挤压速度对TA16钛合金管坯热挤压成型的影响

时间：2024-09-03

谢林均，朱栓平

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

TA16钛合金是一种低合金化α型钛合金，其名义成分为Ti-2Al-2.5Zr，具有较高的塑性和适中的强度，具有良好的压力加工性能、可焊性和耐腐蚀性。该合金主要以管材的形式在航空、舰船及核反应堆等领域作为热交换器中的管路系统，承受高温、高压、水蒸气介质的作用，工作温度可达400～450℃[1]。

本文对在相同加热制度前提下，分别以60～120mm/s和180～240mm/s两种不同挤压速度热挤压成型φ86mm×15mm×TA16管坯，并研究分析了两种不同挤压速度对热挤压成型管坯金相组织、室温力学性能、截面尺寸精度及表面质量状况的影响，得出了对挤压速度选择的结论依据。

1 实验材料及试验方法

1.1 实验材料

所用铸锭经真空自耗电弧炉两次熔炼而成，成分波动极小，化学成分（质量分数%）为：Al 2.1～2.3，Zr 2.4～2.5，Fe 0.07，Si＜ 0.01，C 0.01，N0.006，H0.0012，O 0.05～0.06，余量Ti。完全满足标准规定，相变点930～940℃。

1.2 实验方法

采用设备：3150t卧式挤压机、箱式电阻炉等设备。

管坯制备工艺方案为：锻棒→锭坯制备→包套→加热→挤压→矫直→酸洗→机加→检查→待冷轧管坯。

实验内容：①选取相同加热制度（850℃×3h），同炉次的锭坯，采用60～120mm/s和180～240mm/s两种不同挤压速度热挤压成型φ86mm×15mm×TA16管坯，②取样对比研究分析两种不同挤压速度对管坯金相组织、室温力学性能的影响；③对比检查两种不同挤压速度对管坯内外表面质量及截面尺寸精度的影响；④得出挤压速度选择的结论。

2 实验结果与分析

2.1 挤压速度对金相组织的影响

由图1可见，两种挤压速度挤压TA16管坯的金相组织并没有发生显著的变化组织均为典型α+β两相区加工形成的组织，由于挤压温度较高，无完整原始β晶界，材料在挤压过程中发生了一定程度的动态再结晶，基本上为等轴α+拉长的片状α晶粒尺寸变化不大，平均晶粒尺寸为12μm，晶粒较为细小。图b)相较图a)晶粒尺寸大小均匀性提高。这是由于挤压速度相对较低时，由于没有足够的应变能，合金只发生部分再结晶。而随着挤压速度的提高，合金的应变速率加快，体系应变能也相应升高，合金发生了动态再结晶的程度提高。

图1 不同挤压速度φ86mm×15mm×TA16管坯的金相组织(50μm)

2.2 挤压速度对室温力学性能的影响

室温力学性能（GB/T 228.1-2010）如表1所示。其室温力学性能几乎相同并无多大变化，均达到该牌号挤压管坯标准的使用要求[2]。

表1 不同挤压速度挤压管坯的室温力学性能

2.3 挤压速度对壁厚偏差的影响

由图2可见，挤压管壁厚偏差情况挤压速度为180～240mm/s平均壁厚偏差达到了1.29mm，挤压速度为60～120mm/s平均壁厚偏差仅0.43mm。挤压速度为60～120mm/s时挤压管坯的壁厚偏差明显小于挤压速度为挤压速度为180～240mm/s时挤压的TA16管坯。

图2 两种挤压速度壁厚偏差情况

2.4 挤压速度对内表面质量的影响

实际挤压过程中，影响管坯内表面质量的因素很多。控制温度均匀性以及出炉过程中的温度损失程度、润滑等因素不变是研究不同挤压速度对管坯表面质量的影响的前提。

如图3所示，挤压速度越高，得到的挤压管坯表面缺陷越多，质量越差。由于850℃×3h高温加热待挤压锭坯表面包覆的铜材及钢材氧化严重，保护及润滑性大幅降低，较高的挤压速度导致摩擦热和变形热增大，导致内孔实际变形过程中的温度在热效应的影响下持续升高，挤压变形过程中基体金属表面流动受阻，内部流动快，流速差增大，导致内表面凹坑、横向拉裂等缺陷产生。

图3 两种挤压速度φ86mm×15mm×TA16管坯的内表面质量

挤压速度维持在60～120mm/s，金属表里流速差较小，表面横向拉裂缺陷消失，表面质量好。但是，挤压速度过低，高温挤压对工模具使用压力增大，尤其挤压针长时间接触高温金属，易造成粘针，变形，甚至断针；挤压过程中温度不断散失降低，造成挤压机闷车的概率升高。因此实际挤压速度不得低于60mm/s。