TA18钛合金斜轧管坯组织与性能研究

  TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金是从TC4(Ti-6Al-4V)钛合金演变而来的低铝当量近α型钛合金。它不仅具有良好的室温及高温力学性能、耐腐蚀性能,而且具有优异的冷热加工工艺性、成形性和焊接性能,通过热处理可以实现良好的强度和塑性匹配。该合金对缺口不敏感,在许多介质中具有良好的抗蚀性,因此在航空航天管路系统及石化行业得到了大量的应用。斜轧穿孔法是利用沿轧制坯料纵向和横向上的拉应力作用,使圆坯轴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完成塑性加工过程,从而将实心圆坯(锻坯或轧坯)直接轧成毛管的加工方法。因为该法具有设备投资少,不用包套和润滑,工模具消耗少,成品率高,加工成本低等优点,在纯钛等管坯生产中得到大量应用。

  目前国内制备TA18钛合金无缝管材普遍采用挤压制坯-轧制的生产方法。如果利用斜轧穿孔的方式制备TA18钛合金管坯,可以简化管坯制造流程并提高管坯成材率,从而整体提高管材的成材率,降低成本。科研人员采用三辊斜轧穿孔工艺进行TA18钛合金管坯的试制,并对斜轧管坯的后续冷加工性进行研究,旨在为工业化生产TA18钛合金无缝管材提供参考。

  实验材料为由3t真空自耗电弧炉两次熔炼的TA18钛合金铸锭,将铸锭在β和α+β相区锻造,再经过机加工制成Φ85mm×850mm的棒坯。

  采用三辊斜轧穿孔机进行管坯的制备,穿孔顶头为钼顶头。棒坯穿孔前使用中频感应炉加热,加热温度为970℃,加热时间为5min。Φ85mm×850mm棒坯一火制成Φ94mm×12mm×L管坯,变形量ε为46%,延伸系数λ为1.8。

  用线切割方法将管坯沿纵向剖开,在真空热处理炉中进行退火处理,退火制度为 650℃×1h/FC、700℃×1h/FC和750℃×1h/FC。用Leica MM-6金相显微镜观察加工态(R态)和退火态(M态)管坯的显微组织以及R态管坯的氧化层。采用岛津显微硬度计测试R态管坯基体区和污染层区域的显微硬度,同时测试室温拉伸性能。

  Φ94mm×12mm管坯在LG120两辊冷轧管机进行不同变形量(34%、44%、55%、65%)的开坯轧制,轧制后管材规格为Φ70mm×7mm。对管材进行除油、酸洗,再进行700℃×1h真空退火处理。观察管材的表面形貌,观察其显微组织,优选出合适的冷轧开坯变形量。

  采用LG60/LD60轧机,将Φ70mm×7mm管材冷轧成Φ48mm×5mm成品管材。成品管材经除油、酸洗后,再在不同温度(600、650、670、680、700、750℃)进行真空退火处理,退火时间均为1h。观察成品管材的显微组织,测试其室温拉伸性能。试验结果表明:

  (1)采用斜轧穿孔方法加工的TA18钛合金管坯,其加工态为变形的魏氏组织和少量块状α组织,经过700℃×1h/FC退火处理后室温力学性能良好,满足后续轧制的要求。
  (2)TA18钛合金斜轧穿孔管坯在进行两辊开坯轧制时,变形量应控制在55%以内。成品管材较佳的真空退火制度为(650~670)℃×1h。
  (3)采用TA18钛合金斜轧管坯生产的Φ48mm×5mm成品管材,其力学性能完全满足国军标GJB3423-98和美标ASTM B338-2010的要求。