利用中鈦青鍛260MN、680MN壓機機組在850℃、870℃、950℃、1000℃四種擠壓溫度下制備大口徑TA2管材，分析不同擠壓溫度下TA2管材的力學性能和金相組織。研究結果表明：不同擠壓溫度下管材頭部、中部、尾部力學性能和金相組織具有較好的均勻性；擠壓溫度在TA2相轉變溫度以下時管材得到等軸組織且晶粒細化效果明顯；擠壓溫度在TA2相轉變溫度以上時晶粒得到破碎，但是晶粒發生動態再結晶長大。因此，推薦在TA2相轉變溫度以下40～60℃擠壓TA2大口徑管材，可以獲得較好的室溫力學性能和金相組織。

TA2工業純鈦因其優異的耐腐蝕性能、力學性能和焊接性能，廣泛應用于航空航天、船舶、化工、海洋工程等領域。鈦材料熱導率低，在擠壓過程中坯料表面與心部產生極大溫差，當擠壓溫度為400℃時，溫差可達200～250℃，此外，鈦材料在塑性變形過程中會產生大量的變形熱，以上特點導致鈦合金管材擠壓過程中容易產生組織不均勻和表面拉裂等缺陷。因此，研究擠壓溫度對TA2大口徑管材組織和力學性能的影響非常必要。

大口徑鈦合金管材，均采用熱擠壓法生產，工藝流程相對成熟，關鍵在于是否擁有大型擠壓機。本文利用中鈦青鍛680MN、260MN壓機機組就擠壓溫度對TA2大口徑擠壓管材的組織和性能的影響進行研究，并成功生產出世界最大的φ700mm管材。

試驗過程

試驗材料

試驗原料為沈陽中鈦裝備制造有限公司真空自耗電弧爐熔煉的工業純鈦TA2，化學成分如表1所示，符合GB/T 3620.1-2016標準要求，測定β相轉變溫度為904.6℃。

表1 TA2的化學成分(%)

鑄錠在β相區進行開坯和多次鐓拔，充分破碎粗大的鑄態晶粒，得到擠壓錠坯，其顯微組織如圖1所示。由圖可知，鑄錠經過多次鐓拔后晶粒分布不均勻，大部分晶粒形貌呈鋸齒狀且晶粒粗大，晶粒尺寸達到150～300μm，這是由于鐓拔過程中材料變形不均勻；同時，材料中出現了少量等軸晶，這是由于鐓拔溫度達到了TA2的動態再結晶溫度，產生了動態再結晶晶粒。此外，材料在多次鐓拔過程中產生了少量孿晶。

圖1 TA2原始組織組織形貌

管材擠壓工藝

管材擠壓設備為青海中鈦青鍛裝備制造有限公司260MN制坯機和680MN擠壓機。生產工藝為加熱→潤滑→制坯→機械加工→包套→加熱→潤滑→擠壓→冷卻→熱處理→取樣→機械加工→無損檢測→包裝入庫。擠壓工藝參數如表2所示，對擠壓后荒管(圖2)進行650℃退火處理。

表2 TA2大口徑管材擠壓工藝

圖2 TA2大口徑管材

組織與性能檢測

大口徑管材頭尾切除15～200mm后，制取拉伸試樣和金相試樣，在光學顯微鏡和拉伸機上進行組織觀察和力學性能測試。

結果與討論

擠壓溫度對管材組織的影響

圖3所示為大口徑TA2管材在不同擠壓溫度下的金相組織。由圖3(a)可知，擠壓溫度為850℃時，大口徑管材組織類型為等軸組織，晶粒分布較為均勻，平均晶粒尺寸為35～55μm。由圖3(b)可知，擠壓溫度為870℃時，大口徑管材組織類型仍為等軸組織，部分晶粒形貌呈現橢圓形或長條形，平均晶粒尺寸為60～80μm，由于擠壓變形大，成形過程中產生大量的變形熱，金屬擠壓過程中荒管實際溫度接近TA2相轉變溫度，因此組織中有少量β組織存在。由圖3(c)可知，擠壓溫度為950℃時，變形溫度高于TA2相轉變溫度，β組織較為粗大，α相呈現扁平條狀和針狀，尺寸約150～250μm，組織為過熱組織。

圖3 不同擠壓溫度下管材組織

通過對比圖1和圖3(a)可知，當擠壓溫度低于TA2相轉變溫度時，擠壓變形能夠充分破碎晶粒，改善微觀組織，顯著減小晶粒尺寸。通過對比圖2和圖3(c)可知，當擠壓溫度高于TA2相轉變溫度時，在大變形條件下，晶粒得到了有效的破碎，但是變形過程中存在相的轉變和晶粒的動態再結晶長大，晶粒形貌發生了明顯的改變，但晶粒尺寸沒有明顯細化。

通過對比圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)可知，擠壓溫度對TA2大口徑管材晶粒和組織有著明顯影響：當擠壓溫度低于TA2相轉變溫度時，擠壓溫度越低，晶粒破碎越充分；當擠壓溫度高于TA2相轉變溫度時，擠壓過程能夠破碎晶粒，改變組織和形貌，但細化晶粒效果并不明顯。

擠壓溫度對管材力學性能的影響

退火態TA2大口徑管材頭部、中部和尾部的力學性能如表3所示。

表3 不同擠壓溫度下TA2大口徑管材力學性能

從表3可知，大口徑TA2管材室溫力學性能較好，均到達GB/T 26058-2010標準要求，管材頭部、中部和尾部基本保持在同一水平，具有較好的穩定性。王懷柳在《淺析工藝參數對TA2擠壓管材質量的影響》中的研究顯示：TA2在880℃擠壓時，抗拉強度為465MPa，屈服強度為320MPa，本文所得到的力學性能均優于其研究結果。

從圖4可知，擠壓溫度對于管材的抗拉強度、斷后延伸率和斷面收縮率影響較小，然而擠壓溫度對管材的屈服強度產生了明顯影響，具體來說：TA2的相轉變溫度對管材的屈服強度產生了明顯影響，TA2相轉變溫度以下和TA2相轉變溫度以上管材屈服強度均有較好的穩定性，其原因為TA2晶體結構由密排六方結構轉變為體心立方結構。

圖4 不同溫度下各部位管材力學性能

結束語

⑴利用260MN、680MN壓機機組對TA2大口徑管材進行熱擠壓，在TA2相轉變溫度以下，晶粒得到了明顯細化，在TA2相轉變溫度以上，晶粒雖然得到破碎，晶粒形貌發生了變化，但晶粒尺寸沒有明顯細化。

⑵采用熱擠壓工藝生產的大口徑TA2管材頭部、中部、尾部力學性能具有較好的穩定性和均勻性。

⑶TA2相的轉變溫度對大口徑管材的組織和性能產生了較為明顯的影響。