文章编号：1004-0609(2010)S1-s0945-05

Ti-75穿孔管坯的冷扩成形

苏航标，杨英丽，赵永庆，郭荻子，吴金平，赵恒章，赵  彬

 (西北有色金属研究院，西安 710016)

摘  要：研究采用斜轧穿孔及冷扩成形方法制备直径大于130 mm的大口径Ti-75无缝管材的可行性。分别测试穿孔管坯和冷扩后管材的金相组织、力学性能及沿管材轴向方向的裂纹情况。结果表明：采用斜轧穿孔方式可以制备Ti-75合金大口径无缝管材且拥有较好的塑性；在室温下，进行冷扩，在扩径率小于15%时，可得到抗拉强度为780 MPa，屈服强度为685 MPa，伸长率为13.5%，断面收缩率为55%的管坯，且不出现扩裂等情况。

关键词：Ti-75合金；斜轧穿孔；冷扩成形；大口径；管材

中图分类号：TF 804.3　　     文献标志码：A

Cold expansion forming of Ti-75 perforated tube

SU Hang-biao, YANG Ying-li, ZHAO Yong-qing, GUO Di-zi, WU Jin-ping, ZHAO Heng-zhang, ZHAO Bin

 (Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’ an 710016, China)

Abstract: The feasibility of preparation of large-diameter seamless pipe of Ti-75 alloy using rotary piercing and cold expansion method. The microstructure, mechanical properties and crack along the pipe axial direction of the situation of the piercing tube and cold-expanded pipe were tested. The results show that Ti-75 large diameter alloy seamless pipe can be prepared using the rotary piercing method and it has a good plasticity. At room temperature, when the expansion of diameter is less than 15%, the tube with tensile strength of 780 MPa, yield strength of 685 MPa, elongation percentage of 13.5% and contraction of area of 55% can be obtained by cold expansion forming. There is no extending cleft in the tube.

Key words: Ti-75 alloy; rotary piercing; cold expansion forming; large-diameter; pipe

在海洋工程、舰艇不断革新中，对钛合金大直径管材提出了越来越高的要求。Ti-75(Ti-3Al-2Mo-2Zr)合金是我国自行设计研制的730 MPa强度级新型舰船动力装置用近α型中强、高韧、耐蚀、可焊钛合金，该合金在舰船、石油、化工、机械、生物工程等领域具有广阔的应用前景^[1]。

国内钛合金无缝管材制备通常采用的工艺为二次熔炼—锻造—穿孔或者挤压—冷轧成型。该工艺通常只能完成直径为133 mm以下管材的轧制，但不能制备大口径(如直径为133 mm)的钛合金无缝管。

钛合金由于屈强比很高，因此，很难完成冷加工成型，尤其是冷扩径成型。冷扩径成型的特点在于外径方向没有约束，金属处于自由流动状态，易出现壁厚变薄程度严重不均匀甚至开裂的情况。但是，由于冷扩在管材成型中具有高效、流程短的特点，因此，有必要对钛合金冷扩成型进行研究。

本文作者观察了管坯金相组织、管坯壁厚均匀性，测试了管坯力学性能，研究斜轧穿孔制备大口径无缝Ti-75管材的可行性。

1  实验

1.1  试验材料

本文所使用的坯料为经过2次真空自耗熔炼的钛合金铸锭，在相变点以上开坯，经降温终锻后得到直径为130 mm的棒坯，然后采用纯Mo顶头进行穿孔试验。

冷扩管坯采用穿孔制得的管坯，其直径×壁厚分别为130 mm×15 mm和130 mm×11 mm，冷扩采用定径尺寸(直径)为121.3和113.8 mm芯模。

1.2  试验设备及试验过程

采用大型立式穿孔机组进行直径为130~500 mm管坯穿制，穿孔前，在棒坯中心预制定心孔，Mo顶头提前预热，在棒坯表面涂覆涂层，利用燃气步进炉进行加热，保温温度为1 000 ℃，穿孔温度约为960 ℃。

冷态扩径实验在GLB120型冷拔机组上进行，采用穿孔态Ti-75管坯，在内表面涂覆润滑剂，并在干燥箱中烘干，润滑剂采用石灰和工业脂混合而成，其质量比为10:1.2~1.3。

1.3  实验性能测试

在冷扩前后，沿斜轧穿孔管坯轴向方向，在前部、中部和尾部分别沿截面截取试样测试其显微组织及力学性能，在INSTRON 1185试验机上测试室温力学性能。采用 OLMPUS PMG3型光学显微镜及JSM6460扫描电镜对斜轧穿孔试样及冷扩试验进行组织及表面观察。

2  结果与分析

碳钢、不锈钢大口径无缝管材的制备已较为成熟，钛合金无缝大口径管材的制备在国内仅通过旋压和铸造的方法制备，制备成本高、生产率低，不能满足国防及相关民用行业的大规模使用。为此，通过研究穿孔管坯的显微组织、冷拔性能、管材表面及壁厚尺寸偏差，对斜轧穿孔制备大口径钛合金无缝管材的可行性进行探讨。

2.1  Ti-75合金棒坯穿孔工艺确定

近α型钛合金是一种滑移系统少、对称性差的密排六方结构金属，因此，Ti-75合金较难成形^[2]。因此在斜轧穿孔时选用合适的穿孔温度非常重要，温度过高会使穿出的管坯表面划伤严重，或者使轧辊与棒坯之间缺少足够的摩擦力以致不能顺利穿出；温度过低则管材不易穿透，并使穿出的管坯偏心较大。对于本试验，选择在高于Ti-75合金相变点50 ℃进行穿孔。对于不锈钢来说，坯料在压缩区的压缩率10%是合适的^[3]，而对于钛合金穿孔来说，由于弹性大，因此，压缩区的压缩率应控制在10%~15%，以避免出现由于压缩率小而轧辊不能抱紧棒坯的情况。当咬入角增大时，能量消耗低，咬入条件好，本试验选取咬入角为8?~14?。顶头位置非常重要，当位置过前时，坯料咬入困难，位置过后时，在穿孔前产生较大的自成真空腔，导致内表面折叠，因此，本试验选取顶头位置为70~150 mm。

2.2  采用斜轧穿孔制备的管坯显微组织及性能

在960 ℃，采用斜轧穿孔制备了Ti-75合金管坯，并测试了其室温力学性能，结果如表1所列。可见：Ti-75合金管坯的伸长率为 20%左右，断面收缩率为55%左右，抗拉强度为720 MPa。由于穿孔时温度较高，且穿孔时间较短(少于1 min)，随后采用空冷的方式进行冷却，在冷却过程中发生了回复及再结晶^[4-6]，因此，仍能保证较高的伸长率，这为后续管材连续进行冷扩提供了塑性基础。

表1  Ti-75穿孔管坯室温性能

Table 1  Room temperature property of rotary piercing Ti-75 tube

穿孔管坯沿轴向方向不同部位的显微组织如图1所示。可见：管材沿头部、中部、尾部方向存在温升迹象，晶界逐步发生弯曲，晶界析出片层及块状α相，且随着穿孔的进行，尾部温度越来越高，片层逐渐变宽。这主要由于钛合金热导率仅为15.072 W/(m?K)。纵横向金相均保持一致。

2.3  Ti-75穿孔管材冷扩后的组织及性能

利用穿孔制得的管坯，在进行润滑后直接进行冷扩试验，扩径比为10%，其室温力学性能如表2所示。

表2  Ti-75冷扩管坯室温性能

Table 2  Room temperature property of expanding Ti-75 tube

图1  穿孔管坯横纵向不同位置的显微组织

Fig.1  Microstructure of rotary piercing Ti-75 tube different parts along lengthwise and lateral direction: (a) Lateral structure of forehead; (b) Lateral structure of middle part; (c) Lateral structure of end part; (d) Lengthwise direction structure of forehead; (e) Lengthwise direction structure of middle part; (f) Lengthwise direction structure of end part

可见，管坯伸长率为 14%左右，断面收缩率仍保持在55%左右，抗拉强度为780 MPa。冷扩后管材显微组织如图2所示。可见：在试样纵横向方向上，晶粒有进一步破碎的趋势。

2.4  Ti-75管材表面及尺寸

冷扩后管坯的表面状况如图3所示。

由图3可见：经穿孔得到的管坯，表面状况良好，未见螺旋纹及表面划伤等。冷扩后，管坯表面出现裂纹，沿出现裂纹处切开进行取样，对横向方向进行SEM观察，结果发现：裂纹仅是表层氧化皮形成，裂纹长度约为2 mm。

穿孔及扩径管坯沿轴向方向壁厚分布状况如图4所示，其中，d为壁厚。从图4可以看出：无论是穿孔管坯还是冷扩后管坯，其壁厚偏差控制在6%以内，完全可满足管材加工需要。因此，作为制备大口径无缝钛合金管坯的方法之一，斜轧穿孔方法是完全可行的，此外，作为制备大口径钛合金无缝管材工艺的一个有益补充，冷拔方案同样可行。

3  结论

1) 采用合适的斜轧穿孔工艺参数可制备大口径

图2  穿孔管坯冷扩后横纵向不同位置处的显微组织

Fig.2  Microstructures after cold expanding Ti-75 rotary piercing tube in different parts along lengthwise and lateral direction: (a) Lateral structure after cold expanding, wall thickness of 10 mm; (b) Lateral structure after cold expanding, wall thickness of 13 mm; (c) Lengthwise structure after cold expanding, wall thickness of 10 mm; (d) Lengthwise structure after cold expanding, wall thickness of 13 mm

图3  穿孔及扩径管材表面状况

Fig.3  Surface states of rotary piercing and expanding Ti-75 tube: (a) Photo, piercing, wall thickness of 11 mm; (b) Photo, piercing, wall thickness of 15 mm; (c) Photo, expanding, wall thickness of 10 mm; (d) Photo, expanding, wall thickness of 13 mm; (e) SEM image, expanding, wall thickness of 10 mm; (f) SEM image, expanding, wall thickness of 13 mm

图4  穿孔及扩径管坯沿轴向方向壁厚分布状况

Fig.4  Distribution of wall thickness in axial directions of rotary piercing and expanding Ti-75 tube

无缝钛合金管材。

2) Ti-75穿孔管坯具有较好的塑性，可直接进行冷扩。

3) 斜轧穿孔管坯冷扩后，表面良好，壁厚尺寸偏差小(6%以下)，可满足生产需要。

REFERENCES

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(编辑 赵 俊)

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