a18鈦合金厚壁線材冷軋工藝研究

1不同因素生產(chǎn)的樹種ta18（ti-3al-2.5mm）鈦合金是從ti-6al-4v中發(fā)展起來的低鋁當(dāng)量。它具有良好的室溫、高溫力學(xué)性能,耐腐蝕性能,焊接性能等,被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓及燃油管路系統(tǒng)、石油鉆井用套管及熱交換器管等。目前,我國主要采用兩輥冷軋和三輥冷軋相結(jié)合的方式生產(chǎn)這種合金管材。但是,由于TA18鈦合金變形抗力較大,加工硬化強(qiáng)烈,軋制工藝控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生開裂,尤其是軋制厚壁管材不易軋透,內(nèi)外層金屬變形極不均勻,內(nèi)壁容易產(chǎn)生縱向裂紋,且多輥軋制時(shí),內(nèi)壁還容易粘接芯棒。石油行業(yè)用的TA18鈦合金厚壁管材的生產(chǎn)遇到的主要問題有:①采用多輥軋機(jī)軋制徑厚比<10的厚壁管材,軋制道次多,且易出現(xiàn)開裂、內(nèi)表面粘接等缺陷;②采用冷矯直的方式無法保證成品管材的平直度達(dá)到0.3～1mm/m要求。針對(duì)上述問題,對(duì)比了采用兩種不同的冷軋工藝生產(chǎn)TA18鈦合金厚壁管材的可行性,研究了退火溫度對(duì)管材組織和性能的影響,以及管材的后續(xù)處理工藝,旨在為工業(yè)化生產(chǎn)石油行業(yè)用的高質(zhì)量TA18鈦合金厚壁管材提供指導(dǎo)。2工藝2:48mm5mm成品管道實(shí)驗(yàn)用TA18鈦合金為采用3t真空自耗電弧爐經(jīng)2次熔煉得到的?600mm×2400mm鑄錠(化學(xué)成分見表1)。鑄錠再經(jīng)16MN快鍛機(jī)鍛造鍛成棒坯,棒坯經(jīng)深孔鉆鏜床鉆鏜孔后,用銅薄板包覆,在3500t擠壓機(jī)上擠壓成?70mm×8mm管坯。管坯采用以下2種冷軋工藝軋制?48mm×5mm成品管材。工藝1:?70mm×8mm管坯?→兩輥冷軋開坯?54mm×6mm?→退火、精整?54mm×6mm→三輥冷軋?51mm×5.5mm→三輥冷軋?48mm×5→兩輥冷軋開坯?54mm×6mm→退火、精整?54mm×6mm→三輥冷軋?51mm×5.5mm→三輥冷軋?48mm×5mm成品管。工藝2:?70mm×8mm管坯?→兩輥冷軋開坯?54mm×6mm?→退火、精整?54mm×6mm→兩輥冷軋?48mm×5→兩輥冷軋開坯?54mm×6mm→退火、精整?54mm×6mm→兩輥冷軋?48mm×5mm成品管。對(duì)工藝1和工藝2生產(chǎn)得到的?48mm×5mm管材分別按照600℃×1h、650℃×1h、700℃×1h和750℃×1h進(jìn)行真空退火處理,熱處理后在RX-600箱式電阻爐內(nèi)加熱到500～600℃保溫30min,進(jìn)行矯直,并用150A14塞尺檢測(cè)其平直度。再通過鏜孔和機(jī)械拋光的方法分別消除管材內(nèi)外表面的氧化污染層,最終得到成品管材。在鏜孔前后分別取樣,采用MitutoyoSJ-201手持式粗糙度儀對(duì)其內(nèi)表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。在成品管材上取樣分別進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)和金相檢測(cè)。拉伸試驗(yàn)在INSTRON4505電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,顯微組織在LeicaMM-6金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。3結(jié)果與討論3.12工藝2:兩輥制備工藝1:三輥軋制的道次加工率均較小,分別為13.1%和14.1%。由于管坯壁厚,且TA18鈦合金強(qiáng)度相對(duì)較高,存在嚴(yán)重帶料現(xiàn)象,且軋后內(nèi)表面有微裂紋和局部開裂等缺陷。工藝2:直接使用兩輥軋機(jī)進(jìn)行開坯和成品軋制,成品的道次加工率為25.35%,并且在軋制成品時(shí)采用的芯棒錐度合適,有效減少了空減徑量,保證了成品管的內(nèi)表面質(zhì)量。相對(duì)三輥軋制,兩輥軋制生產(chǎn)管材軋制力較大,管材變形更充分,生產(chǎn)效率更高,對(duì)比工藝1與工藝2即可證明這一點(diǎn)。工藝2比工藝1減少了一個(gè)軋制道次,有效地縮短了軋制周期,提高了生產(chǎn)效率。3.2試驗(yàn)過程中培育的4.2大尺寸材料的力學(xué)性能對(duì)2種冷軋工藝生產(chǎn)出的?48mm×5mm管材分別在600、650、700、750℃下保溫1h,進(jìn)行真空退火,再經(jīng)熱矯直及精整后觀察顯微組織(見圖1),測(cè)試室溫拉伸性能(見表2)。由表2可以看出,隨著退火溫度的逐步升高,無論是經(jīng)工藝1還是工藝2生產(chǎn)的管材,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均逐漸降低,延伸率不斷提高,且材料的拉伸性能指標(biāo)全部滿足客戶指標(biāo)要求。綜合考慮強(qiáng)度和塑性的合理匹配,認(rèn)為700℃×1h是比較理想的退火工藝,所獲得的管材綜合性能良好。從圖1可以看出,無論是經(jīng)工藝1還是工藝2生產(chǎn)的管材在700℃×1h退火后其顯微組織均為細(xì)小的等軸組織,但工藝2生產(chǎn)的管材的顯微組織晶粒更加細(xì)小。綜合室溫力學(xué)性能測(cè)試和顯微組織觀察結(jié)果,采用工藝1和工藝2都可以獲得滿足客戶指標(biāo)要求的TA18厚壁管材,且工藝2獲得的管材綜合性能優(yōu)于工藝1的。3.3ta18厚壁材質(zhì)表面粗糙度相對(duì)來講TA18鈦合金變形抗力大,加工硬化強(qiáng)烈,因此,為了保證成品管材的平直度達(dá)到0.3～1mm/m的要求,避免管材表面產(chǎn)生微裂紋,采取熱矯直方法整形。矯直前,管材的平直度在5mm/m左右,經(jīng)冷矯直后平直度在3.0mm/m左右,而經(jīng)熱矯直后平直度可以達(dá)到0.75mm/m左右,完全可以滿足成品管材的平直度要求,且開裂現(xiàn)象較冷矯直也明顯減少。TA18厚壁管材經(jīng)兩輥冷軋后,內(nèi)表面偶爾會(huì)出現(xiàn)不同程度的局部細(xì)微缺陷,見圖2a。此外,經(jīng)熱矯直后內(nèi)表面還會(huì)有一定程度的氧化。為了保證石油行業(yè)用TA18鈦合金厚壁管材內(nèi)外表面粗糙度Ra≤3.2μm以及無滲氧污染層的要求,首先采用機(jī)械拋光去除外表面缺陷及氧化污染層,再通過單邊鏜孔0.1～0.3mm去除其內(nèi)表面的氧化污染層,鏜孔后的內(nèi)表面見圖2b。經(jīng)測(cè)量,鏜孔后管材的內(nèi)表面粗糙度平均為0.864μm,而鏜孔前平均為1.090μm。4平穩(wěn)生產(chǎn)保證(1)與工藝1相比,采用工藝2可以更容易地獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的TA18厚壁管材,且軋制過程相對(duì)平穩(wěn),不僅縮短了生產(chǎn)周期,提高了生產(chǎn)效