鈦是一種高活性金屬元素，經(jīng)常被用在飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈及化工行業(yè)等。根據(jù)鈦及鈦合金金相組織形態(tài)，可將其分為α型鈦合金、α+β型鈦合金、β型鈦合金。工業(yè)純鈦由于含有6%以下的鋁和少量中性元素，且退火后幾乎全部為α相，因此屬于α型鈦合金。根據(jù)雜質(zhì)元素含量，一般可將工業(yè)純鈦劃分為三個等級：即TA1、TA2、TA3。TA2作為α鈦合金的一種，為hcp結(jié)構(gòu)，電阻率為0.47Ω·mm²/m，密度為4.505g/cm³，一般可生產(chǎn)各種規(guī)格的管材、棒材、帶材、型材和箔材[1]。

小口徑TA2鈦管材較鎳基合金、不銹鋼等金屬材料具有較高的屈強(qiáng)比、良好的熱穩(wěn)定性，低間隙元素含量、超低溫韌性以及優(yōu)異的抗大氣腐蝕性能，因此，經(jīng)常被用作液體火箭發(fā)動機(jī)的重要組成部件[2-5]。一般小口徑TA2管材尺寸規(guī)格多為（φ4～φ8）mm×（0.8～1.5）mm，主要通過坯料制備（斜軋穿孔或擠壓）加軋制工藝來獲得。但由于小口徑TA2管材使用環(huán)境的特殊性，尺寸精度要求高，管材內(nèi)外表面不允許有裂紋、起皮、針孔等缺陷，因此要制備性能優(yōu)良的TA2小口徑管材是十分不易的[6]。目前國內(nèi)對小口徑TA2管材的制備工藝研究較少，贠鵬飛等[7]研究了軋制Q值對小口徑TA2管材的力學(xué)性能及顯微組織進(jìn)行了研究，邢健等[8]對TA2管材織構(gòu)及性能進(jìn)行了研究，尚笑宇等[9]研究了冷軋變形量對TA2純鈦板材組織性能的影響，楊英子等[10]研究了氧含量及軋制工藝對純鈦管材性能的影響。本文主要通過兩種不同加工工藝制備得到了相同尺寸規(guī)格的高精度小口徑TA2管材，并對比研究了加工工藝對小口徑TA2管材組織及性能的影響。

1、試驗材料與方法

試驗原料采用電弧爐制得的φ96mm×27mm的TA2鈦棒，其中雜質(zhì)元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.30Fe、0.15O、0.10C、0.05H、0.15N。TA2棒通過兩種不同加工工藝最終制得φ8mm×1mm的小口徑TA2管材。第1種工藝為：將鈦棒下料、機(jī)加、擠壓得到φ41mm×φ23mm的管坯，再將經(jīng)過表面處理及酸洗后得到的φ39mm×6.25mm管坯進(jìn)行多道次冷軋至φ8mm×1mm，其中從φ39mm×6.25mm至成品φ8mm×1mm的加工率為95%，冷軋退火間的加工率為45%～65%。第2種工藝為將鈦棒下料、機(jī)加、擠壓得到φ24mm×φ15.5mm的管坯，再將經(jīng)過表面處理及酸洗后得到的φ24mm×4.25mm管坯進(jìn)行多道次冷軋至φ8mm×1mm，其中冷軋從φ24mm×4.25mm至成品φ8mm×1mm的加工率為90%，冷軋退火間的加工率在38%～40%。在軋制過程中根據(jù)退火之間的加工率對兩種管材進(jìn)行相應(yīng)的中間退火處理，最后再對兩種φ8mm×1mm的TA2管材成品在680℃保溫1h進(jìn)行成品退火處理。

對兩種加工工藝制備的φ8mm×1mm的TA2管材分別編號為1#、2#，并對其進(jìn)行性能測試。采用GX51倒置金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察；采用INSTRON1185萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行室溫拉伸性能測試；采用JL-WCS4管棒材超聲波檢測系統(tǒng)對管材缺陷幅值進(jìn)行檢測；采用WA-D600試驗機(jī)對管材進(jìn)行擴(kuò)口、壓扁、彎曲性能測試；采用WT40-7000管材水壓機(jī)進(jìn)行水壓測試。

2、試驗結(jié)果及討論

2.1金相組織

圖1為兩種加工工藝制備的管材冷軋加工態(tài)及退火態(tài)橫斷面金相組織照片。從圖1（a）、（b）中可以看出，兩種工藝得到的冷軋加工態(tài)組織，均未有明顯加工流線。由于軋制使管材變形量非常大，金屬流動充分[11]，對比圖1（a）、（b）可看出，1#管材相較2#管材晶粒破碎更為充分，晶界也更為模糊，這是因為1#管材的加工率為95%，冷軋退火間的加工率在45%～65%，金屬流動性更充分，晶粒破碎也更為均勻，因此晶界相對模糊；2#管材冷軋加工率為90%，冷軋退火間的加工率在38%～40%，低于1#管材，晶界較為清晰，且組織內(nèi)部有條紋狀孿晶組織。

圖1（c）、（d）為兩種工藝管材退火態(tài)金相組織。由圖中可以看出，退火后加工態(tài)組織完全消失，晶粒完全再結(jié)晶并形成組織均勻的等軸晶，其中1#管材晶粒度為9.0級，2#管材晶粒度9.5級，退火后兩者晶粒度略有差異，但差別不大。

2.2室溫拉伸性能

兩種加工工藝制備的TA2管材室溫拉伸性能如圖2所示。從圖中可看出，無論管材是軋制態(tài)還是退火態(tài)，1#管材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均要明顯高于2#管材，伸長率則要低于2#管材的。經(jīng)過680℃退火后，兩者抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均有所降低，伸長率有所增加。計算得出，軋制態(tài)1#管材屈強(qiáng)比為0.92，2#管材屈強(qiáng)比0.90，兩者屈強(qiáng)比差距較小，經(jīng)退火后，1#管材屈強(qiáng)比降為0.73，2#管材屈強(qiáng)比降為0.66，兩者屈強(qiáng)比有一定差距。

分析認(rèn)為，退火前，隨著冷軋變形量的增加，等軸狀的α晶粒受到擠壓，晶粒明顯碎化，位錯密度增加，金屬中的這種高密度位錯纏結(jié)在一起，增加了位錯運動的阻力，使位錯運動困難，需要增加外力來使位錯運動，因此管材抗拉強(qiáng)度增加[12]。由于1#管材加工率及退火之間的加工率均大于2#管材的，軋制后管材加工硬化程度也明顯更高，經(jīng)相同溫度退火，材料組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，消除了部分內(nèi)應(yīng)力，因此抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度有所降低，伸長率升高。同時，2#管材加工硬化程度較低，退火后組織內(nèi)應(yīng)力釋放更加充分，晶粒更為均勻，因此屈強(qiáng)比下降程度較1#管材屈強(qiáng)比下降程度更大。綜合可以看出，適當(dāng)降低TA2管材冷軋加工率，有利于提高管材拉伸性能。

2.3超聲波探傷

圖3為兩種工藝鈦管超聲波探傷后的縱波曲線。對比可看出，2#管材波形曲線較1#管材曲線整體更為平緩，缺陷幅值上下波動也相對較小?？梢缘贸?#鈦管質(zhì)量要明顯優(yōu)于1#管的。分析認(rèn)為，1#管材存在的微小缺陷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于2#管材，這是因為1#管材在軋制過程中隨著加工道次增加，管材加工率也在增大，隨之管材加工硬化程度加深，盡管進(jìn)行了一定溫度的退火處理，但內(nèi)應(yīng)力及一些微小缺陷也無法完全消除，進(jìn)而可能造成管材存在許多肉眼無法觀察到的起皮、針孔、凹坑等缺陷。2#管材雖經(jīng)過多道次軋制后也存在一定加工硬化，但由于其加工率及道次間加工率較小，加工硬化程度較小，通過退火處理后內(nèi)應(yīng)力得到一定的釋放，因此管材質(zhì)量也相對更優(yōu)。

2.4其他力學(xué)性能

管材的其他力學(xué)性能還包括擴(kuò)口、壓扁、彎曲以及水壓測試等。表1為兩種不同工藝管材的其他相關(guān)力學(xué)性能測試結(jié)果。其中管材擴(kuò)口試驗的擴(kuò)口率均為30%，彎曲試驗壓頭尺寸均為4倍外徑尺寸，壓扁率為0.7，水壓測試要求打壓42MPa/5s。在以上相同測試條件下，兩種管材試樣均未發(fā)生開裂和水漏現(xiàn)象。但在壓扁試驗中，1#管材在內(nèi)壁6點（鐘）、12點（鐘）產(chǎn)生開裂，而2#管材未開裂。因此，第2種加工工藝制備的TA2管材較第1種加工工藝制備的管材性能更優(yōu)。

分析認(rèn)為，1#管材在壓扁試驗中內(nèi)壁6點、12點位置開裂，2#管材未開裂。這是因為1#管材冷軋加工率及道次加工率均大于2#管材，加工硬化程度更大，由于幾何學(xué)原因，1#管材在6點、12點位置較2#管材更易產(chǎn)生極高的應(yīng)力，從而導(dǎo)致內(nèi)壁開裂。

3、結(jié)論

（1）采用冷軋加工率90%，冷軋退火間的加工率在38%～40%工藝制得的φ8mm×1mm小口徑TA2管材較冷軋加工率95%，冷軋退火間的加工率在45%～65%工藝制得的同規(guī)格TA2管材的力學(xué)性能更優(yōu)。

（2）采用冷軋加工率90%，冷軋退火間的加工率在38%～40%工藝制得的TA2管退火后的晶粒組織更為均勻，超聲波探傷缺陷幅值波動更為平緩。

（3）在相同退火條件下，適當(dāng)降低TA2鈦管的冷軋加工率，減少管材因軋制而產(chǎn)生的加工硬化，有利于獲得具有良好質(zhì)量的小口徑TA2管。

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