發布日期：2025-12-29 9:25:48
引言
隨著航空航天、石油化工、海洋艦船、海水淡化、核電工業等特殊行業及復雜環境對換熱器提出的耐腐蝕及高效換熱等要求 [1], 工業純鈦作為典型的 α 型鈦，因具有較高的強塑性匹配及耐蝕特性，已成為理想的管束類結構材料。但在實際應用中，換熱管服役一段時間后發生泄漏甚至失效的事故時有報道 [2-3], 主要因為TA2無縫管存在高溫性能差、尺寸精度差、加工難度大等缺點。李曉煜等 [4] 研究了變形量及退火溫度對純鈦管微觀組織形貌、織構演變及力學性能的影響，得出小變形量純鈦冷軋管內部存在大量孿晶，主要以壓縮孿晶和拉伸孿晶為主；增大變形量，純鈦冷軋管晶粒變形嚴重，孿晶數量減少且以壓縮孿晶為主。張凱悅等 [5] 研究了兩種加工工藝制備的TA2管材金相組織、室溫拉伸性能、超聲波探傷及其他工藝性能，認為采用冷軋加工率 90%、冷軋退火間加工率在 38%~40% 軋制TA2管材較冷軋加工率 95%、冷軋退火間加工率在 45%~65% 工藝軋制時超聲波探傷缺陷幅值波動更小，工藝性能更優，管材內外表面質量更好。董博文等 [6] 研究了不同總壓下率和初軋溫度下軋制力以及軋制力矩的變化規律，認為TA2管材在穩定區的縱連軋軋制力和軋制力矩均與總壓下率呈正相關，與初軋溫度呈負相關，并且軋制力和軋制力矩的變化趨勢完全相同。王占瑞等 [7] 研究了管坯在擠軋成形工藝中的變形過程，得出管坯的徑向應變、周向應變以及軸向應變在擠軋變形區內呈明顯三角分布。為提升TA2無縫管的綜合性能和使用安全性，采用不同軋制工藝進行對比試驗，研究不同冷軋工藝和熱處理制度對TA2無縫管尺寸精度、組織結構、力學性能的影響。
1、試驗
1.1 試驗材料
試驗用管坯規格椎 88 mm×8.0 mm, 化學成分 (表 1) 滿足 ASME SB 338-2017《冷凝器和熱交換器用無縫及焊接鈦與鈦合金管》要求。
表 1 椎 88 mm×8.0 mm 鈦無縫管坯化學成分 (質量分數)%
| 項目 | Fe | C | N | H | O | Ti |
| 實測值 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | 0.001 | 0.05 | 余量 |
| ASME SB 338 要求值 | ≤0.30 | ≤0.08 | ≤0.03 | ≤0.015 | ≤0.25 | 余量 |
1.2 試驗方案
將試驗用TA2管坯分別進行兩道次和三道次軋制，總變形量為 70%。兩種軋制方式分別是:①椎 88 mm×8.0 mm→椎 45 mm×6.0 mm→椎 19 mm×1.4 mm;②椎 88×8.0 mm→椎 60 mm×5.0 mm→椎 41 mm×3.5 mm→椎 19 mm×1.4 mm。各道次間采用 550℃真脹嘶穡Ｎ� 4 h, 冷卻方式是爐冷至 300℃后空冷至室溫。軋制結束后截取 1000 mm 硬態樣管，在 480℃進行成品真空熱處理，保溫 4 h, 冷卻方式是爐冷至 300℃后空冷至室溫。采用六通道超聲波測厚儀測量樣管外徑和壁厚，采用 OLYMPUS-GX71 型倒置金相顯微鏡觀察樣管金相組織，采用 CMT5105 型拉力試驗機檢測樣管力學性能，選擇最佳軋制工藝。此外，將硬態樣管椎 19 mm×1.4 mm 分別在 510、540、570℃進行真空熱處理，保溫 4 h, 冷卻方式是爐冷至 300℃后空冷至室溫，通過檢測管材拉伸性能和顯微組織，擇優選擇最佳熱處理溫度。
表 2TA2無縫管的兩種軋制工藝試驗參數
| 管材 | 軋制道次 | 軋制后鋼管規格 /mm | 道次間變形量 /% | 總變形量 /% |
| 工藝 1 | 一 | 椎 45×6.0 | 63.4 | 63.4 |
| 二 | 椎 19×1.4 | 89.5 | 96.2 | |
| 工藝 2 | 一 | 椎 60×5.0 | 57.0 | 57.0 |
| 二 | 椎 41×3.5 | 52.3 | 79.5 | |
| 三 | 椎 19×1.4 | 81.2 | 96.2 |
2 結果與討論
分析不同軋制工藝制得的椎 19 mm×1.4 mm 規格TA2無縫管的尺寸偏差和拉伸性能、顯微組織，以及不同熱處理溫度時TA2無縫管的力學性能和顯微組織。
2.1 不同軋制工藝時的尺寸偏差和拉伸性能
采用六通道超聲波測厚儀檢測椎 19 mm×1.4 mm 規格TA2無縫管的外徑和壁厚，并運用 Minitab 軟件繪制外徑和壁厚單值控制圖，具體如圖 3 所示，采用 CMT5105 型拉力試驗機測試力學性能。不同軋制工藝制得TA2無縫管的尺寸偏差和拉伸性能見表 3。由表 3 可知：采用第 2 種軋制工藝制得鈦無縫管的外徑和壁厚偏差較小，尺寸均勻性好，管材塑性較好、強度較低；采用第 1 種軋制工藝制得鈦無縫管的外徑和壁厚偏差較大，尺寸均勻性較差，同時管材塑性較差、強度較高。推斷這與軋制工藝變形量有關。
表 3TA2無縫管的尺寸偏差和拉伸性能
| 項目 | 外徑偏差 /mm | 壁厚偏差 /mm | 抗拉強度 Rm/MPa | 屈服強度 Rp0.2/MPa | 延伸率 A50/% |
| 工藝 1 | 0.0139 | 0.0065 | 552 | 415 | 35 |
| 工藝 2 | 0.0095 | 0.0027 | 547 | 418 | 37 |
2.2 不同軋制工藝時的顯微組織
不同軋制工藝制得TA2無縫管的顯微組織如圖 4 所示。由圖 4 可知，采用不同軋制工藝時，各道次樣管顯微組織不同。TA2 無縫管經二輥冷軋后發生塑性變形，軋輥孔型決定樣管外徑值，芯棒決定樣管內徑值，壁厚由軋輥孔型和芯棒共同決定。軋制時減徑和減壁同時進行，因為這兩個階段變形區金屬變形方向不同導致顯微組織不均勻 [8]。隨著道次變形量增大，晶粒沿軋制方向被拉成扁平狀，位錯密度迅速增加，并在金屬中呈不均勻分布。位錯隨著變形量的增大，沿變形方向伸長，并且數量增多，尺寸減小 [9]。管材軋制完成后對其進行真空退火處理，此時晶粒會發生回復、再結晶和晶粒長大。再結晶驅動力是管材變形前后畸變能之差，阻力來自界面能 [10], 變形程度不高區域畸變能較低，其再結晶時形核數目較少，晶粒長大明顯。
管坯原始組織為鑄態組織 (圖 4a)。采用工藝 1 進行第一道次軋制時，金屬沿軋制方向流動，組織開始呈束狀聚集 (圖 4b), 可以觀察到帶條狀組織；第二道次軋制時，因道次間變形量顯著增大，金屬塑性流動加劇，形變強化增強明顯，金屬內部累積較多應力，晶粒內部儲存畸變能增加，最終組織主要為 α 相 (圖 4c), 但等軸化程度較低，宏觀表現為強度高、塑性低，間接導致尺寸偏差較大。
采用工藝 2 進行第一道次軋制時，比工藝 1 道次間變形量下降，金屬塑性流動相對均勻，小變形量的軋制使金屬組織流動呈束狀，可以觀察到組織與原始鑄態組織接近 (圖 4d); 同理，第二道次軋制，金屬組織繼續呈束狀流動，但因累積變形量增加，組織開始出現少許條狀 (圖 4e); 第三道次軋制時，晶粒分布相對均勻，主要以 α 相為主，并且呈現等軸化。這是因為與工藝 1 相比，工藝 2 成品軋制道次間變形量減小，金屬組織塑性流動相對均勻，晶粒內部累積應力減少，位錯密度降低，晶粒內部儲存畸變能減少，宏觀表現為塑性好、強度低，并且尺寸偏差減小，這與表 3 數據基本一致。管材塑性決定冷加工性能，塑性越高、管材加工越容易變形。結合尺寸偏差和拉伸性能，擇優采用工藝 2 進行熱處理溫度研究。
2.3 不同熱處理溫度時的力學性能
采用工藝 2 制得的椎 19 mm×1.4 mm 規格TA2樣管，分別在 510、540、570℃進行真空熱處理，保溫 4 h, 爐冷至 300℃后空冷至室溫。不同熱處理溫度制得TA2無縫管的拉伸性能見表 4。由表 4 可知，隨著熱處理溫度升高，TA2 無縫管的強度呈先降后升趨勢，延伸率呈先升后降趨勢；在 540℃退火時，TA2 無縫管的抗拉強度和屈服強度最低，延伸率最高，此時綜合性能最佳，推斷拉伸性能的差別與不同熱處理溫度時晶粒形核長大狀態有關。
表 4 不同熱處理溫度制得TA2樣管的拉伸性能
| 熱處理溫度 /℃ | 抗拉強度 Rm/MPa | 屈服強度 Rp0.2/MPa | 延伸率 A50/% |
| 480 | 547 | 418 | 37 |
| 510 | 536 | 410 | 39 |
| 540 | 528 | 403 | 41 |
| 570 | 532 | 397 | 38 |
2.4 不同熱處理溫度時的顯微組織
不同熱處理溫度制得TA2無縫管的顯微組織如圖 5 所示。退火過程中金屬組織變化主要分為靜態再結晶和晶粒長大過程，在這兩個過程中，溫度是影響靜態再結晶和晶粒長大動力學最重要因素之一，而晶粒尺寸變化會導致金屬材料強度變化 [11]。根據霍爾 - 佩奇 (Hall-Petch) 公式可知，晶粒尺寸越小，屈服強度越高，這可用位錯移動難易觀點來說明 [12]: 晶界是位錯運動的障礙，晶粒越小，晶界就越多，位錯滑移或攀移就越困難，缺陷得不到消除，殘余應力會一直存在，金屬屈服強度就越大。
由圖 5 可知，隨著熱處理溫度升高，等軸組織所占比例逐漸增大，組織演變順序為晶粒完成了再結晶但未長大 (圖 5b)、再結晶完成并有一定程度的長大 (圖 5c) 以及晶粒明顯粗化 (圖 5d), 并且在不同溫度下退火都有一定量的孿晶現象，這是因為隨著熱處理溫度升高，管材靜態再結晶程度逐步升高，在畸變能較高部位首先出現細小晶核，晶核逐漸長大并呈等軸化，形成大角度晶界，金屬內部因冷加工變形殘留的各種缺陷隨著再結晶過程完成而逐漸消失，管材塑性得到恢復，因此管材抗拉強度和屈服強度降低，延伸率升高。熱處理溫度為 540℃時，晶粒最大，等軸組織相對均勻，此時管材塑性最好、強度最低。熱處理溫度為 570℃時，晶粒開始有較多 β 相析出，β 相的析出致使組織等軸化程度降低，伴隨有位錯出現，此時管材塑性降低、強度增加。這與表 4 中拉伸性能數據基本一致。塑性對管材工藝性能和冷加工變形具有重要影響，因此熱處理溫度為 540℃時管材綜合性能最佳。
3、結論
(1) 隨著道次變形量增大，晶粒沿軋制方向被拉成扁平狀，位錯密度迅速增加，并在金屬中呈不均勻分布。軋制工藝 2 的道次間變形量相對工藝 1 小，因此制得椎 19 mm×1.4 mmTA2無縫管的外徑和壁厚偏差較小。
(2) 道次間變形量增大，形變強化增強明顯，金屬內部累積較多應力，晶粒內部儲存畸變能，宏觀表現為強度增加、塑性降低。軋制工藝 2 的道次間變形量相對工藝 1 小，制得椎 19 mm×1.4 mmTA2無縫管的綜合性能好，延伸率最高為 37%, 抗拉強度最小為 547 MPa, 屈服強度最小為 418 MPa, 此時道次間變形量依次為 57.0%、52.3%、81.2%。
(3) 熱處理過程中TA2無縫管的組織演變順序為再結晶→晶粒長大→晶粒粗化 (大角度晶界)→第二相析出 (β 相), 晶粒尺寸越小，屈服強度越高。隨著熱處理溫度增加，晶粒逐漸長大，宏觀表現為塑性提升、強度降低。因此熱處理溫度為 540℃時，TA2 無縫管的組織最為均勻，等軸化程度最高，延伸率最高為 41%, 抗拉強度為 528 MPa, 屈服強度為 403 MPa。
參考文獻
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(收稿日期：2025-03-21; 修定日期：2025-04-08)
（注，原文標題：冷軋和熱處理工藝對TA2無縫管組織和性能的影響）