钛是一种高活性金属元素，经常被用在飞机、火箭、导弹及化工行业等。根据钛及钛合金金相组织形态，可将其分为α型钛合金、α+β型钛合金、β型钛合金。工业纯钛由于含有6%以下的铝和少量中性元素，且退火后几乎全部为α相，因此属于α型钛合金。根据杂质元素含量，一般可将工业纯钛划分为三个等级：即TA1、TA2、TA3。TA2作为α钛合金的一种，为hcp结构，电阻率为0.47Ω·mm2/m，密度为4.505g/cm3，一般可生产各种规格的管材、棒材、带材、型材和箔材[1]。
小口径TA2钛管材较镍基合金、不锈钢等金属材料具有较高的屈强比、良好的热稳定性，低间隙元素含量、超低温韧性以及优异的抗大气腐蚀性能，因此，经常被用作液体火箭发动机的重要组成部件[2-5]。一般小口径TA2管材尺寸规格多为（φ4～φ8）mm×（0.8～1.5）mm，主要通过坯料制备（斜轧穿孔或挤压）加轧制工艺来获得。但由于小口径TA2管材使用环境的特殊性，尺寸精度要求高，管材内外表面不允许有裂纹、起皮、针孔等缺陷，因此要制备性能优良的TA2小口径管材是十分不易的[6]。目前国内对小口径TA2管材的制备工艺研究较少，贠鹏飞等[7]研究了轧制Q值对小口径TA2管材的力学性能及显微组织进行了研究，邢健等[8]对TA2管材织构及性能进行了研究，尚笑宇等[9]研究了冷轧变形量对TA2纯钛板材组织性能的影响，杨英子等[10]研究了氧含量及轧制工艺对纯钛管材性能的影响。本文主要通过两种不同加工工艺制备得到了相同尺寸规格的高精度小口径TA2管材，并对比研究了加工工艺对小口径TA2管材组织及性能的影响。
1、试验材料与方法
试验原料采用电弧炉制得的φ96mm×27mm的TA2钛棒，其中杂质元素含量（质量分数，%）为：0.30Fe、0.15O、0.10C、0.05H、0.15N。TA2棒通过两种不同加工工艺最终制得φ8mm×1mm的小口径TA2管材。第1种工艺为：将钛棒下料、机加、挤压得到φ41mm×φ23mm的管坯，再将经过表面处理及酸洗后得到的φ39mm×6.25mm管坯进行多道次冷轧至φ8mm×1mm，其中从φ39mm×6.25mm至成品φ8mm×1mm的加工率为95%，冷轧退火间的加工率为45%～65%。第2种工艺为将钛棒下料、机加、挤压得到φ24mm×φ15.5mm的管坯，再将经过表面处理及酸洗后得到的φ24mm×4.25mm管坯进行多道次冷轧至φ8mm×1mm，其中冷轧从φ24mm×4.25mm至成品φ8mm×1mm的加工率为90%，冷轧退火间的加工率在38%～40%。在轧制过程中根据退火之间的加工率对两种管材进行相应的中间退火处理，最后再对两种φ8mm×1mm的TA2管材成品在680℃保温1h进行成品退火处理。
对两种加工工艺制备的φ8mm×1mm的TA2管材分别编号为1#、2#，并对其进行性能测试。采用GX51倒置金相显微镜进行金相组织观察；采用INSTRON1185万能材料试验机进行室温拉伸性能测试；采用JL-WCS4管棒材超声波检测系统对管材缺陷幅值进行检测；采用WA-D600试验机对管材进行扩口、压扁、弯曲性能测试；采用WT40-7000管材水压机进行水压测试。
2、试验结果及讨论
2.1金相组织
图1为两种加工工艺制备的管材冷轧加工态及退火态横断面金相组织照片。从图1（a）、（b）中可以看出，两种工艺得到的冷轧加工态组织，均未有明显加工流线。由于轧制使管材变形量非常大，金属流动充分[11]，对比图1（a）、（b）可看出，1#管材相较2#管材晶粒破碎更为充分，晶界也更为模糊，这是因为1#管材的加工率为95%，冷轧退火间的加工率在45%～65%，金属流动性更充分，晶粒破碎也更为均匀，因此晶界相对模糊；2#管材冷轧加工率为90%，冷轧退火间的加工率在38%～40%，低于1#管材，晶界较为清晰，且组织内部有条纹状孪晶组织。
图1（c）、（d）为两种工艺管材退火态金相组织。由图中可以看出，退火后加工态组织完全消失，晶粒完全再结晶并形成组织均匀的等轴晶，其中1#管材晶粒度为9.0级，2#管材晶粒度9.5级，退火后两者晶粒度略有差异，但差别不大。
2.2室温拉伸性能
两种加工工艺制备的TA2管材室温拉伸性能如图2所示。从图中可看出，无论管材是轧制态还是退火态，1#管材抗拉强度、屈服强度均要明显高于2#管材，伸长率则要低于2#管材的。经过680℃退火后，两者抗拉强度、屈服强度均有所降低，伸长率有所增加。计算得出，轧制态1#管材屈强比为0.92，2#管材屈强比0.90，两者屈强比差距较小，经退火后，1#管材屈强比降为0.73，2#管材屈强比降为0.66，两者屈强比有一定差距。
分析认为，退火前，随着冷轧变形量的增加，等轴状的α晶粒受到挤压，晶粒明显碎化，位错密度增加，金属中的这种高密度位错缠结在一起，增加了位错运动的阻力，使位错运动困难，需要增加外力来使位错运动，因此管材抗拉强度增加[12]。由于1#管材加工率及退火之间的加工率均大于2#管材的，轧制后管材加工硬化程度也明显更高，经相同温度退火，材料组织发生动态再结晶，消除了部分内应力，因此抗拉强度、屈服强度有所降低，伸长率升高。同时，2#管材加工硬化程度较低，退火后组织内应力释放更加充分，晶粒更为均匀，因此屈强比下降程度较1#管材屈强比下降程度更大。综合可以看出，适当降低TA2管材冷轧加工率，有利于提高管材拉伸性能。
2.3超声波探伤
图3为两种工艺钛管超声波探伤后的纵波曲线。对比可看出，2#管材波形曲线较1#管材曲线整体更为平缓，缺陷幅值上下波动也相对较小。可以得出2#钛管质量要明显优于1#管的。分析认为，1#管材存在的微小缺陷要远远多于2#管材，这是因为1#管材在轧制过程中随着加工道次增加，管材加工率也在增大，随之管材加工硬化程度加深，尽管进行了一定温度的退火处理，但内应力及一些微小缺陷也无法完全消除，进而可能造成管材存在许多肉眼无法观察到的起皮、针孔、凹坑等缺陷。2#管材虽经过多道次轧制后也存在一定加工硬化，但由于其加工率及道次间加工率较小，加工硬化程度较小，通过退火处理后内应力得到一定的释放，因此管材质量也相对更优。
2.4其他力学性能
管材的其他力学性能还包括扩口、压扁、弯曲以及水压测试等。表1为两种不同工艺管材的其他相关力学性能测试结果。其中管材扩口试验的扩口率均为30%，弯曲试验压头尺寸均为4倍外径尺寸，压扁率为0.7，水压测试要求打压42MPa/5s。在以上相同测试条件下，两种管材试样均未发生开裂和水漏现象。但在压扁试验中，1#管材在内壁6点（钟）、12点（钟）产生开裂，而2#管材未开裂。因此，第2种加工工艺制备的TA2管材较第1种加工工艺制备的管材性能更优。
分析认为，1#管材在压扁试验中内壁6点、12点位置开裂，2#管材未开裂。这是因为1#管材冷轧加工率及道次加工率均大于2#管材，加工硬化程度更大，由于几何学原因，1#管材在6点、12点位置较2#管材更易产生极高的应力，从而导致内壁开裂。
3、结论
（1）采用冷轧加工率90%，冷轧退火间的加工率在38%～40%工艺制得的φ8mm×1mm小口径TA2管材较冷轧加工率95%，冷轧退火间的加工率在45%～65%工艺制得的同规格TA2管材的力学性能更优。
（2）采用冷轧加工率90%，冷轧退火间的加工率在38%～40%工艺制得的TA2管退火后的晶粒组织更为均匀，超声波探伤缺陷幅值波动更为平缓。
（3）在相同退火条件下，适当降低TA2钛管的冷轧加工率，减少管材因轧制而产生的加工硬化，有利于获得具有良好质量的小口径TA2管。
参考文献：
[1]《稀有金属材料加工手册》编写组．稀有金属材料加工手册[M]．北京：冶金工业出版社，1984．
[2]Boyer R R．An overview on the use of titanium in the aerospace industry [J]．Materials Science and Engineering A，1996，213(1/2)：103-114．
[3]庞继明，李明利，李明强，等．退火温度对 TA1 钛管材组织和性能的影响[J]．钛工业进展，2011，28(2)：26-28．
[4]林永新．钛及钛合金管材生产技术现状[J]．稀有金属快报，2005，24(2)：1-2．
[5]邢 健 ，杨 英 丽 ，郭 荻 子 ，等．轧 制 及 轧 制 加 拉 拔 工 艺 制 备 的TA2 管材组织和性能[J]．钛工业进展，2012，29(3)：19-21．
[6]张凯悦，姚修楠，蔡文博，等．一种制备航天用高精度小口径 TA2管材的方法：CN111496008A[P]．2020-05-08 [2022-04-08]．
[7]贠鹏飞，杨英丽，郭荻子，等．轧制 Q 值对小口径 TA2 管材组织和性能的影响[J]．钛工业进展，2012，29(2)：24-27．
[8]邢健，巨建辉，杨英丽，等．TA2 管材织构及性能研究[J]．稀有金属材料与工程，2013，42(8)：81-85．
[9]尚笑宇，李壮，蔡一钦，等．冷轧变形量对 TA2 纯钛板材的组织和力学性能的影响[J]．金属加工(热加工)，2020(8)：81-83．
[10]杨英丽，卢亚锋，郭荻子，等．氧含量及轧制工艺对纯钛管材性能的影响[J]．钛工业进展，2011，28(5)：27-30．
[11]杨小玉．TA2 合金管材的织构和承载性能研究 [J]． 铸造技术，2014，35(3)：500-502．
[12]Parmar V，Changel A K，Srinivas B．Relationship between dislocation density and antibacterial activity of cryo-rolled and cold-rolledcopper[J]．Materials，2019，12(2)：1-11．
相关链接
