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鈦合金管的鍛軋成形工藝

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-10-26 11:22:23

TC4鈦合金是20世紀40年代初期研制成功的一種中等強度的α+β型鈦合金,具有優良的綜合性能,譽稱萬能合金,是最早最廣泛用于飛機結構的通用鈦合金,包括板材、棒材和鍛鑄件等,主要用于制作飛機結構中梁、接頭和隔框等中等承力構件及緊固件、發動機風扇和壓氣機盤及葉片等。鈦合金抗蝕性能優異,密度小,疲勞強度和抗裂紋擴展能力好,在航空、航天、汽車、造船、能源等行業具有廣泛的應用前景。鈦的優良耐蝕性及良好的比強度,使鈦管比其他傳統金屬材料管件制作的產品更薄,換熱效果更好。我國幅員廣闊,南北溫差大,最低溫度曾達到-52.3℃。在低溫環境及介質條件下,材料內部組織結構可能會有所改變,并引起材料的力學、物理性能的變化。如果TC4鈦合金在低溫環境中發生了影響材料性能的微觀組織變化,將對航空發動機的飛行壽命和飛機的飛行安全造成極大的影響。因此了解TC4鈦合金在低溫環境條件下的力學和物理特性及微觀組織變化,對航空發動機與飛機的結構設計和構件的安全使用至關重要。

實驗選用的Ti-6Al-4V鈦合金管的原始組織由93.86%的等軸α相和6.14%的β相組成,平均晶粒尺寸為1.3μm±0.7μm。室溫拉伸測試結果顯示,其各向異性較大,與軋制方向呈45°方向時,試樣的屈服強度最低,延伸率較高,且當達到極限強度時,試樣會很快發生斷裂。成形極限測試試驗在裝有半球狀沖頭的設備上完成,半球沖頭的直徑為60mm。采用裝有4個先進CCD相機的光學應變測量系統來記錄每個試樣完整的變形過程。通過設計不同的試樣形狀來測試不同應變路徑的變形行為。通過對合金的顯微組織、相組成以及拉伸性能曲線的分析,科研人員研究了243K低溫下TC4鈦合金的拉伸行為。研究結果表明:243K低溫環境下TC4鈦合金的拉伸強度和屈服強度都有所提高,但延伸率有一定程度的下降;合金的顯微結構在光學顯微尺度上沒有明顯變化,但α固溶體的取向性變小。

采用不同變形量開坯方式,分別經兩道次和三道次軋制將管坯軋制成總變形量為70%的管材。在道次間進行800℃×1h真空退火,冷卻方法為爐冷至500℃后空冷至室溫,觀察其組織性能變化。得出的結論是:在小變形量開坯情況下,壁厚偏差小,表面粗糙度逐步減少;大變形量開坯,壁厚偏差大,會影響到后續道次軋制所得管材的壁厚偏差。總變形量相同的情況下,軋制道次越多,管材的伸長率、硬度越大,強度越高。綜合性能好。大變形量軋制時材料的流動呈條帶狀,小變形量軋制時材料的流動呈束狀,在道次間熱處理條件和后續軋制工藝相同的情況下,大變形量開坯所得管材組織畸變更加嚴重。小變形量開坯對管材的各向異性作用不大;多道次軋制中力學性能的各向異性存在一定波動。

TC4鈦合金是目前應用最廣泛的鈦合金之一,它的強度高,耐蝕性好,但目前國內外無縫鈦管市場上很難見到TC4材質的無縫鈦管。TC4鈦材主要以板材為主,市場上的TC4管材以熱擠壓或斜穿孔等方法生產的高強度厚壁管為主,寶雞有色金屬加工廠的羊玉蘭等人研究溫軋方法制造TC4鈦合金軋制產品,該溫軋工藝需要對傳統軋輥進行改進,即在軋管機上安裝感應加熱裝置,這種加工設備結構復雜、工藝繁瑣、生產成本高。造成目前這種現狀的主要原因是TC4鈦合金的強度高,冷軋成形難度大。為解決TC4無縫管冷軋成形的關鍵技術,校企聯合進行了系列研究。如采用直接冷軋成形工藝生產高強度鈦合金管材,不僅大大降低生產成本,同時可滿足對鈦合金高性能應用場合的要求。

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