小規格超薄壁Gr9鈦合金管材的研制

Gr9（Ti-3Al-2.5V）是一種近α型鈦合金，在室溫、高溫下均具有良好的機械性能和腐蝕性能，而且冷、熱加工工藝塑性、成型性和焊接性能優異［1］，被成功應用于航空航天液壓管路系統等高端領域。中國對高品質小規格超薄壁Gr9鈦合金管材的研制還不成熟，目前亟須解決的“卡脖子”技術問題主要包括：成品管材高精度尺寸的控制；成品管材如何獲得優異的綜合性能；成品管材的探傷合格率等。針對上述問題，文章通過控制管坯尺寸偏差和道次軋制送進量獲得高精度成品管材；通過控制軋制變形量和Q值及退火溫度來解決Gr9鈦合金管材綜合性能的匹配問題；通過控制擠壓管坯及中間管材的表面質量和軋制工藝參數以解決管材表面質量問題，提高探傷合格率［2］。

1、實驗材料及方法

實驗原料為0級海綿鈦、AlV55中間合金和鋁豆，經3次VAR（真空自耗電弧爐）熔煉，制備成φ600mm鑄錠。鑄錠經多火次熱鍛造成棒坯，再通過鉆鏜孔和包套制備成空心錠坯，經1600T熱擠壓機設備擠壓成φ55×9mm管坯。對管坯表面處理、多道次兩輥和多輥冷軋和真空熱處理，最終加工成φ20×0.3mm成品管材。為保證成品管材具有優良的強塑性匹配、表面質量和高尺寸精度，試驗過程中Q值控制在1.5~2.5范圍，道次冷軋加工率40%~70%，并選擇合適的真空退火溫度。同時，對管坯及中間管材進行車磨和鏜孔等處理，消除裂紋及皺縮等管材表面肉眼可見缺陷來提高管材的超聲波探傷合格率。

采用Instron5982電子萬能試驗機對退火態管材的室溫拉伸性能、CSR值以及擴口、壓扁性能進行測試，采用OLYMPUSGX51金相顯微鏡對管材內壁進行觀察，使用HV-30顯微維氏硬度計對管材表面進行硬度測試，使用外徑千分尺對冷軋管材外徑尺寸進行。其中，拉伸試驗按照GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗法》進行制樣和試驗。

2、結果與討論

2.1 Gr9鈦合金管坯的尺寸精度和表面質量控制

為保證成品管材的高精度尺寸（外徑公差±0.03mm，壁厚公差±0.01mm），需要對管材坯料尺寸精度嚴格控制。以φ55×9mm擠壓管坯為原料，采用設計好的工藝方案，首先在兩輥軋機上進行冷軋開坯，再經過多輥軋機多道次軋制后形成成品管材。由于成品管材的尺寸公差要求較高，且兩輥軋機和多輥軋機的糾偏能力存在差距，因此需要從管坯開始設計并控制每道次的尺寸要求［2］。此外，軋制過程要使用高精度工模具（±0.02mm）控制管材尺寸，可有力保證成品管材尺寸精度。

為保證成品管材的表面質量，要對管坯進行內外表面處理。這是因為擠壓管坯表面氧化皮較厚，而且內外表面粗糙，存在凹坑、劃傷以及細小裂紋，如圖1所示。由于在軋制過程中細小缺陷及氧化層將會導致管材缺陷放大惡化，或將氧化層壓入管材表面，如圖2所示，最終將會使管坯的缺陷遺傳下去，嚴重影響最終產品的探傷合格率。因此，粗糙的表面對后續的加工和最終產品質量均有較大影響。

從表1看出，金屬基體硬度與表面氧化層硬度存在較大差異，在軋制過程中管材因受到較大拉應力，致使管材表面產生裂紋缺陷。

2.2 軋制送進量對表面質量和尺寸精度的影響

當軋制送進量大于6mm時管材外表面開始出現裂紋。這是由于隨著送進量的增大，導致變形段管材橫截面尺寸增大，由于軋輥軋槽和芯棒尺寸是確定的，從而導致變形量的增大，加工硬化和加工應力越來越大。

當超過管材的極限應力值，則會出現開裂。與此同時，送進量增大將導致徑向拉應變逐漸增大，其中徑向拉應變在減徑段和壁厚壓下段逐漸增大，在定徑段則會慢慢減小［3］。這是因為在減徑段，管材僅與軋機的軋輥接觸，與芯棒存在一定間隙，此時孔型開口度也較大，因此開口區產生的徑向拉應變較小；當進入到壁厚壓下段時，管材除了跟軋輥接觸，內表面還與芯棒接觸，此時內外表面均受到擠壓，孔型開口度也逐漸減小，金屬除了沿軋制方向流動，還有一部分會流到開口區，因此徑向拉應變會逐漸增大［3］。等到定徑段時，開口度達到最小值，但此時管材已成形，尺寸變化很小，因此徑向拉應變會逐漸降低。

當軋制送進量過大時，在軋制后期徑向拉應變和環向壓應變依然很大，管材實際尺寸大于管材要求尺寸，在軋輥和芯棒的限制作用下將產生較大變形［4］，金屬會沿輥縫溢出，從而導致管材表面出現內壁皺縮，嚴重時將開裂或斷裂。

從圖3可以看出：隨著軋制送進量的增加，軋制后管材尺寸精度變差，管材實際尺寸逐漸增大。這是由于送進量增加使變形區管材變形量增加，從而導致金屬流動速度的增加，并增加了管材圓周各點之間金屬流動速度大小之差，從而導致管材變形的不均勻性，進而影響管材的尺寸精度［5］。另一方面，在冷軋過程中由軋輥、軋槽及芯棒組成的孔型曲線是固定不變的，即在不同變形階段各個位置的孔型直徑是固定的［6］，這說明當送進量增大時管材回彈量隨之增大，導致實際尺寸逐漸增大。而且在軋制過程中管材表面殘余應力會隨著送進量的增加而增大，過大則不利于冷軋管材性能，導致冷軋管材的彎曲等。基于上述結果，可看出過大的送進量會嚴重影響軋制后管材的尺寸精度，并可導致實際尺寸大于理論尺寸。

基于圖3結果，在Gr9管材冷軋過程中，為保證管材表面質量和尺寸精度及提高生產效率等多方面因素考慮，選用4mm的送進量可以更好地滿足工藝要求。

2.3 間隙量對管材表面質量（內壁質量）的影響

從圖4可以看出：管材與芯棒之間的間隙量對管材內壁質量影響很大，間隙量越大，內壁皺縮惡化越劇烈，內壁質量越差。因為管材冷軋過程中，先后經過減徑、逐次減壁以及定徑階段，在減徑階段會受到軋輥徑向力作用，導致金屬向內壁與芯棒間隙處流動，因失穩而形成內壁皺縮；間隙量越大（即空減量越大）時，其失穩程度越嚴重，當失穩超過一定程度時就會產生內壁裂紋，且裂紋會隨空減量的增大而加深。

基于圖4結果可知：在Gr9冷軋管材過程中，為保證管材內壁質量，間隙量應選擇在0.4mm為宜，當間隙量過小時（即間隙量小于0.4mm），在軋制過程中絲桿會過于緊繃，易造成管材尤其薄壁管材插管；間隙量過大（即間隙量大于0.8mm時）會造成內壁皺縮惡化為裂紋，內壁質量變差，對成品管材的工藝性能如擴口、壓扁等造成致命影響，影響客戶使用。

2.4 Gr9鈦合金成品管材的性能

采用不同退火溫度對成品管材退火，取樣進行室溫拉伸性能測試，如圖5所示。隨著退火溫度的升高，強度不斷降低，塑性不斷升高；在550~650℃溫度范圍內，管材強度和塑性急劇變化，這是由于管材在較低溫度時處于去應力狀態，從550℃開始由去應力態向完全再結晶態轉變，在650℃以后管材完全再結晶基本結束，強度和塑性已趨于穩定。

對成品進行擴口測試，依照GJB3423A—2008標準，采用74°變形錐在軸向施加壓力，使管材外徑達到原始名義外徑的1.2倍永久擴口后，管材表面未出現裂紋和其他可見缺陷，成品管材極限擴口率達到45%；進行壓扁測試，施加壓力使平板距H=4.24mm，管材內外表面未出現裂紋、撕裂和斷裂等現象，成品管材極限壓扁值可達到3.20mm。

從φ20×0.3mmGr9鈦合金成品管材的力學性能及工藝性能可見，該管材表現出優良的綜合性能；對管材進行CSR測試，CSR值處于1.3~2.5范圍內。

3、討論

（1）通過對管坯尺寸偏差控制和表面質量處理，采用兩輥+多輥冷軋結合并配備高精度模具，可以實現管材高表面質量和高精度尺寸。

（2）嚴格控制軋制送進量和間隙量對成品冷軋管材尺寸精度和表面內壁至關重要，送進量選擇4mm和間隙量選擇0.4mm以內為宜。

（3）成品管材具有高強高塑性，綜合性能優異，CSR值處于1.3~2.5，可滿足客戶的使用要求。

參考文獻

［1］南莉，楊亞社，齊元昊，等.航空用高強TA18鈦合金管材的軋制工藝［J］.稀有金屬材料與工程，2013，42（1）：166-170.

［2］席錦會，楊亞社，南莉，等.航空導管用TA18鈦合金管材研制［J］.鈦工業進展，2011，28（5）：34-37.

［3］楚志兵，魏棟，楊彥龍，等.不同送進量對皮爾格軋制成形的影響及驗證［J］.工程科學學報，2017，39（5）：747-755.

［4］劉江林，曾衛東，杜子龍，等.冷軋工藝參數對TA18鈦合金管材金屬流動及成形載荷的影響規律［J］.鈦工業進展，2015，32（3）：21-25.

［5］楚志兵，呂陽陽，黃慶學，等.皮爾格軋機冷軋不銹鋼管回彈預測模型的建立與驗證［J］.四川大學學報（工程科學版），2015，47（2）：165-171.

［6］黃亮，徐哲，代春，等.TA18鈦合金管材多行程皮爾格冷軋過程三維有限元模擬：Ⅰ理論解析、模型建立與驗證［J］.稀有金屬材料與工程，2013，42（3）：524-529.