王璐 陳勝川 程劍英 朱寶輝 李建鋒

關(guān)鍵詞：TA18;管材;冷矯;拉伸性能

TA18鈦合金（Ti-3Al-2.5V）是一種近α型鈦合金，作為一種輕量化結(jié)構(gòu)材料，除了具有優(yōu)異的室溫、高溫力學(xué)性能和耐蝕性能，還具有良好的冷、熱加工性能以及焊接性能，因此在航空航天管路系統(tǒng)、石油化工、高端體育以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。查閱資料顯示，國(guó)內(nèi)外對(duì)TA18管材的研究很多，主要涉及熱處理[2]、擠壓參數(shù)、軋制工藝參數(shù)（如Q制或道次加工率等）對(duì)管材組織與性能的影響[3]、織構(gòu)（CSR）表征[4]與測(cè)試或者兩輥冷軋變形探究[5]等，但矯直對(duì)管材性能的影響研究極少、可參考有價(jià)值的文獻(xiàn)更是鳳毛麟角，研究矯直對(duì)TA18管的性能影響在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

TA18鈦合金管材最典型的強(qiáng)度級(jí)別有退火態(tài)的中強(qiáng)級(jí)（Rp0. 2≥620 MPa） 和去應(yīng)力退火態(tài)（CWSR）的高強(qiáng)級(jí) （ Rp0. 2≥860 MPa） ，其成品退火一般采用真空退火，因此退火制度（溫度與保溫時(shí)間）成為影響管材性能的關(guān)鍵因素[6];退火過程中軋制應(yīng)力釋放，會(huì)造成不同程度的彎曲。為保證成品管材的彎曲度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求或客戶特殊要求，通常會(huì)采用多輥矯直機(jī)冷矯。由此可見，真空退火與冷矯緊密相連，如不進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)研究，很可能會(huì)造成批量性能不合格，因此研究冷矯對(duì)TA18管材拉伸性能的影響可為管材的真空退火參數(shù)提供參考。本文通過選擇不同退火溫度，并對(duì)TA18同一支管材矯直前后取樣進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，探究矯直前后TA18管材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與延伸率的變化規(guī)律，旨在發(fā)掘其變化規(guī)律從而為成品管材的批量退火提供參數(shù)支持。

1 ?試驗(yàn)方法及過程

實(shí)驗(yàn)選擇寧夏中色金航鈦業(yè)有限公司生產(chǎn)的Φ600mm的3噸TA18合金鑄錠（化學(xué)成分見表1）為原料，鑄錠經(jīng)過鍛造開坯、鉆孔、扒皮制備成擠壓空心錠坯，然后采用箱式電阻爐加熱，在35MN臥式鋼管擠壓機(jī)上熱擠壓制備φ70×13mm鈦合金管坯，對(duì)擠壓管坯進(jìn)行開坯、中間軋制、真空退火與內(nèi)壁處理制備成φ20×1.8mm管材;在同一支管截取6節(jié)，分為3組（每組2支樣管），在公司4米真空退火爐同一位置依次進(jìn)行600℃、620℃、650℃退火（保溫時(shí)間均為2h），然后分別在同一矯直機(jī)上進(jìn)行冷矯：壓下量32mm，反彎量11mm，轉(zhuǎn)角量上角34°、下角32°，具體試驗(yàn)方案見表2。

對(duì)矯直前后管材取樣測(cè)室溫拉伸，按照《GB/T 228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)法》制樣（長(zhǎng)度為130mm，作堵頭整管拉伸樣），在WDW-B100G電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，每組兩個(gè)試樣，結(jié)果取兩組平均值。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 退火溫度對(duì)管材室溫拉伸性能的影響

從圖1可看出：隨著退火溫度的升高，TA18管材抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度逐漸降低，延伸率逐漸增大;從曲線變化看，620～650℃溫度范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降幅度要大于600～620℃溫度范圍，而延伸率提升幅度略微變小。

管材因冷軋發(fā)生形變，原等軸晶粒沿變形方向拉長(zhǎng)，位錯(cuò)和空位密度增加，內(nèi)部積累了一定的形變儲(chǔ)存能;在退火過程中管材組織發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，原內(nèi)部的儲(chǔ)存能為形核提供了動(dòng)力[7]。隨著溫度的提高，回復(fù)再結(jié)晶更為充分，晶粒形態(tài)由原來的流線狀變?yōu)榈容S狀，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，而且溫度越高則降低幅度越大;與此同時(shí)，晶粒尺寸也會(huì)出現(xiàn)一定的增大，晶粒增大會(huì)降低管材塑性，因此回復(fù)再結(jié)晶和晶粒一定長(zhǎng)大的相互作用，使管材延伸率提升幅度變緩。

這是由于管材經(jīng)真空退火后發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，原儲(chǔ)存的內(nèi)應(yīng)力得到釋放。在一定壓下量、反彎量與轉(zhuǎn)角量作用下，管材在矯輥摩擦帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，經(jīng)多次反彎達(dá)到一定彎曲度，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的表面殘余壓應(yīng)力和拉應(yīng)力[8]。在整管拉伸測(cè)試過程中，試樣積存的殘余應(yīng)力會(huì)在軸向拉伸中釋放，則塑性形變的閾值則會(huì)降低，進(jìn)而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度值比未矯直管材的屈服強(qiáng)度小;同時(shí)殘余應(yīng)力會(huì)管材整體拉應(yīng)力值增大，導(dǎo)致管材冷矯后抗拉強(qiáng)度和延伸率略微下降[9]。

屈強(qiáng)比，即屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，是制定金屬塑性加工工藝的重要依據(jù)之一，也是金屬材料應(yīng)用設(shè)計(jì)中一個(gè)極為重要技術(shù)指標(biāo)。鈦合金的屈強(qiáng)比較高，一般在0.75～0.9之間，有時(shí)大于0.9。較高的屈強(qiáng)比會(huì)影響鈦合金的冷成形性及發(fā)生屈服變形后抵抗破壞的能力。因此工程應(yīng)用中降低鈦合金的屈強(qiáng)比是十分必要的，可通過改善加工工藝、控制熱處理參數(shù)及形成金屬間化合物等方式[10]。

從圖3可以看出：在同一退火溫度下，冷矯后TA18管材的屈強(qiáng)比降低。退火后管材屈強(qiáng)比為0.83，冷矯后屈強(qiáng)比降低至0.78。正如圖2b所示，冷矯造成管材屈服強(qiáng)度降低，而管材抗拉強(qiáng)度基本不變（如圖2a所示），因此屈強(qiáng)比則會(huì)降低。

3 結(jié)論

同一退火溫度下，TA18合金管材經(jīng)冷矯后抗拉強(qiáng)度基本不變，屈服強(qiáng)度則下降30～50MPa，延伸率略微降低;冷矯后TA18管材的屈強(qiáng)比會(huì)降低。

若滿足ASTM B338標(biāo)準(zhǔn)或客戶特殊要求的室溫拉伸性能，TA18管材的真空退火溫度選擇要充分考慮冷矯對(duì)屈服強(qiáng)度的影響，以免造成批量管材的拉伸性能不合格;本文試驗(yàn)的TA18管材的真空退火溫度選擇620℃為宜。

參考文獻(xiàn)： ?References

[1]劉大海，陳勁東，李波，等.TA18中強(qiáng)鈦合金管數(shù)控彎曲成型工藝與結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著性分析[J].鍛壓技術(shù)，2021，46（4）：156-165.

[2]洪權(quán)，戚運(yùn)蓮，趙彬，等.不同Q值冷軋對(duì)TA18鈦合金管材織構(gòu)及力學(xué)性能的影響[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2016，33（2）：16-19.

[3]張旺峰，張暉，顏孟奇，等.飛機(jī)液壓系統(tǒng)用TA18鈦合金管材性能特殊性研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2018，35（4）：22-25.

[4]房永強(qiáng)，賈紅，鄭曉斐.TA18鈦合金管CSR的測(cè)量[J].硅谷，2013（17），92-94.

[5]陳勝川，袁紅軍，呂勇，等.TA18合金管材兩輥冷軋變形分析[J].特種鑄造及有色合金，2017，37（1）：103-105.

[6]馮紅超，郭佳林，楊奇，等.退火制度對(duì)TA18鈦合金管材力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)材料科技與設(shè)備，2013，9（4）：56-57.

[7]張亞峰，于振濤，余森，等.航空用TA18合金管材熱處理工藝研究[J].熱加工工藝，2014，43（16）：159-161.

[8]王森，李恒，張海芹，等.高強(qiáng)TA18鈦管數(shù)控彎曲織構(gòu)演變數(shù)值模擬[J].精密成型工藝，2017，（1）：53-58.

[9]石科學(xué)，常波濤，劉競(jìng)艷，等.TA18鈦合金管材殘余應(yīng)力分析[J].世界有色金屬，2020（16）：145-147.

[10]胡耀君，劉果宗.降低鈦合金屈強(qiáng)比的加工工藝研究[J].有色金屬成形技術(shù)，2001，34（10）：65-66.