钛及钛合金管材轧制工艺研究现状

2019-12-13供稿刘伟张耀斌侯振杰LIUWeiZHANGYaobinHOUZhenjie

金属世界 2019年6期

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

内容导读

钛及钛合金管材具有优异的性能而广泛应用于各个领域。钛合金管材分为无缝管和有缝管，无缝管的加工方法有拉伸、斜轧、挤压、轧制或拉伸—轧制等。钛合金管材冷轧是先进的管材生产方法。如何制定轧制工艺参数对轧制出合格的管材尤为重要。文章阐述了钛及钛合金冷轧管材生产现状，叙述了钛合金管材轧制的特点及生产过程中的影响因素，对钛合金轧制工艺研究及发展方向进行了展望。

钛及钛合金具有比强度高、熔点高、耐蚀性好、弹性模量低、无磁且生物相容性好等优点，广泛应用于工作的零件、结构件和紧固件以及航空航天、海洋开发、医疗和运动器材等领域[1-2]。世界各国都在大力发展钛及钛合金生产。据估计，目前全球钛及钛合金的生产能力已超过消费需求量的2~2.5倍，因而钛及钛合金世界市场竞争激烈。钛合金管材分为无缝管和有缝管，无缝管的加工方法有拉伸、斜轧、挤压、轧制或拉伸—轧制等。而钛及钛合金轧制管的生产过程主要有管坯制备、轧制、热处理等三个部分。钛合金管材冷轧是先进的管材生产方法。第一台冷轧管机问世于1930年，由于各种形式的冷轧管机的不断出现，以及冷轧管工艺的日益完善，使得管材工业的发展得到了长足的进步。

钛合金管材轧制的特点

目前，低强度、低合金化的钛及钛合金无缝管的加工技术比较成熟，均采用冷轧真空退火工艺。管材冷轧相对于其他生产方法(如：管材的拉伸生产)具有如下优点：(1)冷轧管材时，金属在变形区中始终处于三向压应力的作用之下能充分发挥金属的塑性，同时在多段孔型中实现分散变形，因此能采用较大的变形量。(2)冷轧后的管材，其尺寸精确，内表面光洁，并且具有较高的机械性能。(3)冷轧管可生产各种规格的小直径薄壁管以及各种断面不规则的异型管材。一般用两辊式冷轧管机轧制的管材外径最小为15 mm，壁厚可薄至0.5 mm；而用三辊式冷轧管机轧制的管材最小外径可为3 mm，壁厚薄至0.08 mm。(4)冷轧管的成品率高，废品损失少。冷轧管材废品率仅为1%~1.5%，而拉伸管材废品率高达20%~25%。

钛及钛合金管材轧制采用两辊和多辊式周期轧管机生产。两辊轧机相比多辊轧机来说减径量和减壁量较大，提高了生产效率，而多辊轧机能够提高尺寸的精度、变形均匀但生产效率较低。为了能够兼具两者的优点，通常情况下生产线会相结合使用。

尽管焊管有代替无缝管的趋势，但重要的化工装置、航空液压管路及火箭发动机燃料导管等，为保证安全，无缝管仍然不能被焊管取代[3]。

轧制过程的影响因素

钛合金管材轧制过程的影响因素较多，诸如送料量、转角、摩擦因数、工件的材质、加工率、轧机的类型、工件的直径、机架往复行程次数等，归纳得出其主要影响因素有：转角、送进量选择、轧机的速度、变形程度。

转角

通过研究发现，在其他轧制参数相同的情况下，回转角度的变化对壁厚的不均匀度产生较大的影响。随着回转角度的增加，壁厚不均度增加较快。这是由于回转角的增大，辗轧角也增大，切向变形增大，从而加大了横向变形的不均。例如，LD60三辊冷轧管机在轧制TA2 φ41 mm×1.4 mm的纯钛管坯时，回转角分别为16º、18º、20º，对应的壁厚不均度Z分别为8.4%、8.7%、9.1%，壁厚不均度随着回转角的增加而增大[4]。管材通过转动一定角度，可以大大减小压缩段中出现的拉应力，避免塑性差的金属在机架工作行程中出现裂纹。

变形程度

变形程度是管材轧制过程中一个重要的参数，它对轧制时所需的轧制力、轧制制品的表面质量、变形热效应、制品的组织和性能等均有一定的影响。通过对小规格TA15钛合金轧制管材工艺研究发现：随着变形程度的增加，强度提高，塑性基本不变，但管材经过800℃/1.5 h退火后，其强度降低，塑性会有所提高。再结晶退火后，大加工量管材的强度比小加工量的降低很多，塑性比小加工量的高。从组织上看，再结晶比小加工量的更完全[5]。通过变形率对TA18管材力学性能和组织的影响分析发现：加工硬态管材的抗拉强度和屈服强度均随着变形率的增大而逐渐升高，变形率超过44%时，延伸率会逐渐下降；经不同变形率轧制成形的φ12 mm×0.9 mm管材的加工硬态纵向显微组织中，变形率为23%时，晶粒变形不明显，晶界清晰可见，随着加工率的增大出现典型的纤维组织，管材组织中的变形流线就越明显[6]。通过实验发现，变形率对管材力学性能的影响可以通过退火进行消除。

在轧制时，除考虑变形程度外，还必须考虑减径量与减壁量的比值对产品质量的影响。通过生产实践得知，孔型始端减径值(通称空减径)对工业纯钛TA2、TA3的变形影响不大，但对TC1、TC2等钛合金的变形有着很大的影响。

送进量

送进量大小的选择合理与否，是直接影响到能否获得较高的生产效率和良好的产品质量的一个重要因素。送进量过小使设备能力没有充分发挥出来，降低了生产率；而送进量过大，则将使轧出的管材出现飞边、棱子、椭圆、壁厚不均甚至破裂等严重缺陷。通过实验发现：管材轧制送进量的大小对涡流探伤也会产生一定的影响。送进量较小的情况下，涡流探伤检测精度高，当轧制送进量增大到一定值后，即使不产生轧制缺陷，也会由于金属变形激烈、应力集中等原因使管材本身涡流探伤噪声加大[7]。

当金属及合金越硬、越难变形时，送进量应适当减小，且工作机架的行程次数可以放慢，否则轧机的负荷增加，轧出的管材容易造成废品。当轧机的行程次数不变时，轧制不同类型的合金可根据不同的情况调整送进量，例如：轧机型号LG-30，TA1、TA2管材轧后壁厚为0.40~2.50 mm，送进量可选择3.0~7.0 mm/次；轧后壁厚为2.60~6.00 mm时，送进量则可调整为4.0~10.0 mm/次。