摘要：[A2]"鈦合金具有獨特的優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。然而，鈦合金材料的加工性較差，尤其是鈦合金管材的生產(chǎn)，因高強(qiáng)度、高硬度、熱穩(wěn)定性差而面臨加工困難、成本高等問題。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，鈦合金管材的加工工藝不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。因此，需要探討鈦合金管材的加工工藝及其性能優(yōu)化，重點分析鑄態(tài)管坯制備、徑向鍛造、雙重退火等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，以及對鈦合金管材力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量的影響。研究表明，通過創(chuàng)新工藝的改進(jìn)和合理的工藝參數(shù)控制，可以顯著提升鈦合金管材的性能，降低生產(chǎn)成本，提升材料的整體利用率。

關(guān)鍵詞：鈦合金 管材 加工[A3]" 工藝參數(shù)

Exploration of the Processing Technology and Performance Optimization of Titanium Alloy Pipes

LI Nanlin

Harbin Dong'an High Precision Pipe Shaft Manufacturing Co.， Ltd.， Harbin， Heilongjiang Province， 150060 China

Abstract： Titanium alloys are widely used in aerospace， chemical engineering， medical equipment and other fields due to their unique and excellent properties. However， the machinability of titanium alloy materials is poor， especially in the production of titanium alloy pipes， which often face processing difficulties and high costs due to their high strength， high hardness， and poor thermal stability. In recent years， with the development of technology， the processing technology of titanium alloy pipes has been continuously innovated and optimized. Therefore， it is necessary to explore the processing technology and performance optimization of titanium alloy pipes， with a focus on analyzing key process links including as cast billet preparation， radial forging， and double annealing， as well as their effects on the mechanical properties， microstructure， and surface quality of titanium alloy pipes. Research has shown that through innovative process improvement and reasonable process parameter control， the performance of titanium alloy pipes can be significantly improved， production costs can be reduced， and the overall utilization rate of materials can be enhanced.

Key Words： Titanium alloy; Pipe; Processing; Process parameters

鈦合金是一種高性能材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性和良好的生物相容性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、醫(yī)療器械等高端領(lǐng)域。鈦合金管材具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點，已成為不可替代的關(guān)鍵材料。然而，鈦合金的高強(qiáng)度和較低的熱導(dǎo)性使其在加工過程中具有較大的變形抗力，在面對復(fù)雜形狀和高精度要求時，傳統(tǒng)的加工方法往往無法滿足生產(chǎn)需求。近年來，隨著鈦合金加工技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是新型加工工藝的不斷創(chuàng)新，鈦合金管材的生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到大幅提升，同時可以顯著降低生產(chǎn)成本。因此，對鈦合金管材加工工藝及其性能優(yōu)化策略進(jìn)行詳細(xì)探究意義重大。

[A4]"1 鈦合金管材加工工藝現(xiàn)狀

鈦合金管材具有優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的力學(xué)性能和高溫抗氧化性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、海洋工程等高端領(lǐng)域。鈦合金管材的傳統(tǒng)加工工藝通常包括熔煉、鍛造、管坯制備、軋制、機(jī)加工等多個環(huán)節(jié)。由于鈦合金具有較高的強(qiáng)度和變形抗力，傳統(tǒng)工藝在加工過程中常常面臨較高的技術(shù)難度和成本壓力。

鈦合金管材的制備通常從熔煉開始，鈦合金原料通過電弧爐或感應(yīng)爐熔化，制成鈦合金錠。雖然這種方法能夠提供較高純度的鈦合金，但生產(chǎn)周期較長且能耗較大。熔煉后的鈦合金錠經(jīng)過加熱，并通過熱鍛工藝形成棒材，棒材在鍛造過程中需要反復(fù)加熱、保溫和變形，以確保其內(nèi)部組織均勻和致密。

棒材加工完成后，管坯的制備進(jìn)入下一階段。常見的管坯制備方法有熱擠壓和斜軋穿孔。熱擠壓工藝要求使用大型擠壓設(shè)備，通常需要較大的噸位來克服鈦合金的高變形抗力，導(dǎo)致材料利用率低、設(shè)備需求大且生產(chǎn)周期較長。雖然斜軋穿孔工藝加工周期較短，但由于高溫處理，制成的管坯組織往往較差，能耗高^[1]。

2 鈦合金管材加工工藝及其性能優(yōu)化策略

隨著鈦合金管材在航空、航天、化工、海洋工程等領(lǐng)域的需求不斷增加，傳統(tǒng)加工工藝的局限性逐漸顯現(xiàn)，尤其是在提高生產(chǎn)效率、降低能耗、提高成材率和產(chǎn)品性能方面的挑戰(zhàn)。因此，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，優(yōu)化鈦合金管材的加工工藝，已成為研究的重點方向。為了解決傳統(tǒng)鈦合金管材加工工藝中的缺陷，近年來出現(xiàn)一些新的加工方法和性能優(yōu)化策略。鈦合金管材的加工工藝和性能優(yōu)化策略的不斷發(fā)展，為提高生產(chǎn)效率、降低成本和提升材料性能提供了重要的解決方案。短流程制備技術(shù)、雙重退火處理、精密溫控、材料利用率的提升、先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用和表面處理技術(shù)的創(chuàng)新，均是實現(xiàn)鈦合金管材性能優(yōu)化的有效途徑。隨著加工技術(shù)工藝的創(chuàng)新，鈦合金管材的生產(chǎn)將趨向更加高效、環(huán)保和精準(zhǔn)的方向，能夠更好地滿足航空航天、化工等行業(yè)日益增長的高性能材料需求^[2]。

3 鈦合金管材加工工藝創(chuàng)新與實施策略

3.1鑄態(tài)管坯制備

近年來，針對鑄態(tài)管坯的制備工藝提出一系列創(chuàng)新方法，以提高鈦合金管材的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。一種創(chuàng)新的鑄態(tài)管坯制備方法是采用等離子槍或電子槍直接對海綿鈦和中間合金混合物進(jìn)行熔煉，可以提高管坯的純凈度和組織均勻性，具有更低的能耗和更短的生產(chǎn)周期。另外，另一種常見的管坯制備方法是對傳統(tǒng)的柱狀鈦合金鑄錠進(jìn)行鉆孔處理，合理利用鉆孔工藝制備管坯，回收鈦屑并進(jìn)行重熔，提高材料的利用率，減少浪費，可以使鈦合金的生產(chǎn)成本得到有效控制。此外，鑄態(tài)管坯制備的創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在原材料的處理和熔煉工藝上，而且體現(xiàn)在對后續(xù)成形工藝的影響。例如[A5]"：在鑄態(tài)管坯的制造過程中，可以通過控制溫度、熔煉速度和合金成分，優(yōu)化管坯的內(nèi)外組織結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的徑向鍛造和其他加工工序提供更好的基礎(chǔ)。使用更為精細(xì)的溫控和合金設(shè)計，減少晶粒粗化、氣孔、夾雜物等缺陷，從而保證最終產(chǎn)品的高強(qiáng)度和高韌性。

3.2徑向鍛造

將鑄態(tài)管坯加熱至鈦合金的β相變點以上，然后經(jīng)過3次徑向鍛造，并最終通過雙重?zé)崽幚淼玫匠善饭芘?。鑄態(tài)管坯中的粗大晶粒被充分打破并細(xì)化。細(xì)化的晶粒結(jié)構(gòu)可以提高鈦合金的致密性和均勻性，使管材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密、連續(xù)，有效避免傳統(tǒng)鍛造方法可能存在的材料缺陷。此外，借助高速錘擊的手段，管坯的晶粒進(jìn)一步被精細(xì)化，可提高鈦合金管材的力學(xué)性能^[3]。

在進(jìn)行徑向鍛造之前，需要將管坯的中間部分插入一個芯棒，并將整個結(jié)構(gòu)裝夾到徑向鍛造機(jī)上進(jìn)行加工。第一夾頭固定在管坯的一端，而錘頭則位于管坯的另一端。第二夾頭則夾持著與錘頭同一端的芯棒。在每次鍛造之前，都需要根據(jù)管坯的形狀和尺寸更換芯棒。需要注意的是，每次更換的芯棒直徑通常比管坯的內(nèi)徑小15～20 mm，在鍛造過程中有效地保持管坯的內(nèi)外結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。管坯徑向鍛造示意圖如圖1所示。

在徑向鍛造時，首先，管坯需要加熱至鈦合金β相變點以上，溫度通常設(shè)定在80～100 ℃的范圍內(nèi)，管坯需要在該溫度下進(jìn)行至少2 h的保溫。在進(jìn)行多次徑向鍛造的過程中，需要進(jìn)行3次關(guān)鍵的徑向鍛造，每一次都對管坯的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。具體到第一次徑向鍛造，采用4個平面錘頭進(jìn)行加工，并通過精確控制管坯沿中心軸方向的移動來完成變形。管坯的移動速度一般設(shè)定在1～3 m/min之間，而錘擊的頻率則控制在1 000～2 000次/min。在第一次鍛造過程中，管坯的變形量通?？刂圃?0%～80%，如圖2所示。

在進(jìn)行第二次徑向鍛造時，仍然采用4個平面錘頭來進(jìn)行加工。首先，管坯將被旋轉(zhuǎn)40°～50°，并開始進(jìn)行鍛造。管坯在旋轉(zhuǎn)后沿著中心軸方向繼續(xù)移動，移動速度通常設(shè)定為3～5 m/min。錘擊速度被設(shè)定在2 000～3 000次/min，通過高速錘擊促進(jìn)管坯材料的塑性流動，消除鑄態(tài)組織的不均勻性。管坯的變形量在此過程中被精確控制在30%～60%之間。第二次鍛造的目標(biāo)是進(jìn)一步優(yōu)化管坯的形狀和組織結(jié)構(gòu)。完成第二次鍛造后，管坯的截面形狀發(fā)生顯著變化，外形為八邊形、內(nèi)徑為圓形的結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。

在進(jìn)行第三次徑向鍛造之前，需要更換芯棒。新芯棒的直徑比管坯的內(nèi)徑小15～20 mm。鍛造時，使用4個曲面錘頭，每個錘頭的曲面直徑比管坯的外徑大約80～120 mm^[4]。

鍛造過程中，當(dāng)管坯的溫度降至鈦合金β相變點以下，40～60 ℃時，鍛造便開始進(jìn)行。在此階段，控制管坯進(jìn)行自轉(zhuǎn)和沿中心軸方向的平穩(wěn)移動。自轉(zhuǎn)速度通常設(shè)定在300～600[A9]"r，而沿中心軸的移動速度為3～5 m/min。錘擊的頻率設(shè)定為50～100次/min，相較于前兩次鍛造，頻率較低，但足以有效推動管坯的變形而避免過度熱損傷。

在這一階段，管坯的變形量通常控制在30%～40%之間，變形量適度，有利于管坯在不失去材料強(qiáng)度的情況下，完成最后的成型。通過這一過程，管坯的形狀和結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化，最終恢復(fù)為標(biāo)準(zhǔn)的圓形管坯，整體形變量累計已超過100%，力學(xué)性能和致密性得到顯著提升。

3.3雙重退火

在完成徑向鍛造后，鈦合金管坯將進(jìn)行雙重退火處理，通過不同溫度的退火來優(yōu)化管材的微觀結(jié)構(gòu)，消除鍛造過程中產(chǎn)生的不良影響。雙重退火的工藝通過兩階段加熱與冷卻，分別作用于管材的組織和內(nèi)應(yīng)力，從而提升其性能。經(jīng)過多次徑向鍛造的鈦合金管坯將被加熱至850～930 ℃的高溫范圍，在這一高溫下，管材會經(jīng)歷0.5～5 h的保溫時間，以促使材料內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶，徹底消除鍛造過程中留下的變形組織，改善管材的力學(xué)性能。在結(jié)晶過程中，鈦合金的晶粒會細(xì)化，提升管材的塑性和韌性。完成高溫處理后，管坯將通過空冷的方式迅速降溫至室溫。隨后，管坯將再次被加熱至450～550 ℃的較低溫度進(jìn)行第二次退火，并保溫0.5～5 h，消除管材在高溫退火過程中可能產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。此時，低溫處理可以緩慢釋放管坯內(nèi)部的熱應(yīng)力，并進(jìn)一步均勻材料的組織結(jié)構(gòu)，避免因內(nèi)應(yīng)力不均而導(dǎo)致的變形或裂紋^[5]。

3.4機(jī)械加工

在完成退火處理后，鈦合金管材進(jìn)入機(jī)械加工階段，提高其尺寸精度和表面質(zhì)量。對退火后的鈦合金管進(jìn)行精準(zhǔn)的加工，以確保管材的外形和尺寸符合設(shè)計要求。機(jī)械加工過程通常包括車削、銑削、磨削等操作，去除管材表面的多余部分，修整管材的外徑、壁厚、長度等關(guān)鍵尺寸。此外，機(jī)械加工還涉及對管材表面粗糙度的控制。在鈦合金管的生產(chǎn)過程中，表面粗糙度是影響管材性能的重要因素之一，因此，在機(jī)械加工過程中，需要采用精密的加工方法，降低表面的粗糙度，提高管材的密封性、耐腐蝕性與抗疲勞性能。

4 結(jié)語

綜上所述，本研究對鈦合金管材加工工藝的探討，深入分析各個加工階段對管材性能的影響。研究結(jié)果表明，創(chuàng)新的鈦合金管材加工工藝，如鑄態(tài)管坯的制備、徑向鍛造技術(shù)和雙重退火處理，能夠有效提高鈦合金管材的力學(xué)性能、組織均勻性和表面質(zhì)量，解決鈦合金管材加工中的難點問題，提高生產(chǎn)效率和材料的整體利用率。未來，隨著鈦合金加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，需要持續(xù)優(yōu)化加工工藝，提升鈦合金管材綜合性能，促進(jìn)鈦合金管材的推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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