一种冷轧高强钛合金管材织构控制方法

摘要

本发明公开了一种冷轧高强钛合金管织构控制方法，通过在冷轧过程中通过调节整体Q值和等效应变ε

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种冷轧高强钛合金管材织构控制方法。

背景技术

管路系统是航空航天等领域高端装备中起流体传输等重要功效的关键构件，其性能的优劣将直接影响飞行器的安全和适航性能，也被称为航空航天飞行器的“血管类”零件和生命控制线。高强TA18钛合金属于近α型钛合金，具有良好的机械性能、加工工艺塑性、成形性以及耐腐蚀性能，因此该合金管材在飞行器燃油和环控等管路系统中得到了日益广泛的应用。与冷拔、挤压等管材成形工艺相比，二辊皮尔格冷轧过程中管材经历了压应力主导的增量局部加载作用，因此其具有变形量大、尺寸精度高、表面质量好、材料利用率高等优点，是众多管材制备工艺中尤其是对于难变形管材最有效且应用最为广泛的一种制备工艺。

然而，二辊皮尔格冷轧是一个局部加载下多行程和非稳态的复杂过程，材料在轧制过程中经历了复杂的外部加载路径和应力应变状态；且高强TA18钛合金具有密排六方结构，其对称性低和各向异性显著的特点加剧了材料内部晶粒发生择优取向的几率，使管材所呈现的织构更为强烈。而工艺和模具设计稍有不慎会显著影响冷轧过程管材的织构分布，进而导致管材的力学性能以及后续成形和服役性能等产生严重的波动。大量研究表明相比周向织构和轴向织构，径向织构是保证高强钛合金管材优异性能的前提。国内外科研工作者和相关企业基本均采用收缩应变比(CSR)作为管材织构表征和综合性能评价的重要指标，CSR随晶体在径向上的取向分数增大而增大，而过高或过低的CSR都会对管材的性能造成不利的影响，合理的取值范围大致为1.3≤CSR≤2.5。因此，如何控制和优化管材在冷轧过程中形成有利的径向织构以保证成品管具有合理的CSR和优异的综合性能成为亟待解决的问题。

目前，高强钛合金管材冷轧过程织构的控制基本上均是通过调节整体Q值即“相对减壁量与相对减径量的比值”来实现的，整体Q值用Q_total表示。当Q_total>1时成品管材呈现径向织构，当Q_total<1时成品管材呈现周向织构。授权公告号为CN108043885A的发明创造中公开了一种控制钛合金无缝管材织构的温轧加工方法与钛合金管材，该发明通过温轧以及调节Q_total的方法提高了管材的径向织构强度和CSR值，但是该发明在冷轧的基础上增加了管材加热的工序且并没有考虑变形程度和轧制过程应变路径对织构的影响。上述方法中整体Q值只能表征管材的变形模式，并不能全面反映其变形程度以及管材在轧制过程中的三维空间不均匀变形和流动特征，而诸如管材的变形量和轧制过程中变形量的分配等都可能会显著影响轧制过程中的织构演变。因此，通过单一的调节Qtotal并不能准确高效地实现高强钛合金管冷轧过程中的织构控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有织构控制方法中工艺设计指标单一，成品管材CSR值及性能波动严重的问题，提出了一种有效控制高强钛合金管二辊皮尔格冷轧过程中织构分布的方法，旨在获得具有合理CSR和优良性能的高强钛合金管材，且本方法无需增加额外工序，易于实施，具有广阔的应用前景。

本发明的采用的技术方案主要包括：首先通过优化道次轧制规格设计同时调节冷轧过程整体变形量和变形模式来实现对管材织构的整体调控，其次通过模具优化设计调节轧制过程中管材的应变路径来实现对管材织构的细微调控。

其中，所述的整体调控过程中管材整体的变形量采用等效应变ε_e来进行表征，管材的整体变形模式采用Q_total即整体Q值来进行表征。

具体的，所述冷轧过程中冷轧坯料选用热挤压态管坯，挤压管坯采用真空再结晶退火处理，退火温度为750℃。

进一步地，所述冷轧过程中冷轧道次采用6～8个道次，每道次中间对管材进行真空再结晶退火处理，退火温度为750℃。

优选的，所述道次轧制规格优化设计时，轧制全过程等效应变εe的范围应控制在1.6～3.8之间，每道次轧制中Q_total的范围应控制在1.3～2.4之间。研究表明，上述等效应变ε_e和Q_total的控制范围可以保证成品管具有有利的径向织构强度且CSR处于合理范围之内。

优选的，所述Q_total和ε_e的控制范围内，改进道次规格设计以增大Q_total和ε_e可以进一步提高管材径向织构强度和CSR值。

进一步地，管材织构的细微调控是通过改变应变路径即改变瞬时Q值或应变比α来进行调控的，其中瞬时Q值即Q_transient。

优选的，所述模具优化设计时，应使轧制过程中管材Q_transient和应变比α分别控制在Q_transient>1和0°<α<60°的范围之内。

优选的，所述模具优化设计时，通过优化孔型设计参数中最基本的孔型指数和孔型间隙指数实现对Q_transient和应变比α的调节，孔型指数E₁优选取值为2.8，孔型间隙指数E₂优选取值为2。

进一步地，轧制完成后最终管材进行真空去应力退火，退火温度为550℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.相比传统的通过单一的调节Q_total来控制冷轧高强钛合金管材织构的方法，本发明通过采用整体Q值、等效应变ε_e、瞬时Q值和应变比α来分别表征管材冷轧过程的总体变形模式、总变形程度和变形分配并作为织构调控指标，可以更为全面地反映管材在轧制过程中的三维空间不均匀变形和流动特征。

2.提出通过优化道次规格设计和模具设计进行织构的整体调控和细微调控，保证上述调控指标处于最佳的范围，可以实现更为高效和精确地实现冷轧过程中高强钛合金管织构和性能的调控。

3.本发明针对现有冷轧过程的工艺和模具设计进行优化，无需增加额外工序，易于实施且应用前景广阔。

附图说明

图1为不同轧制方案下获得的管材织构分布图；

图2为不同模具设计参数条件下应变路径对比图；

图3为不同模具设计参数条件下获得的管材织构分布图；

图4为本发明实例3得到的成品管材CSR值测量结果。

具体实施方式

本发明各实施例中采用的管材均为TA18高强钛合金管材，管材成形工艺均采用二辊皮尔格冷轧工艺。

实施例1

本实施例为基于数值模拟的不同道次轧制规格设计方案下管材织构和CSR值的对比，具体实施过程包括以下步骤：

第一步，基于ABAQUS有限元软件和粘塑性自洽模型(VPSC模型)，结合实际轧制条件建立二辊皮尔格冷轧TA18钛合金管宏细观数值预测平台，用于轧制过程宏观变形行为及细观织构演变的精确模拟和预测；

第二步，设计不同的道次轧制方案，道次规格设计方案及相对应的Q_total和ε_e如表1所示，轧制方案一采用6个道次，其总的等效应变ε_e为3.58，且每道次轧制的Q_total基本均大于1.3，轧制方案二采用4个道次，总的等效应变ε_e为2.21，但每道次轧制的Q_total基本都在1到1.3的范围之间；

第三步，通过建立的数值预测平台对不同道次规格设计下的轧制过程进行模拟，管材织构采用极图表示，结果如图1所示，图1中(a)为轧制方案一和(b)为轧制方案二，不同织构管材对应CSR值见表1。

表1道次轧制规格设计方案

结合表1和图1可以看出，采用本发明提出的ε_e和Q_total的控制范围设计的道次轧制方案得到的成品管织构强度要明显增大，且CSR值大于2，从而可以有效保证管材具有良好的综合性能。

实施例2

本实施例为基于数值模拟的不同模具设计参数下管材织构和CSR值的数值模拟对比，具体实施过程包括以下步骤：

第一步，数值模拟采用实施例1中所建立的二辊皮尔格冷轧TA18钛合金管宏细观数值预测平台，模拟轧制规格选取Φ32×3mm→Φ17.48×1.07mm；

第二步，选取不同的孔型指数和孔型间隙指数进行模具设计，孔型指数和孔型间隙指数选取方案如表2所示；

第三步，通过数值模拟获得模具设计对Q_transient和α的影响规律如图2所示，不同模具设计参数下管材织构如图3所示。

表2模具设计参数选取方案

图2为不同模具设计参数条件下应变路径对比图，其中(a)为不同E₁条件下的Q_transient对比，(b)为不同E₂条件下的Q_transient对比，(c)为不同E₁条件下的对比，(d)为不同E2条件下的对比。从图2中可以看出，当孔型指数E₁和孔型间隙指数E₂分别取2.8和2时，轧制过程最快进入以管材减壁变形为主导的变形阶段，且在进入稳定减径减壁阶段变形后Q_transient和α的数值相比其他参数设置是最大的，这也说明在改参数条件下管材在轧制过程中的减壁变形是最明显的，如图3所示，其中图3(a)为不同E₁条件下的织构对比，(b)为不同E₂条件下的织构对比。从图3可以看出当E₁和E₂分别取2.8和2时，轧后管材织构强度相比其他参数设置下获得的管材织构强度是最高的，这也会使管材具有较高的CSR值。

实施例3

本实施例以规格为Φ12×0.9mm的高强TA18钛合金管为目标对象，进行冷轧试验并测量成品CSR值，具体实施过程包括以下步骤：

第一步，采用表1中轧制方案一进行6个道次的二辊皮尔格冷轧加工，每道次模具设计时孔型指数E₁和孔型间隙指数E₂分别选取2.8和2.0，每道次轧制中间对管材进行750℃真空再结晶退火，最终道次轧制后管材进行550℃真空去应力退火；

第二步，对成品管材通过单轴拉伸试验结合三维数字相关(DIC)视屏应变测量系统测量获得其CSR值，测量结果如图4所示，TA18钛合金管的CSR值选取均匀塑性变形3.75％的应变测量其CSR值，检测结果表明采用本发明提出的控制方法获得的高强TA18钛合金管CSR可达到2.1以上。