TC4鈦合金是20世紀(jì)40年代初期研制成功的一種中等強(qiáng)度的α+β型鈦合金，具有優(yōu)良的綜合性能，譽(yù)稱萬(wàn)能合金，是最早最廣泛用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的通用鈦合金，包括板材、棒材和鍛鑄件等，主要用于制作飛機(jī)結(jié)構(gòu)中梁、接頭和隔框等中等承力構(gòu)件及緊固件、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤及葉片等。鈦合金抗蝕性能優(yōu)異，密度小，疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，在航空、航天、汽車、造船、能源等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。鈦的優(yōu)良耐蝕性及良好的比強(qiáng)度，使鈦管比其他傳統(tǒng)金屬材料管件制作的產(chǎn)品更薄，換熱效果更好。我國(guó)幅員廣闊，南北溫差大，最低溫度曾達(dá)到－52.3℃。在低溫環(huán)境及介質(zhì)條件下，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)可能會(huì)有所改變，并引起材料的力學(xué)、物理性能的變化。如果TC4鈦合金在低溫環(huán)境中發(fā)生了影響材料性能的微觀組織變化，將對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行壽命和飛機(jī)的飛行安全造成極大的影響。因此了解TC4鈦合金在低溫環(huán)境條件下的力學(xué)和物理特性及微觀組織變化，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)件的安全使用至關(guān)重要。
實(shí)驗(yàn)選用的Ti-6Al-4V鈦合金管的原始組織由93.86%的等軸α相和6.14%的β相組成，平均晶粒尺寸為1.3μm±0.7μm。室溫拉伸測(cè)試結(jié)果顯示，其各向異性較大，與軋制方向呈45°方向時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度最低，延伸率較高，且當(dāng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，試樣會(huì)很快發(fā)生斷裂。成形極限測(cè)試試驗(yàn)在裝有半球狀沖頭的設(shè)備上完成，半球沖頭的直徑為60mm。采用裝有4個(gè)先進(jìn)CCD相機(jī)的光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)來(lái)記錄每個(gè)試樣完整的變形過(guò)程。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的試樣形狀來(lái)測(cè)試不同應(yīng)變路徑的變形行為。通過(guò)對(duì)合金的顯微組織、相組成以及拉伸性能曲線的分析，科研人員研究了243K低溫下TC4鈦合金的拉伸行為。研究結(jié)果表明:243K低溫環(huán)境下TC4鈦合金的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所提高，但延伸率有一定程度的下降；合金的顯微結(jié)構(gòu)在光學(xué)顯微尺度上沒(méi)有明顯變化，但α固溶體的取向性變小。
采用不同變形量開(kāi)坯方式，分別經(jīng)兩道次和三道次軋制將管坯軋制成總變形量為70%的管材。在道次間進(jìn)行800℃×1h真空退火，冷卻方法為爐冷至500℃后空冷至室溫，觀察其組織性能變化。得出的結(jié)論是：在小變形量開(kāi)坯情況下，壁厚偏差小，表面粗糙度逐步減少；大變形量開(kāi)坯，壁厚偏差大，會(huì)影響到后續(xù)道次軋制所得管材的壁厚偏差?？傋冃瘟肯嗤那闆r下，軋制道次越多，管材的伸長(zhǎng)率、硬度越大，強(qiáng)度越高。綜合性能好。大變形量軋制時(shí)材料的流動(dòng)呈條帶狀，小變形量軋制時(shí)材料的流動(dòng)呈束狀，在道次間熱處理?xiàng)l件和后續(xù)軋制工藝相同的情況下，大變形量開(kāi)坯所得管材組織畸變更加嚴(yán)重。小變形量開(kāi)坯對(duì)管材的各向異性作用不大；多道次軋制中力學(xué)性能的各向異性存在一定波動(dòng)。
TC4鈦合金是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一，它的強(qiáng)度高，耐蝕性好，但目前國(guó)內(nèi)外無(wú)縫鈦管市場(chǎng)上很難見(jiàn)到TC4材質(zhì)的無(wú)縫鈦管。TC4鈦材主要以板材為主，市場(chǎng)上的TC4管材以熱擠壓或斜穿孔等方法生產(chǎn)的高強(qiáng)度厚壁管為主，寶雞有色金屬加工廠的羊玉蘭等人研究溫軋方法制造TC4鈦合金軋制產(chǎn)品，該溫軋工藝需要對(duì)傳統(tǒng)軋輥進(jìn)行改進(jìn)，即在軋管機(jī)上安裝感應(yīng)加熱裝置，這種加工設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝繁瑣、生產(chǎn)成本高。造成目前這種現(xiàn)狀的主要原因是TC4鈦合金的強(qiáng)度高，冷軋成形難度大。為解決TC4無(wú)縫管冷軋成形的關(guān)鍵技術(shù)，校企聯(lián)合進(jìn)行了系列研究。如采用直接冷軋成形工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度鈦合金管材，不僅大大降低生產(chǎn)成本，同時(shí)可滿足對(duì)鈦合金高性能應(yīng)用場(chǎng)合的要求。
