冷轧和退火对TC4钛合金管组织和性能的影响框架思路构建

冷轧和退火对TC4钛合金管组织和性能的影响框架思路构建

 李楠林,王崇强 ,马鸣檀

哈尔滨东安高精管轴制造有限公司  黑龙江省哈尔滨市  150060

摘要：在实际研究中需要对当前TC4钛合金管材料的具体应用情况进行分析，同时要通过实验研究探讨冷轧和退火对TC4钛合金管组织性能产生的实际影响。从不同角度出发准确掌握具体的影响因素，这样才能够对TC4钛合金管在制造过程中的工艺参数进行合理控制，确保制造完成后的管材综合力学性能最优。

关键词：冷轧工艺；退火处理；TC4钛合金管；性能

前言

在TC4钛合金不同温度的处理过程中，冷轧的变形程度不同获取的TC4钛合金管组织以及整体性能等存在一定差异。在具体的研究中需要准确掌握冷轧和退火对TC4钛合金管组织以及性能产生的实际影响。这样才能够明确具体的制造工艺，并根据TC4钛合金管的应用需求开展制备工作，提高TC4的制备水平。

1TC4钛合金管材料概述

钛以及钛合金是比较先进的轻量化结构材料，综合性能比较突出，是当前航空领域应用过程中最具价值的材料之一。钛合金具有较强的抗腐蚀性能、密度也比较小，良好的抗裂纹扩展能力及疲劳强度决定了这种材料在造船、能源以及航天航空汽车等行业的应用前景十分广阔。TC4钛合金是当前应用比较广泛的钛合金材料，具有较强的耐腐蚀性和强度，国内外无缝钛管市场发展过程中，TC4钛合金管材主要是以斜穿孔或者热挤压等工艺为主进行生产的。生产的产品以高强度厚壁管为主。TC4钛合金的强度比较高，在冷轧制造过程中成型难度相对较大，如果直接利用冷轧成型工艺开展TC4钛合金管材生产工作，可以对生产成本进行有效控制。同时可以满足钛合金在高性能应用场景的具体需求。现阶段，国内外对TC4钛合金管材的温扎工艺研究比较多，但是对冷轧工艺的相关参数研究相对较少。为了推动TC4钛合金管在不同领域中的广泛应用，需要深入探索冷轧以及退火对TC4钛合金管生产质量产生的具体影响，为TC4钛合金管材的生产制备提供可靠支撑[1]。

2冷轧与退火对TC4钛合金管组织和性能的影响

2.1实验操作过程

在具体的实验分析过程中，需要通过锻造开坯、扒皮铸坯后支撑空心挤压坯。之后需要利用箱式电阻炉进行加热，在35MN卧式快速挤压机运行中，需要保持950℃的温度，将铸坯挤压制备成80毫米×11毫米的TC4钛合金管坯。对完成挤压的管坯进行酸洗、扒皮、镗孔处理，可以获取78毫米×8毫米管坯，完成两辊冷轧处理后，可以获取42毫米×2毫米的TC4钛合金管材[2]。

在本次加工实验过程中，第1次、第2次、第3次、第4次加工率分别为36%、44%、33%、41%。每一次冷轧完成后都需要进行酸洗除油和真空退火，对准42毫米×2毫米的管材开展不同车削量的镗孔，可以获取以下TC4钛合金管材分别为：42毫米×1.3毫米、准42毫米×1.5毫米、准42毫米×1.3毫米。对不同变形量的管材进行三辊冷轧加工，获取的成品为准40毫米×1毫米成品管材。

在整个TC4钛合金管材冷轧过程中，需要以三辊冷轧管机为基础进行制备，变形量可以达到26%、36%、46%，管材的外径为40.5mm。之后对冷轧管材进行真空退火处理。真空退火的主要温度为750℃、800℃、850℃、900℃。整体退火的保温时间为1小时，管材需要根据退火炉进行自然冷却，在200℃左右需要利用充氩气的方法提高冷却速度。沿着管材纵向对样坯进行切割，根据我国金属材料室温拉伸试验法进行制样。将制作完成的样品放置在电子万能实验机上开展拉伸性能试验。除此之外，需要完成金相制备。利用镜像显微镜完成显微组织观察。

2.2实验结果分析

对实验结果进行分析时主要从冷轧和退火两方面出发，探讨其对管材组织和性能产生的具体影响。

2.2.1冷轧变形量的影响

（1）对微观组织的影响。变形量分别为26%、36%、46%。在对微观组织观察过程中，TC4钛合金管材的微观组织情况出现了一定变化。在变形之前，管材主要以等轴组织为主，随着变形量不断增加，等轴组织逐渐被拉长，管材出现了纤维状的变形组织。此外，晶粒随着变形量的逐渐增加，细化程度逐渐上升。

（2）对管材力学性能产生的影响。不同变形量对管材力学性能产生的影响是具有一定差异的。变形量不断增加，抗拉强度和屈服强度逐渐升高，伸长率不断下降。在之后的变化过程中，抗拉强度、屈服强度以及伸长率的变化都逐渐变化。变形量达到46%时，管材局部出现连续性月牙状缺陷以及裂纹[3]。

2.2.2退火温度的影响

（1）对微观组织的影响。在具体的实验分析过程中，退火温度分别为750℃、800℃、850℃、900℃。在不同温度影响下，其主要表现是750℃以上的退火温度，管材组织出现再结晶情况，退火温度不断升高，等轴再结晶的晶粒占据的比例不断上升。

（2）对力学性能的影响。在分析过程中主要探索46%变形量冷轧后的TC4钛合金管材力学性能在不同温度影响下的实际情况。经过变形冷轧后，材料等抗拉强度达到1100MPa。在这种情况下，管材的屈服强度比较高，伸长率比较低，并且塑性比较差，纵向硬度大。经过退火处理后，材料力学性能的各向异性出现降低趋势。退火温度为800℃时，材料的整体强度降低，但是生产率上升，850℃时伸长率最大，材料的硬度不均匀分布基本消失。退火温度处持续升高，材料的强度随之增强，但是伸长率下降，温度达到900℃时，材料的纵向横向硬度持平。根据TC4钛合金的显微组织情况进行分析，850℃时出现的伸长率最高，并且再结晶颗粒的大小分布也比较均匀。再结晶组织的均匀性促使材料塑性增加，并且新增加的晶界可以发挥抵抗变形的作用，抗拉强度上升。在900℃退火温度状态下，材料的再结晶颗粒增加，为等轴状分布，组织也比较均匀，伸长率有所降低，但是综合性能良好。

结语

综上所述，在对TC4钛合金进行生产制备时，对冷轧变形量和退火温度进行合理控制，可以对最佳微观组织和力学性能进行科学把握。经过此次实验分析可以获取以下结论：

（1）冷轧变形量对TC4钛合金管材的性能影响比较大，加工率为36%时，冷轧管材的综合性能良好，加工率达到46%，冷轧管材表面出现连续月牙状缺陷以及裂纹；

（2）在管材退火过程中，退火温度保持在750℃以上，管材组织发生结晶情况，退火温度不断上升，等轴组织所占的比例不断增加；退火温度超过850℃，管材的再结晶组织会均匀发展；

（3）退火温度不断上升会对管材的强度产生影响，强度下降，延伸率上升，但是退火温度在850℃时，管材强度会再次升高，延伸率下降。最适宜的TC4钛合金管材退火温度为800~850℃之间，屈服强度可以保持在810MPa，塑性良好。

参考文献：

[1]蔡国帅等.冷轧及热处理对TC4钛合金管材组织与性能的影响[C]//中国有色金属学会.中国有色金属学会，2016.

[2]钦兰云,何晓娣,李明东,等.退火处理对激光沉积制造TC4钛合金组织及力学性能影响[J].材料工程,2020,48(2):8.

[3]高潘，曾卫东，张传臣，等.热处理对TC4-DT/TC21钛合金线性摩擦焊接头组织和性能的影响[J].航空科学技术，2021,32(9):7.