TC2钛合金轧制管材表面裂纹产生原因分析

侯振杰　成小丽　晏小兵

摘 要：文章研究了TC2钛合金轧制过程中表面容易产生开裂现象的原因，研究了温轧制、轧制工艺、表面处理方式等因素对TC2合金管材开裂的影响。研究证明：采用在线加热温轧制、内外表面强酸洗及内铰处理方式、合理的轧制工艺能够满足TC2合金管材产品质量要求。

关键词：TC2合金管材；温轧；表面处理

1 概述

TC2钛合金属于中高强钛合金，该金属在航空、航天行业中的应用迅速发展，市场需求量越来越大，前景十分广阔。但是该合金的小规格管材生产仍有很大层次上的空缺。由于TC2钛合金强度较高，塑性较差，加工过程中易产生裂纹等缺陷，其管材生产成品率非常低，国内对钛及钛合金管材生产目前采用挤压-轧制法生产，挤压管坯规格较大，轧制道次较多，轧制易产生裂纹，为解决这一难题，本次通过研究TC2钛合金管材产生裂纹的原因，探索冷轧管材最佳工艺参数，提高产品内在质量和成品率，成功开发出稳定管材产品，使其尽快满足市场的需求。

2 实验过程

2.1 管坯制备

Ф220锻棒经3150吨挤压制得Ф70×9和Ф80×12两种规格管坯。

2.2 实验设备

采用LG80和LG55两辊轧机按照设定的变形量开坯轧制。再根据设备能力，依次选用LD30、LD15三辊轧机轧制。

2.3 工艺设计

2.3.1 工艺流程

挤压坯料准备→加热→挤压→精整→内外表面处理→轧制→除油→酸洗→退火→矫直→修理→检查→轧制→除油→酸洗→退火→矫直→水压→探伤→成品管

2.3.2 工艺方案

方案1：在线加热300～400℃温轧制与冷轧裂纹及表面开裂支数对比，研究温轧开坯对管材产生裂纹的影响。

方案2：制管坯进行一道次或两道次内铰处理，外表面多次扒皮及强酸洗等多种处理方式，尽可能消除裂纹的产生源头，研究其对管材产生裂纹的影响。

方案3：合理设计管材轧制各道次加工率，减径率与减壁率的匹配（Q值），工模具的合理设计，使变形过程中的应力分布更有利于塑性的发挥，减少裂纹的产生。

3 结果与分析

（1）温轧开坯对管材产生裂纹的影响。

由表1可知，当采用冷轧轧制时，TC2管材产生裂纹的比率为23.96%；当采用温轧轧制方式时，TC2管材产生裂纹的支数比率降低到16.95%。

由于TC2冷加工塑性较差，变形抗力较大，由金属材料的塑性加工理论可知，材料在较低的温度下变形时，如果冷轧加工率比较大，塑性变形时原子间滑移比较困难，金属变形过程中产生的应力集中不能得到迅速松弛，就会导致管材发生开裂[1，2]。所以采用冷轧开坯会导致管材产生裂纹趋势几率加大，采用温轧开坯，较好发挥金属塑性，降低变形抗力及内应力，从而改善管坯质量，减少裂纹的产生。

（2）管坯内外表面处理产生裂纹的影响。

不同工艺条件下的管材其外表面质量和尺寸精度均无明显区别，都能很好满足标准的要求，但就内表面质量比较而言，管坯内表面未内铰工艺的管材内表面纵向起皱条纹明显且可见裂纹；而内铰工艺的管材内表面比较光滑，无纵向条纹。

管材有无裂纹用超声波探伤结果如下：

a.未经内铰的14支管材超声全部不合格，从定伤位解剖分析，由于内表面缺陷造成。

b.轧制前增加一道内铰，分析对原始缺陷内铰去除比较有利，内表面相对光滑，管材超声合格率达63%。

c.内铰工序在管材成品轧制前一道次，管材超声合格率达63%；说明内铰工序越靠近成品，对缺陷的去除越有利，内表面解剖证明表面光滑无起皱条纹。

d.两次强酸洗修理管材，超声合格率可为79%。强酸洗修理可以去除管材内外表面氧化层、沟条和有裂纹趋势的较深沟条、微裂纹，防止了裂纹扩展，使轧制管材内外表面光滑。

（3）小减径孔型系列、两辊轧机开坯中采用双锥度芯头等可以改善管材变形区内表面受力状态，减少内表面裂纹（起皱）的产生。对降低TC2管材内表面裂纹产生具有明显效果。

根据参考相关文献：中高强钛合金轧制管材选用LG系列轧制和LD系列轧制，道次加工量分别选为40～55%和28～35%、Q值为1.5～1.7、轧制送进量3～5mm/次；该工艺配合上述温轧制及表面處理方案应为最佳工艺方案，进一步大大减少了管材轧制裂纹，管材超声合格率可达到89%甚至更高。

4 结束语

（1）温轧开坯在管材裂纹去除效果上比冷轧开坯好。

（2）采用管坯内表面铰削及多道次强酸洗处理可有效提高超声合格率。

（3）合理的工模具及工艺可显著降低内表面裂纹的产生，可作为主导生产工艺。

参考文献

[1]王占学.塑性加工金属学[M].北京：冶金工业出版社，1989.

[2]张录强，白宏斌，朱海林.塑性变形及热处理对钽铪合金管组织性能影响[J].中国材料进展，2005，24（6）.