TA18鈦合金管材航空用高強(qiáng)

高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝受到了多方面因素的影響,首先是內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值;其次是變形率;再最后是退火溫度;本文正是從以上三個(gè)方面來對(duì)高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝進(jìn)行探討,以此找到最為合理的軋制工藝方法。通過研究發(fā)現(xiàn),上述這三個(gè)條件都不同程度的影響著高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制效果,只要有關(guān)人員掌握規(guī)律,即可軋制出性能優(yōu)良的鈦合金管材。

TA18鈦合金簡(jiǎn)單介紹

TA18鈦合金是被廣泛使用的一種鈦合金,這種鈦合金的性質(zhì)屬于低合金化,其本質(zhì)接近α鈦合金,該種鈦合金與其他類型的鈦合金相比,首先有著良好的室溫;其次,性能優(yōu)良,尤其是高溫力學(xué)性能,能夠承受高的溫度,此外,其耐蝕性也較為突出;最后,TA18鈦合金不僅能夠進(jìn)行冷加工,還能夠被熱加工,無論哪種加工方式都利于焊接,正是因?yàn)槿绱?此種鈦合金作為該領(lǐng)域*的管路系統(tǒng)材料被普遍的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域當(dāng)中。

現(xiàn)階段我國航天航空事業(yè)的發(fā)展有目共睹,為把握航天航空工業(yè)持續(xù)性的發(fā)展機(jī)遇,應(yīng)對(duì)TA18鈦合金各方面性能提出更為嚴(yán)格的要求。其中高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝一直是航空部門人員研究以及關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。現(xiàn)階段,我國只要是利用冷軋技術(shù)來生產(chǎn)TA18管材,其強(qiáng)度都能夠達(dá)到860MP,但是這種冷軋工藝在我國還有很多需要改進(jìn)的方面,總體上講,還未進(jìn)人到成熟的階段,一般情況下,在軋制管材期間,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)開裂情況,而且已經(jīng)制造完成的管材性能也無法得到保證,尤其是強(qiáng)度以及塑性,所以目前我國航天航空領(lǐng)域所使用的高強(qiáng)TA18鈦合金管材主要的來源是依靠國外進(jìn)口。

這大大增加了我國管材應(yīng)用成本,因此科研人員一直都沒有放棄對(duì)相關(guān)軋制工藝的研究。很多科研人員將不同類型的高強(qiáng)TA18鈦合金管材作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，來對(duì)其各自的內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值Q,高強(qiáng)TA18鈦合金管材出現(xiàn)的累積變形率e ,及退火溫度對(duì)成品鈦合金管材的影響（比如對(duì)其顯微組織以及其他各方面性能的影響等）進(jìn)行了大量了研究，為進(jìn)一步優(yōu)化合金加工技術(shù)奠定了優(yōu)良的基礎(chǔ),進(jìn)而使得高強(qiáng)TA18鈦合金管材有望盡快的擺脫進(jìn)口,從而為我國航天航空領(lǐng)域的發(fā)展節(jié)約成本。

實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)原料選用一級(jí)海綿鈦,Al箔、Al豆以及A1-V中間合金,經(jīng)過多次真空自耗電弧爐熔煉,制成430mm 的TA18合金鑄錠。經(jīng)β區(qū)開壞的鑄錠在α ＋β 兩相區(qū)精鍛成130mm棒坯，然后在250Ot臥式擠壓機(jī)上擠成45mmx 8mm的合金管坯。通過在兩混LG和三輪LD軋機(jī)上進(jìn)行多道次冷軋和表面處理，再在真空退火爐中進(jìn)行退火后，制備成25mm x 1.8mm, D 22mm x 1.6mm、20mm x 1.5mm、18mmx 1.3mm, 16mm x 1.2mm, 14mm x 1mm , 12mm× 0.9mm、10mm x0.7mm,8mm x 0.6mm和6mm× 0.5mm10種規(guī)格的成品管材。

高強(qiáng)TA18鈦合金管材的拉伸性能測(cè)試主要是在室溫下進(jìn)行,并且采用10t試驗(yàn)機(jī),其所選定的標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E8 M,所選擇的管材試樣需要進(jìn)行磨制以及拋光,此外,有關(guān)人員還需要使用腐蝕劑對(duì)管材試樣進(jìn)行腐蝕,其腐蝕的部位是軸向截面,腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)間為15s,最多不能超過20s,之后利用特制的光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行有效的觀察。

結(jié)果

Q值即上文所述的高強(qiáng)TA18鈦合金管材的內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值，這一比值能夠直接的反映出管材試樣內(nèi)表面與外表面的質(zhì)量。本文研究人員采用了兩種不同的變形率以及有差別的Q值,進(jìn)而對(duì)管材試樣進(jìn)行比較。其比較結(jié)果如下:當(dāng)內(nèi)徑減徑率與壁厚減壁率之間的比值為在0.53-1.14范圍內(nèi)時(shí),盡管管材試樣的變形率會(huì)比較大,但是也不會(huì)影響表面質(zhì)量,如果比值超過了1.19,盡管管材試樣的變形率會(huì)非常小,也會(huì)影響管材試樣的表面質(zhì)量。而之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況下主要是因?yàn)楣懿脑嚇釉谲堉破陂g，減壁段長度會(huì)所有減小,進(jìn)而使得軋制前期金屬流動(dòng)到減壁段的后期,逐漸的堆積最終導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫。

該研究主要是以12mm x0.9mm為對(duì)象,研究人員利用6種冷軋工藝,將TA18鈦合金軋制成該種類型的管材,從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:晶粒的破碎程度隨著變形率的增大而愈加充分,管材加工態(tài)顯微組織中的變形流線更加明顯，同時(shí)管材加工態(tài)的強(qiáng)度也隨之升高。變形率低于44%時(shí)塑性的變化效果不明顯,但當(dāng)變形率高于44%時(shí),隨著變形率的進(jìn)一步增大塑性逐漸降低。經(jīng)700℃,90 min退火后,變形率為30% ~80%的管材的品粒均勻度較好,力學(xué)性能趨于一致。而變形率為23%的管材M態(tài)的晶粒尺寸分布不均勻,塑性也較低。

退火溫度

各實(shí)驗(yàn)管材的強(qiáng)度均隨著退火溫度的升高逐漸降低，同時(shí)延伸率逐漸升高。還注意到力學(xué)性能的變化主要集中在550 ~650℃溫區(qū)內(nèi),當(dāng)溫度低于550℃或大于650℃時(shí),塑性和強(qiáng)度的變化較為平緩。

通過上述的研究對(duì)航空高強(qiáng)TA18鈦合金管材的軋制工藝可以總結(jié)出如下幾點(diǎn):

首先，如果高強(qiáng)TA18鈦合金管材的累積變形率沒有超過55%,則其Q值需要控制在0.53-1.14之間，這時(shí)高強(qiáng)TA18鈦合金管材試樣可以通過兩輪軋機(jī)完成軋制,并且管材試樣的內(nèi)、外表面都不會(huì)出現(xiàn)裂紋;其次,高強(qiáng)TA18鈦合金管材試樣的加工強(qiáng)度與變形率成正比,但變形率與高強(qiáng)TA18鈦合金管材試樣的塑性之間的關(guān)系能夠達(dá)到一個(gè)臨界狀態(tài),如果管材試樣的變形率未達(dá)到44%,則管材試樣的變形率幾乎不會(huì)對(duì)其塑性產(chǎn)生影響，而當(dāng)管材試樣的變形率已經(jīng)達(dá)到了或者大于44%時(shí),則管材塑性與變形率之間呈現(xiàn)出反比關(guān)系;再次,退火溫度與管材強(qiáng)度之間呈反比關(guān)系,退火溫度與延伸率之間則成正比關(guān)系,但因各個(gè)管材試樣變形率有所差別,因此其硬化效應(yīng)也存在差別,而退火溫度與硬化效應(yīng)之間呈現(xiàn)出反比關(guān)系。

當(dāng)管材試樣的變形率在30%-80%之間時(shí),在對(duì)其進(jìn)行退火處理,這時(shí)變形率幾乎不會(huì)對(duì)管材試樣的力學(xué)性能產(chǎn)生任何影響,而如果管材試樣變形率較小;沒有超過23%時(shí),這時(shí)管材試樣即使再進(jìn)行結(jié)晶,其所具有的塑性也會(huì)十分低,這主要是因?yàn)楣懿牡淖冃温蔬^小,使其再結(jié)晶晶粒尺寸無法*平均分布;最后,當(dāng)管材試樣變形率達(dá)到51%時(shí),其所達(dá)到的退火溫度為550℃,而時(shí)間持續(xù)一個(gè)半小時(shí)時(shí), v12mmx 0.9mm的TA18鈦合金管材試樣的各個(gè)力學(xué)性能如下:UTS=920MPa,YS=755MPa,El=14%。