挤压温度对TA2大口径管材组织与性能的影响

利用中钛青锻260MN、680MN压机机组在850℃、870℃、950℃、1000℃四种挤压温度下制备大口径TA2管材，分析不同挤压温度下TA2管材的力学性能和金相组织。研究结果表明：不同挤压温度下管材头部、中部、尾部力学性能和金相组织具有较好的均匀性；挤压温度在TA2相转变温度以下时管材得到等轴组织且晶粒细化效果明显；挤压温度在TA2相转变温度以上时晶粒得到破碎，但是晶粒发生动态再结晶长大。因此，推荐在TA2相转变温度以下40～60℃挤压TA2大口径管材，可以获得较好的室温力学性能和金相组织。

TA2工业纯钛因其优异的耐腐蚀性能、力学性能和焊接性能，广泛应用于航空航天、船舶、化工、海洋工程等领域。钛材料热导率低，在挤压过程中坯料表面与心部产生极大温差，当挤压温度为400℃时，温差可达200～250℃，此外，钛材料在塑性变形过程中会产生大量的变形热，以上特点导致钛合金管材挤压过程中容易产生组织不均匀和表面拉裂等缺陷。因此，研究挤压温度对TA2大口径管材组织和力学性能的影响非常必要。

大口径钛合金管材，均采用热挤压法生产，工艺流程相对成熟，关键在于是否拥有大型挤压机。本文利用中钛青锻680MN、260MN压机机组就挤压温度对TA2大口径挤压管材的组织和性能的影响进行研究，并成功生产出世界最大的φ700mm管材。

试验过程

试验材料

试验原料为沈阳中钛装备制造有限公司真空自耗电弧炉熔炼的工业纯钛TA2，化学成分如表1所示，符合GB/T 3620.1-2016标准要求，测定β相转变温度为904.6℃。

表1 TA2的化学成分(%)

铸锭在β相区进行开坯和多次镦拔，充分破碎粗大的铸态晶粒，得到挤压锭坯，其显微组织如图1所示。由图可知，铸锭经过多次镦拔后晶粒分布不均匀，大部分晶粒形貌呈锯齿状且晶粒粗大，晶粒尺寸达到150～300μm，这是由于镦拔过程中材料变形不均匀；同时，材料中出现了少量等轴晶，这是由于镦拔温度达到了TA2的动态再结晶温度，产生了动态再结晶晶粒。此外，材料在多次镦拔过程中产生了少量孪晶。

图1 TA2原始组织组织形貌

管材挤压工艺

管材挤压设备为青海中钛青锻装备制造有限公司260MN制坯机和680MN挤压机。生产工艺为加热→润滑→制坯→机械加工→包套→加热→润滑→挤压→冷却→热处理→取样→机械加工→无损检测→包装入库。挤压工艺参数如表2所示，对挤压后荒管(图2)进行650℃退火处理。

表2 TA2大口径管材挤压工艺

图2 TA2大口径管材

组织与性能检测

大口径管材头尾切除15～200mm后，制取拉伸试样和金相试样，在光学显微镜和拉伸机上进行组织观察和力学性能测试。

结果与讨论

挤压温度对管材组织的影响

图3所示为大口径TA2管材在不同挤压温度下的金相组织。由图3(a)可知，挤压温度为850℃时，大口径管材组织类型为等轴组织，晶粒分布较为均匀，平均晶粒尺寸为35～55μm。由图3(b)可知，挤压温度为870℃时，大口径管材组织类型仍为等轴组织，部分晶粒形貌呈现椭圆形或长条形，平均晶粒尺寸为60～80μm，由于挤压变形大，成形过程中产生大量的变形热，金属挤压过程中荒管实际温度接近TA2相转变温度，因此组织中有少量β组织存在。由图3(c)可知，挤压温度为950℃时，变形温度高于TA2相转变温度，β组织较为粗大，α相呈现扁平条状和针状，尺寸约150～250μm，组织为过热组织。

图3 不同挤压温度下管材组织

通过对比图1和图3(a)可知，当挤压温度低于TA2相转变温度时，挤压变形能够充分破碎晶粒，改善微观组织，显著减小晶粒尺寸。通过对比图2和图3(c)可知，当挤压温度高于TA2相转变温度时，在大变形条件下，晶粒得到了有效的破碎，但是变形过程中存在相的转变和晶粒的动态再结晶长大，晶粒形貌发生了明显的改变，但晶粒尺寸没有明显细化。

通过对比图3(a)、图3(b)和图3(c)可知，挤压温度对TA2大口径管材晶粒和组织有着明显影响：当挤压温度低于TA2相转变温度时，挤压温度越低，晶粒破碎越充分；当挤压温度高于TA2相转变温度时，挤压过程能够破碎晶粒，改变组织和形貌，但细化晶粒效果并不明显。

挤压温度对管材力学性能的影响

退火态TA2大口径管材头部、中部和尾部的力学性能如表3所示。

表3 不同挤压温度下TA2大口径管材力学性能

从表3可知，大口径TA2管材室温力学性能较好，均到达GB/T 26058-2010标准要求，管材头部、中部和尾部基本保持在同一水平，具有较好的稳定性。王怀柳在《浅析工艺参数对TA2挤压管材质量的影响》中的研究显示：TA2在880℃挤压时，抗拉强度为465MPa，屈服强度为320MPa，本文所得到的力学性能均优于其研究结果。

从图4可知，挤压温度对于管材的抗拉强度、断后延伸率和断面收缩率影响较小，然而挤压温度对管材的屈服强度产生了明显影响，具体来说：TA2的相转变温度对管材的屈服强度产生了明显影响，TA2相转变温度以下和TA2相转变温度以上管材屈服强度均有较好的稳定性，其原因为TA2晶体结构由密排六方结构转变为体心立方结构。

图4 不同温度下各部位管材力学性能

结束语

⑴利用260MN、680MN压机机组对TA2大口径管材进行热挤压，在TA2相转变温度以下，晶粒得到了明显细化，在TA2相转变温度以上，晶粒虽然得到破碎，晶粒形貌发生了变化，但晶粒尺寸没有明显细化。

⑵采用热挤压工艺生产的大口径TA2管材头部、中部、尾部力学性能具有较好的稳定性和均匀性。

⑶TA2相的转变温度对大口径管材的组织和性能产生了较为明显的影响。