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[摘 要]研究了CT20低温钛合金管材的加工工艺及冷轧变形量、退火温度对管材力学性能的影响。结果表明：CT20合金对加工硬化不敏感，冷轧最大变形量应控制在45%以内；CT20合金管材通过不同温度热处理所获得的等轴、双态和片状组织的室温力学性能差别不大；20K低温下由于孪生变形的发生，片状组织的塑性最好，双态组织则介于片状和等轴组织之间；管材为等轴和双态组织时，冷成型性能优异；对管材进行+两相区910℃×1h，FC的热处理，可获得综合性能优良的双态组织。
[关键词]CT20；管材；加工工艺
中图分类号：TG166.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0008-01
1 前言
钛合金具有良好的低温力学性能，广泛应用于航天领域。目前国际上用于制作火箭发动机中处于低温环境的压力容器及涡轮泵等部件的钛合金有Ti-l5Al4VELI和Ti-5A1.2.5SnELI合金，但其工艺性能和冷成型性能较差，严重制约了其使用范围。CT20（Ti—A1一Zr-Mo系）是一种新型近0f低温钛合金，其+卢相变点为920oC，室温下拉伸强度I>600MPa，屈服强度orDo.2I>500MPa，延伸率A≥16%，冲击功OdK≥100J/am；20K低温下，其强度较室温提高一倍，塑性仍能保持在10%以上。由于冷变形性能良好，可将该合金冷加工成管材，有效的拓展了其应用范围。
目前采用该合金制备的管材已应用于某航天发动机液氢管路系统中。实际生产制备过程中合金管材存在力学性能与冷弯曲性能不稳定的现象，因此本研究从CT20合金管坯制备工艺、冷轧变形量（20%-50%）、热处理等方面入手，制备CT20钛合金管材，并对管材的加工工艺和力学性能进行系统研究，以加工工艺和热处理来控制管材的显微组织，使其力学性能和冷弯性能良好并保持批次之间的稳定性。
2 实验材料和方法
采用零级小颗粒海绵钛、原子能级海绵锆、纯铝以及A1.Mo中间合金等原料，通过两次真空自耗电弧熔炼成铸锭。熔炼过程中，确保真空度小于10-2Pa，以降低铸锭中的氧含量。铸锭杂质成分（质量分数）为C0.01%，N0.013%，00.06%，H0.001%，Fe0.O1%，达到了超低间隙级。铸锭经锻造，采用外扒皮、内钻孔的方法机加工成挤压管坯，并经挤压和冷轧（变形量20%～50%）的方式制备成品管材。
对冷轧管材取样进行了3种制度的热处理：工艺A，再结晶温度区进行780℃×1h+FC处理；工艺B，OL+两相区进行910oC×1h+FC处理；工艺C，相变点以上进行925oC×1h+FC处理。用金相显微镜对热处理后的样品进行微观组织观察。
对不同变形量的冷轧管材和热处理后的管材，依据GB/T228“金属材料室温拉伸试验方法”，在In—stron万能拉伸实验机上进行室温拉伸实验；依据GB/T13239“金属材料低温拉伸试验方法”，以液氦为制冷剂，在国产WD-10A材料试验机上进行20K低温拉伸实验。
3 结果与讨论
3.1 C120合金管材的挤压与轧制
表1为CT20合金热轧板材和与其室温强度相当的Ti.3AI-2.5V合金板材的高温拉伸性能（同一温度下对2组试样进行测试）。
由表1可知，在750，800，850oC测试温度下，CT20合金的屈服强度较Ti-3A1—2.5V合金分别高出23.5，10.5，6.5MPa。Ti-3A1-2.5V合金的管坯挤压温度为750℃时屈服强度在40～47MPa之间，CT20合金板材在800℃时屈服强度与之相当。由于挤压管坯采用铜包套保护，钛与铜的共析转变温度为870℃，因此CT20合金的挤压温度应选择在800～850℃之间。
在冷轧过程中，考虑到CT20合金管材中缺陷的去除和成品管材的尺寸公差控制，挤压管坯经刮管、镗孔后，先通过两辊轧机进行大变形量的轧制，以平整管坯的内外表面，消除管坯挤压时由于挤压针偏心等因素造成的壁厚不均匀。经二次刮管（去除外表面缺陷）、镗孔（消除内表面细小龟裂纹和表面应力）及去应力真空退火后，再经小变形量轧制获得成品管材。采用此工艺制得的管材，其内外表面基本无缺陷，尺寸公差符合技术要求。
3.2 变形量对管材力学性能的影响
不同的冷加工变形量下CT20管材的室温力学性能，会随着变形量由23%增大到45%，管材的抗拉强度增加约9%，延伸率则降低21%，表明在CT20合金内发生了一定程度的加工硬化。当变形量继续增大到47%时，管材的强度趋于稳定，延伸率下降了10%。最终，在更大的变形量（50%）时管子端部出现开裂。因此，CT20合金管材的冷轧最大变形量应控制在45%以下。变形量在30%时，冷轧管材的综合性能较好。
管材轧制过程中变形程度、Q值的变化严重影响管材轧制质量和工艺性能。管材冷轧过程中产生的裂纹是影响管材超声波检验合格率的主要因素，用超声波检验合格率来衡量轧制质量最为直观。Q值小于等于1.4时冷轧管材超声波检验合格率相对较高，Q值大于1.4时冷轧管材超声波检验合格率相对较低，主要是因为Q值1.08～1.4时，虽然变形程度较大，但是管材壁厚、外径变形量匹配较为合理，不易产生轧制裂纹等缺陷，超声波检验合格率较高；变形程度在30～45%，管材超声波检验合格率相对稳定。
当Q值小于1.5时，随着Q值的增大，管材的抗拉强度、屈服强度也随之增大，塑性降低；Q值为1.5时，管材抗拉强度、屈服强度达到最大值；Q值大于1.5时，随着Q值得增大，管材抗拉强度、屈服强度有所降低、塑性有所提高。试验证明变形程度ε=30-45%，Q值1.1～1.5，管材轧制超声合格率较高，室温力学性能稳定。实际工作中应根据成品管材规格、设备能力及各项性能匹配等因素选择较为合理的变形工艺参数。
3.3 管坯处理方法对超声合格率的影响
在管材轧制中间道次适当加入外表面抛光、内表面喷砂处理工艺，喷砂后进行流动酸洗，可将轧制过程产生的细小裂纹、粘结、折皱、压坑等缺陷消除，从而提高超声合格率。结果表明，经过管坯处理后，超声合格率较管坯未处理部分提高10～20%。
4 结语
（1）CT20合金管冷轧最大变形量应控制在45%以下；变形量为30%时，综合性能较好。
（2）不同热处理条件下获得等轴、双态和片状组织的CT20管材在室温下的拉伸性能差别不大。低温拉伸条件下，由于孪生变形的发生，片状组织的延伸率最好，双态组织介于片状和等轴组织之间。
（3）具有等轴和双态组织的管材冷成型性能优异，片状组织的管材在冷弯曲时外表面出现橘皮状褶皱。
（4）管材为双态组织时可获得良好的拉伸和冷成型性能的匹配，应对管材进行α+β两相区910℃×1h+FC的处理。
参考文献
[1] 王国宏.钛合金在航天火箭中的应用[J].钛工业进展，2011，16（5）：26—27.
[2] 谢惠茹.我国钛及钛合金研发及进展[J].稀有金属快报，2011，26（8）：7-9.
[3] 鹏飞，杨英丽，等.轧制Q值对小口径TA2管材组织和性能的影响[J].钛工业进展，2012，29（2）：24-27.
[关键词]CT20；管材；加工工艺
中图分类号：TG166.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0008-01
1 前言
钛合金具有良好的低温力学性能，广泛应用于航天领域。目前国际上用于制作火箭发动机中处于低温环境的压力容器及涡轮泵等部件的钛合金有Ti-l5Al4VELI和Ti-5A1.2.5SnELI合金，但其工艺性能和冷成型性能较差，严重制约了其使用范围。CT20（Ti—A1一Zr-Mo系）是一种新型近0f低温钛合金，其+卢相变点为920oC，室温下拉伸强度I>600MPa，屈服强度orDo.2I>500MPa，延伸率A≥16%，冲击功OdK≥100J/am；20K低温下，其强度较室温提高一倍，塑性仍能保持在10%以上。由于冷变形性能良好，可将该合金冷加工成管材，有效的拓展了其应用范围。
目前采用该合金制备的管材已应用于某航天发动机液氢管路系统中。实际生产制备过程中合金管材存在力学性能与冷弯曲性能不稳定的现象，因此本研究从CT20合金管坯制备工艺、冷轧变形量（20%-50%）、热处理等方面入手，制备CT20钛合金管材，并对管材的加工工艺和力学性能进行系统研究，以加工工艺和热处理来控制管材的显微组织，使其力学性能和冷弯性能良好并保持批次之间的稳定性。
2 实验材料和方法
采用零级小颗粒海绵钛、原子能级海绵锆、纯铝以及A1.Mo中间合金等原料，通过两次真空自耗电弧熔炼成铸锭。熔炼过程中，确保真空度小于10-2Pa，以降低铸锭中的氧含量。铸锭杂质成分（质量分数）为C0.01%，N0.013%，00.06%，H0.001%，Fe0.O1%，达到了超低间隙级。铸锭经锻造，采用外扒皮、内钻孔的方法机加工成挤压管坯，并经挤压和冷轧（变形量20%～50%）的方式制备成品管材。
对冷轧管材取样进行了3种制度的热处理：工艺A，再结晶温度区进行780℃×1h+FC处理；工艺B，OL+两相区进行910oC×1h+FC处理；工艺C，相变点以上进行925oC×1h+FC处理。用金相显微镜对热处理后的样品进行微观组织观察。
对不同变形量的冷轧管材和热处理后的管材，依据GB/T228“金属材料室温拉伸试验方法”，在In—stron万能拉伸实验机上进行室温拉伸实验；依据GB/T13239“金属材料低温拉伸试验方法”，以液氦为制冷剂，在国产WD-10A材料试验机上进行20K低温拉伸实验。
3 结果与讨论
3.1 C120合金管材的挤压与轧制
表1为CT20合金热轧板材和与其室温强度相当的Ti.3AI-2.5V合金板材的高温拉伸性能（同一温度下对2组试样进行测试）。
由表1可知，在750，800，850oC测试温度下，CT20合金的屈服强度较Ti-3A1—2.5V合金分别高出23.5，10.5，6.5MPa。Ti-3A1-2.5V合金的管坯挤压温度为750℃时屈服强度在40～47MPa之间，CT20合金板材在800℃时屈服强度与之相当。由于挤压管坯采用铜包套保护，钛与铜的共析转变温度为870℃，因此CT20合金的挤压温度应选择在800～850℃之间。
在冷轧过程中，考虑到CT20合金管材中缺陷的去除和成品管材的尺寸公差控制，挤压管坯经刮管、镗孔后，先通过两辊轧机进行大变形量的轧制，以平整管坯的内外表面，消除管坯挤压时由于挤压针偏心等因素造成的壁厚不均匀。经二次刮管（去除外表面缺陷）、镗孔（消除内表面细小龟裂纹和表面应力）及去应力真空退火后，再经小变形量轧制获得成品管材。采用此工艺制得的管材，其内外表面基本无缺陷，尺寸公差符合技术要求。
3.2 变形量对管材力学性能的影响
不同的冷加工变形量下CT20管材的室温力学性能，会随着变形量由23%增大到45%，管材的抗拉强度增加约9%，延伸率则降低21%，表明在CT20合金内发生了一定程度的加工硬化。当变形量继续增大到47%时，管材的强度趋于稳定，延伸率下降了10%。最终，在更大的变形量（50%）时管子端部出现开裂。因此，CT20合金管材的冷轧最大变形量应控制在45%以下。变形量在30%时，冷轧管材的综合性能较好。
管材轧制过程中变形程度、Q值的变化严重影响管材轧制质量和工艺性能。管材冷轧过程中产生的裂纹是影响管材超声波检验合格率的主要因素，用超声波检验合格率来衡量轧制质量最为直观。Q值小于等于1.4时冷轧管材超声波检验合格率相对较高，Q值大于1.4时冷轧管材超声波检验合格率相对较低，主要是因为Q值1.08～1.4时，虽然变形程度较大，但是管材壁厚、外径变形量匹配较为合理，不易产生轧制裂纹等缺陷，超声波检验合格率较高；变形程度在30～45%，管材超声波检验合格率相对稳定。
当Q值小于1.5时，随着Q值的增大，管材的抗拉强度、屈服强度也随之增大，塑性降低；Q值为1.5时，管材抗拉强度、屈服强度达到最大值；Q值大于1.5时，随着Q值得增大，管材抗拉强度、屈服强度有所降低、塑性有所提高。试验证明变形程度ε=30-45%，Q值1.1～1.5，管材轧制超声合格率较高，室温力学性能稳定。实际工作中应根据成品管材规格、设备能力及各项性能匹配等因素选择较为合理的变形工艺参数。
3.3 管坯处理方法对超声合格率的影响
在管材轧制中间道次适当加入外表面抛光、内表面喷砂处理工艺，喷砂后进行流动酸洗，可将轧制过程产生的细小裂纹、粘结、折皱、压坑等缺陷消除，从而提高超声合格率。结果表明，经过管坯处理后，超声合格率较管坯未处理部分提高10～20%。
4 结语
（1）CT20合金管冷轧最大变形量应控制在45%以下；变形量为30%时，综合性能较好。
（2）不同热处理条件下获得等轴、双态和片状组织的CT20管材在室温下的拉伸性能差别不大。低温拉伸条件下，由于孪生变形的发生，片状组织的延伸率最好，双态组织介于片状和等轴组织之间。
（3）具有等轴和双态组织的管材冷成型性能优异，片状组织的管材在冷弯曲时外表面出现橘皮状褶皱。
（4）管材为双态组织时可获得良好的拉伸和冷成型性能的匹配，应对管材进行α+β两相区910℃×1h+FC的处理。
参考文献
[1] 王国宏.钛合金在航天火箭中的应用[J].钛工业进展，2011，16（5）：26—27.
[2] 谢惠茹.我国钛及钛合金研发及进展[J].稀有金属快报，2011，26（8）：7-9.
[3] 鹏飞，杨英丽，等.轧制Q值对小口径TA2管材组织和性能的影响[J].钛工业进展，2012，29（2）：24-27.