對(duì)應(yīng)的壁厚不均度Z分別為8.4%、8.7%、9.1%，壁厚不均度隨著回轉(zhuǎn)角的增加而增大[4]。管材通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，可以大大減小壓縮段中出現(xiàn)的拉應(yīng)力，避免塑性差的金屬在機(jī)架工作行程中出現(xiàn)裂紋。

變形程度

變形程度是管材軋制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)，它對(duì)軋制時(shí)所需的軋制力、軋制制品的表面質(zhì)量、變形熱效應(yīng)、制品的組織和性能等均有一定的影響。通過(guò)對(duì)小規(guī)格TA15鈦合金軋制管材工藝研究發(fā)現(xiàn)：隨著變形程度的增加，強(qiáng)度提高，塑性基本不變，但管材經(jīng)過(guò)800℃/1.5 h退火后，其強(qiáng)度降低，塑性會(huì)有所提高。再結(jié)晶退火后，大加工量管材的強(qiáng)度比小加工量的降低很多，塑性比小加工量的高。從組織上看，再結(jié)晶比小加工量的更完全[5]。通過(guò)變形率對(duì)TA18管材力學(xué)性能和組織的影響分析發(fā)現(xiàn)：加工硬態(tài)管材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨著變形率的增大而逐漸升高，變形率超過(guò)44%時(shí)，延伸率會(huì)逐漸下降；經(jīng)不同變形率軋制成形的φ12 mm×0.9 mm管材的加工硬態(tài)縱向顯微組織中，變形率為23%時(shí)，晶粒變形不明顯，晶界清晰可見(jiàn)，隨著加工率的增大出現(xiàn)典型的纖維組織，管材組織中的變形流線就越明顯[6]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，變形率對(duì)管材力學(xué)性能的影響可以通過(guò)退火進(jìn)行消除。

在軋制時(shí)，除考慮變形程度外，還必須考慮減徑量與減壁量的比值對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐得知，孔型始端減徑值(通稱空減徑)對(duì)工業(yè)純鈦TA2、TA3的變形影響不大，但對(duì)TC1、TC2等鈦合金的變形有著很大的影響。

送進(jìn)量

送進(jìn)量大小的選擇合理與否，是直接影響到能否獲得較高的生產(chǎn)效率和良好的產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要因素。送進(jìn)量過(guò)小使設(shè)備能力沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，降低了生產(chǎn)率；而送進(jìn)量過(guò)大，則將使軋出的管材出現(xiàn)飛邊、棱子、橢圓、壁厚不均甚至破裂等嚴(yán)重缺陷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：管材軋制送進(jìn)量的大小對(duì)渦流探傷也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。送進(jìn)量較小的情況下，渦流探傷檢測(cè)精度高，當(dāng)軋制送進(jìn)量增大到一定值后，即使不產(chǎn)生軋制缺陷，也會(huì)由于金屬變形激烈、應(yīng)力集中等原因使管材本身渦流探傷噪聲加大[7]。

當(dāng)金屬及合金越硬、越難變形時(shí)，送進(jìn)量應(yīng)適當(dāng)減小，且工作機(jī)架的行程次數(shù)可以放慢，否則軋機(jī)的負(fù)荷增加，軋出的管材容易造成廢品。當(dāng)軋機(jī)的行程次數(shù)不變時(shí)，軋制不同類型的合金可根據(jù)不同的情況調(diào)整送進(jìn)量，例如：軋機(jī)型號(hào)LG-30，TA1、TA2管材軋后壁厚為0.40~2.50 mm，送進(jìn)量可選擇3.0~7.0 mm/次；軋后壁厚為2.60~6.00 mm時(shí)，送進(jìn)量則可調(diào)整為4.0~10.0 mm/次。

軋機(jī)的速度

軋機(jī)速度的選擇主要根據(jù)不使軋機(jī)負(fù)荷過(guò)于增大的原則來(lái)確定。小型軋機(jī)的速度比大型軋機(jī)的快，因小型軋機(jī)運(yùn)動(dòng)部分的重量和金屬的送進(jìn)體積??；而大型軋機(jī)的則相反，因慣性力矩很大而使傳動(dòng)困難，為此，在軋機(jī)的主傳動(dòng)部分增加動(dòng)平衡裝置，可顯著提高速度。

擠壓工藝確定

鈦及鈦合金軋制，要求在工具合適的條件下制定正確的生產(chǎn)工藝，即要求轉(zhuǎn)角、送進(jìn)量、軋機(jī)速度、變形程度的配合。針對(duì)不同鈦合金型號(hào)的特點(diǎn)，制定合適的軋制工藝，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和成品率最大化。

雷江等通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了TA18鈦合金小規(guī)格厚壁管材變形量對(duì)成品管材顯微組織及力學(xué)性能的影響，張富平也通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了TA16小規(guī)格厚壁管材加工量對(duì)管材性能均勻性的影響[8]。

隨著有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，將有限元分析法和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合起來(lái)，通過(guò)有限元數(shù)值模擬金屬塑性成形過(guò)程，優(yōu)化工藝參數(shù)后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益和軋制效率具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[9]。

結(jié)束語(yǔ)

鈦及鈦合金管材冷軋方法主要受轉(zhuǎn)角，變形程度、送進(jìn)量和軋機(jī)速度的選擇等因素影響。采用計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)際相結(jié)合制定合理的軋制工藝，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。