鈦及鈦合金管材具有優異的性能而廣泛應用于各個領域。鈦合金管材分為無縫管和有縫管，無縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。鈦合金管材冷軋是先進的管材生產方法。如何制定軋制工藝參數對軋制出合格的管材尤為重要。文章闡述了鈦及鈦合金冷軋管材生產現狀，敘述了鈦合金管材軋制的特點及生產過程中的影響因素，對鈦合金軋制工藝研究及發展方向進行了展望。
鈦及鈦合金具有比強度高、熔點高、耐蝕性好、彈性模量低、無磁且生物相容性好等優點，廣泛應用于工作的零件、結構件和緊固件以及航空航天、海洋開發、醫療和運動器材等領域[1-2]。世界各國都在大力發展鈦及鈦合金生產。據估計，目前全球鈦及鈦合金的生產能力已超過消費需求量的2~2.5倍，因而鈦及鈦合金世界市場競爭激烈。鈦合金管材分為無縫管和有縫管，無縫管的加工方法有拉伸、斜軋、擠壓、軋制或拉伸—軋制等。而鈦及鈦合金軋制管的生產過程主要有管坯制備、軋制、熱處理等三個部分。鈦合金管材冷軋是先進的管材生產方法。第一臺冷軋管機問世于1930年，由于各種形式的冷軋管機的不斷出現，以及冷軋管工藝的日益完善，使得管材工業的發展得到了長足的進步。
鈦合金管材軋制的特點
目前，低強度、低合金化的鈦及鈦合金無縫管的加工技術比較成熟，均采用冷軋真空退火工藝。管材冷軋相對于其他生產方法(如：管材的拉伸生產)具有如下優點：(1)冷軋管材時，金屬在變形區中始終處于三向壓應力的作用之下能充分發揮金屬的塑性，同時在多段孔型中實現分散變形，因此能采用較大的變形量。(2)冷軋后的管材，其尺寸精確，內表面光潔，并且具有較高的機械性能。(3)冷軋管可生產各種規格的小直徑薄壁管以及各種斷面不規則的異型管材。一般用兩輥式冷軋管機軋制的管材外徑最小為15 mm，壁厚可薄至0.5 mm；而用三輥式冷軋管機軋制的管材最小外徑可為3 mm，壁厚薄至0.08 mm。(4)冷軋管的成品率高，廢品損失少。冷軋管材廢品率僅為1%~1.5%，而拉伸管材廢品率高達20%~25%。
鈦及鈦合金管材軋制采用兩輥和多輥式周期軋管機生產。兩輥軋機相比多輥軋機來說減徑量和減壁量較大，提高了生產效率，而多輥軋機能夠提高尺寸的精度、變形均勻但生產效率較低。為了能夠兼具兩者的優點，通常情況下生產線會相結合使用。
盡管焊管有代替無縫管的趨勢，但重要的化工裝置、航空液壓管路及火箭發動機燃料導管等，為保證安全，無縫管仍然不能被焊管取代[3]。
軋制過程的影響因素
鈦合金管材軋制過程的影響因素較多，諸如送料量、轉角、摩擦因數、工件的材質、加工率、軋機的類型、工件的直徑、機架往復行程次數等，歸納得出其主要影響因素有：轉角、送進量選擇、軋機的速度、變形程度。
轉角
通過研究發現，在其他軋制參數相同的情況下，回轉角度的變化對壁厚的不均勻度產生較大的影響。隨著回轉角度的增加，壁厚不均度增加較快。這是由于回轉角的增大，輾軋角也增大，切向變形增大，從而加大了橫向變形的不均。例如，LD60三輥冷軋管機在軋制TA2φ41 mm×1.4 mm的純鈦管坯時，回轉角分別為16º、18º、20º，對應的壁厚不均度Z分別為8.4%、8.7%、9.1%，壁厚不均度隨著回轉角的增加而增大[4]。管材通過轉動一定角度，可以大大減小壓縮段中出現的拉應力，避免塑性差的金屬在機架工作行程中出現裂紋。
變形程度
變形程度是管材軋制過程中一個重要的參數，它對軋制時所需的軋制力、軋制制品的表面質量、變形熱效應、制品的組織和性能等均有一定的影響。通過對小規格TA15鈦合金軋制管材工藝研究發現：隨著變形程度的增加，強度提高，塑性基本不變，但管材經過800℃/1.5 h退火后，其強度降低，塑性會有所提高。再結晶退火后，大加工量管材的強度比小加工量的降低很多，塑性比小加工量的高。從組織上看，再結晶比小加工量的更完全[5]。通過變形率對TA18管材力學性能和組織的影響分析發現：加工硬態管材的抗拉強度和屈服強度均隨著變形率的增大而逐漸升高，變形率超過44%時，延伸率會逐漸下降；經不同變形率軋制成形的φ12 mm×0.9 mm管材的加工硬態縱向顯微組織中，變形率為23%時，晶粒變形不明顯，晶界清晰可見，隨著加工率的增大出現典型的纖維組織，管材組織中的變形流線就越明顯[6]。通過實驗發現，變形率對管材力學性能的影響可以通過退火進行消除。
在軋制時，除考慮變形程度外，還必須考慮減徑量與減壁量的比值對產品質量的影響。通過生產實踐得知，孔型始端減徑值(通稱空減徑)對工業純鈦TA2、TA3的變形影響不大，但對TC1、TC2等鈦合金的變形有著很大的影響。
送進量
送進量大小的選擇合理與否，是直接影響到能否獲得較高的生產效率和良好的產品質量的一個重要因素。送進量過小使設備能力沒有充分發揮出來，降低了生產率；而送進量過大，則將使軋出的管材出現飛邊、棱子、橢圓、壁厚不均甚至破裂等嚴重缺陷。通過實驗發現：管材軋制送進量的大小對渦流探傷也會產生一定的影響。送進量較小的情況下，渦流探傷檢測精度高，當軋制送進量增大到一定值后，即使不產生軋制缺陷，也會由于金屬變形激烈、應力集中等原因使管材本身渦流探傷噪聲加大[7]。
當金屬及合金越硬、越難變形時，送進量應適當減小，且工作機架的行程次數可以放慢，否則軋機的負荷增加，軋出的管材容易造成廢品。當軋機的行程次數不變時，軋制不同類型的合金可根據不同的情況調整送進量，例如：軋機型號LG-30，TA1、TA2管材軋后壁厚為0.40~2.50 mm，送進量可選擇3.0~7.0 mm/次；軋后壁厚為2.60~6.00 mm時，送進量則可調整為4.0~10.0 mm/次。
軋機的速度
軋機速度的選擇主要根據不使軋機負荷過于增大的原則來確定。小型軋機的速度比大型軋機的快，因小型軋機運動部分的重量和金屬的送進體積小；而大型軋機的則相反，因慣性力矩很大而使傳動困難，為此，在軋機的主傳動部分增加動平衡裝置，可顯著提高速度。
擠壓工藝確定
鈦及鈦合金軋制，要求在工具合適的條件下制定正確的生產工藝，即要求轉角、送進量、軋機速度、變形程度的配合。針對不同鈦合金型號的特點，制定合適的軋制工藝，實現經濟效益和成品率最大化。雷江等通過實驗的方法研究了TA18鈦合金小規格厚壁管材變形量對成品管材顯微組織及力學性能的影響，張富平也通過實驗的方法研究了TA16小規格厚壁管材加工量對管材性能均勻性的影響[8]。隨著有限元計算技術的發展，將有限元分析法和傳統的實驗方法結合起來，通過有限元數值模擬金屬塑性成形過程，優化工藝參數后再進行實驗，對提高經濟效益和軋制效率具有實際應用價值[9]。
結束語
鈦及鈦合金管材冷軋方法主要受轉角，變形程度、送進量和軋機速度的選擇等因素影響。采用計算機模擬與實際相結合制定合理的軋制工藝，實現經濟效益的最大化。
文章來源——金屬世界