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钛合金管的锻轧成形工艺

来源:钛棒,钛板,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2015-10-26 11:22:23

TC4钛合金是20世纪40年代初期研制成功的一种中等强度的α+β型钛合金,具有优良的综合性能,誉称万能合金,是最早最广泛用于飞机结构的通用钛合金,包括板材、棒材和锻铸件等,主要用于制作飞机结构中梁、接头和隔框等中等承力构件及紧固件、发动机风扇和压气机盘及叶片等。钛合金抗蚀性能优异,密度小,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,在航空、航天、汽车、造船、能源等行业具有广泛的应用前景。钛的优良耐蚀性及良好的比强度,使钛管比其他传统金属材料管件制作的产品更薄,换热效果更好。我国幅员广阔,南北温差大,最低温度曾达到-52.3℃。在低温环境及介质条件下,材料内部组织结构可能会有所改变,并引起材料的力学、物理性能的变化。如果TC4钛合金在低温环境中发生了影响材料性能的微观组织变化,将对航空发动机的飞行寿命和飞机的飞行安全造成极大的影响。因此了解TC4钛合金在低温环境条件下的力学和物理特性及微观组织变化,对航空发动机与飞机的结构设计和构件的安全使用至关重要。

实验选用的Ti-6Al-4V钛合金管的原始组织由93.86%的等轴α相和6.14%的β相组成,平均晶粒尺寸为1.3μm±0.7μm。室温拉伸测试结果显示,其各向异性较大,与轧制方向呈45°方向时,试样的屈服强度最低,延伸率较高,且当达到极限强度时,试样会很快发生断裂。成形极限测试试验在装有半球状冲头的设备上完成,半球冲头的直径为60mm。采用装有4个先进CCD相机的光学应变测量系统来记录每个试样完整的变形过程。通过设计不同的试样形状来测试不同应变路径的变形行为。通过对合金的显微组织、相组成以及拉伸性能曲线的分析,科研人员研究了243K低温下TC4钛合金的拉伸行为。研究结果表明:243K低温环境下TC4钛合金的拉伸强度和屈服强度都有所提高,但延伸率有一定程度的下降;合金的显微结构在光学显微尺度上没有明显变化,但α固溶体的取向性变小。

采用不同变形量开坯方式,分别经两道次和三道次轧制将管坯轧制成总变形量为70%的管材。在道次间进行800℃×1h真空退火,冷却方法为炉冷至500℃后空冷至室温,观察其组织性能变化。得出的结论是:在小变形量开坯情况下,壁厚偏差小,表面粗糙度逐步减少;大变形量开坯,壁厚偏差大,会影响到后续道次轧制所得管材的壁厚偏差。总变形量相同的情况下,轧制道次越多,管材的伸长率、硬度越大,强度越高。综合性能好。大变形量轧制时材料的流动呈条带状,小变形量轧制时材料的流动呈束状,在道次间热处理条件和后续轧制工艺相同的情况下,大变形量开坯所得管材组织畸变更加严重。小变形量开坯对管材的各向异性作用不大;多道次轧制中力学性能的各向异性存在一定波动。

TC4钛合金是目前应用最广泛的钛合金之一,它的强度高,耐蚀性好,但目前国内外无缝钛管市场上很难见到TC4材质的无缝钛管。TC4钛材主要以板材为主,市场上的TC4管材以热挤压或斜穿孔等方法生产的高强度厚壁管为主,宝鸡有色金属加工厂的羊玉兰等人研究温轧方法制造TC4钛合金轧制产品,该温轧工艺需要对传统轧辊进行改进,即在轧管机上安装感应加热装置,这种加工设备结构复杂、工艺繁琐、生产成本高。造成目前这种现状的主要原因是TC4钛合金的强度高,冷轧成形难度大。为解决TC4无缝管冷轧成形的关键技术,校企联合进行了系列研究。如采用直接冷轧成形工艺生产高强度钛合金管材,不仅大大降低生产成本,同时可满足对钛合金高性能应用场合的要求。

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