TC4钛合金冷轧无缝管材的制备工艺及织构演变规律研究

TC4(Ti-6Al-4V)是一种典型的α－β两相中强钛合金，具有比强度高、可焊性好等优异的综合性能[1－3]，与其他钛合金相比，更具价格优势，因此广泛应用于航空、航天、石油、化工等领域。此外，该合金具有无磁性、抗疲劳、抗海水腐蚀等性能，可承受深海作业下海水对构件产生的往复应力、冲击及腐蚀[4]，同时减小设备的磁场效应，是十分理想的海洋工程用材。TC4钛合金无缝管材可由斜轧穿孔、挤压、钻孔等方法制备管坯，热轧、冷轧、径向锻造、旋压、拉拔等方法制备成品管材[5－9]，其中，斜轧穿孔制坯并冷轧的方法制备的管材综合性能最好，并兼具一定的经济性。

本文以斜轧穿孔法制备的φ88mm×9mm规格TC4钛合金管坯为研究对象，通过4道次冷轧、3次中间退火及最终退火制备海洋工程用φ41mm×2.5mm规格TC4钛合金管材，并检测成品管材的室温拉伸性能。系统研究冷轧时Q值(减壁率与减径率之比)对TC4钛合金管材织构的影响规律，为TC4钛合金的应用提供理论依据。

1、试验材料及方法

试验材料为φ88mm×9mm规格TC4钛合金管坯(斜轧穿孔法制备)，化学成分(质量分数，%)为:Al(6.29)，V(4.11)，Fe(0.03)，C(0.002)，O(0.16)，N(0.003)，H(0.003)，Ti(余量)。

管材冷轧试验采用二辊式冷轧管机，轧机芯棒材质采用硬质合金，具体工艺路线见图1。

中间退火时采用空气炉退火，退火温度750～850℃，保温1h，出炉空冷。退火后，用镗孔机去除管坯内表面氧化皮及其他缺陷，镗孔过程中使用皂化液润;管材抛光机去除管坯外表面缺陷，局部缺陷用修刮片去除。

管材最终退火采用真空退火，要求退火炉真空度≤0.1Pa，退火温度为750～850℃，保温1h后，随炉冷却至室温。退火前，在碱洗槽中去除管材内外表面的油污。碱液为85%NaOH和15%NaNO₃的水溶液(质量浓度)，温度为80～90℃，浸泡时间为6h。退火后，在酸洗槽中酸洗去除内外表面的氧化层。酸液为30%HNO₃+5%HF水溶液，酸洗时间为5～15min。酸洗后，使用高压水枪将管坯内外表面的残余酸液冲洗干净，并将管坯于室温风干。

对成品管材取试样进行室温拉伸力学性能测试。对第2次、第3次中间退火后管坯和成品管材取样进行金相组织、织构测试。测试设备为配备HKL－EBSD系统的ZEISSSUPＲA55型场发射扫描电镜。

2、结果及讨论

2.1力学性能

对φ41mm×2.5mm规格TC4钛合金成品管材取试样进行室温拉伸力学性能测试，测试方法为GB/T228.1-2010，测试结果见表1，可见，冷轧管材强度高、塑性好，综合性能远超棒材水平(棒材室温拉伸的抗拉强度为895～1000MPa，伸长率为10%～15%)。

2.2组织及取向特征

管坯第2次中间退火试样内表层α相取向以倾转基面织构(＜0001＞织构)为主，其α相取向沿轧向(RD)择优不明显，说明内表面主要进行的是减壁变形，见图2(a)、(b)。中间层α相取向也以倾转基面织构为主，但从极图中可观察到，α相取向以RD为轴偏移，说明中间层受轴向拉力的作用加大，见图2(c)、(d)。外表层α相取向与中心层类似，也以倾转基面织构为主，并以RD为轴偏移，见图2(e)、(f)。取向分布图中出现的黑点与残余应力或变形缺陷有关，说明第2次中间退火时并未发生完全的再结晶。

由此可见，管坯第2次中间退火后，厚度方向的织构差异不大，以倾转基面织构为主;内表面层的变形量更大，因此晶粒更细小;中心层α相的取向沿RD偏移程度较小，说明，中心层变形以减壁变形为主。

管坯第3次中间退火试样内表面α相取向以倾转基面织构为主，α相取向沿RD择优明显，说明轧制过程中晶粒的转动受轴向拉力的作用较大，主要进行的是减径变形，见图3(a)、(b)。中间层α相取向仍以倾转基面织构为主，并沿RD倾转至柱面织构(＜1－100＞织构)，说明轴向力的作用加强，见图3(c)、(d)。外表面α相取向与中心层类似，也以倾转基面织构为主，并以RD为轴偏移，见图3(e)、(f)。取向分布图中出现的黑点与残余应力或变形缺陷有关。

由此可见，管坯第3次中间退火后，厚度方向的织构有一定的差异:中心层以倾转基面织构为主，说明变形以减壁变形为主;外表面受到轴向力的作用更大，并逐渐沿RD倾转至＜1－100＞织构，说明以减径变形为主;内表面层的变形量更大，晶粒更细小，不均匀程度也更高。

管坯最终退火试样内表面层α相取向以＜1－100＞为主，管轴向RD择优明显，说明受轴向拉力的作用较大，见图4(a)、(b)。外层α相取向与内层相似，但织构强度更大，见图4(c)、(d)。随着冷轧及退火次数的增多，α相晶粒尺寸逐渐减小，见表2。内表面位置晶粒尺寸相对更小、更不均匀，也能说明其变形量更大。

2.3冷轧过程中Q值对织构演变的影响

TC4钛合金冷轧管材制备难度最大的是冷轧工艺，而冷轧的关键在于变形量及Q值的控制。文献[10]提出，对于TA18钛合金冷轧管材，当Q值≤1.17时，表面光洁且无裂纹，对于TA22，是Q值≤1.12。可见，不同的钛合金，Q值的控制范围不同。但基本规律是，Q值越大，表面质量越差。

TC4钛合金管材的织构与Q值相关性较大，本试验中4次冷轧的Q值分别为2.44、0.86、1.50、0.77。当Q值较大时(第3次冷轧，Q=1.50)，即以减壁为主时，内表面主要进行减壁变形，取向以倾转基面织构为主;外表面以减径变形为主，取向沿RD方向倾转。当Q值较小时(第2次冷轧，Q=0.86，第4次冷轧，Q=0.77)，即

以减径为主时，内、外表面主要进行减径变形，取向由倾转基面织构沿RD方向倾转至＜1－100＞织构。这可以从另一方面说明，当Q值较大时，由于内外表面的主要变形方式不同，变形更难以协调，管坯易产生裂纹，因此表面质量较差。

3、结论

(1)TC4钛合金管材制备过程中，随冷轧及退火次数的增多，α相晶粒不断经历变形及再结晶，因此α相晶粒尺寸逐渐减小;在中间退火及最终退火后，管坯的α相晶粒尺寸由外表面至内表面依次递减，且不均匀程度提高，说明管坯由外表面至内表面的变形量逐渐提高。

(2)TC4钛合金管材的织构与冷轧时的Q值相关性较大。当Q值较大时，内表面主要进行减壁变形，取向以倾转基面织构为主;外表面以减径变形为主，取向沿RD方向倾转。当Q值较小时，内、外表面主要进行减径变形，取向由倾转基面织构沿RD方向倾转至柱面织构。

参考文献:

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