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勇闯钛合金加工禁区的探索者

发布日期:2018-06-27  浏览次数:158
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  勇闯钛合金加工禁区的探索者——记新材料领军人才梁贺
  梁贺对科研工作一直保持着旺盛的进取精神,不断挖掘、扩展新研究领域,在我国新材料科技界有良好的学术声誉。他2008年考入北京科技大学材料学科与工程学院,攻读博士学位,博士期间参与863计划子课题研究:小直径铜包铝双金属复合材料连铸及复合导线的力学和电学特性分析。
  博士毕业后曾经在北京有色金属研究总院从事科研工作,现担任山东歌尔股份有限公司总监级高级工程师,发表文章18篇,有5篇被SCI和EI收录,先后申请16项专利,已经授权5项发明专利,4项实用新型专利。
  在产品调研期间,他发现钛合金具有优异的综合性能,其密度小,比强度高,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,抗蚀性能优异,焊接性能良好等,因此在航空、航天、汽车、造船、能源等行业具有日益广泛的应用前景。但在高端合金加工领域我国仍然处于相对落后状态,例如国外的飞机采用TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金薄壁管作为输油管,不但强度高,而且重量轻。而我国由于钛合金管材加工技术不过关,很难稳定地实现小直径钛合金管材的抗拉强度和断后伸长率的最优化配比,目前只能装配不锈钢管材,在同等使用条件下,比使用钛合金管材增加重量73%,一架飞机需要装配各种这样的长短管材合计近千根,所增加的重量可想而知。
  差距就是科研的动力,梁贺决定攻克难变形钛合金小直径薄壁管材,为了彻底解决问题,他没有选择相对容易加工的TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金材料,而是选择了研究TC4(Ti-6Al-4V)钛合金薄壁管材,与TA18钛合金相比,TC4钛合金材料的合金含量增加约一倍,材料完全退火态的抗拉强度也超过900MPa,塑性相对较差,管材在冷加工时非常容易开裂。
  国内外曾经对TC4钛合金的管材轧制进行了大量研究,结论认为,即使厚壁管材每道次的加工量小于10%,并且每道次都退火也不能确保轧制出合格薄壁管材。因此,业内共识TC4钛合金材料只能挤压成厚壁管材,而通过冷轧的方式轧制成薄壁管材被一致认为是TC4钛合金的“加工禁区”。
  为突破这一加工禁区,梁贺查阅了几百篇中外文献,同时请教了二十余位国内相关的专家、学者和技术人员,他们基本给出了相同的答案——这是一个无法攻克的加工禁区,最好不要在这个项目上浪费时间。
  越是加工禁区就越值得去闯关,在经历了多次的实验失败后,梁贺发现TC4钛合金管材冷轧开裂的主要原因是挤压后管材坯料晶粒粗大,同时,在冷轧时钛合金发生严重的加工硬化,塑性急剧下降,由于管材轧制时容易开裂,每道次的加工变形率一般不能超过10%,由于加工变形率小,中间退火后也很难细化晶粒,导致下一道次轧制变形率依然无法提高,最终形成了一个无解的“死循环”。
  要破解这个“死循环”必须从源头解决问题,通过深入研究金属学和塑性变形的基础理论,梁贺发现TC4钛合金材料在热轧塑性变形过程中,由于位错密度的增加引发材料发生加工硬化,同时由于位错滑移使材料的位错密度降低又使材料软化。TC4 钛合金在热轧制变形初期软化不足以抵消硬化,表现出明显的加工硬化,随着变形量的增大软化占主导地位,使应力应变逐渐减小或趋于某一稳定值。还可以发现,当变形温度一定时,应力随着应变速率的增大不断增大,说明 TC4 钛合金具有正应变速率敏感性。在同一应变速率下,随着变形温度的上升应力应变会减小,说明 TC4钛合金对变形温度很敏感,TC4钛合金的应力应变曲线如图1所示。
  图1 TC4钛合金的应力应变曲线
  基于上述理论,梁贺创造性地提出了“恒温瞬间大变形细化钛合金晶粒”的设想,在TC4钛合金薄壁管冷轧之前,先采用特殊工艺对管材坯料恒温加热后进行瞬间大变形轧制,由于钛合金在瞬间热轧后回弹性较大,管材在热轧制回弹后整体尺寸变形率只有约30%,但内部的晶粒尺寸由原来坯料的50~100微米下降到5~10微米,晶粒尺寸瞬间减小了90%。在此基础上再进行冷轧时,管材单道次加工变形率可以达到约50%不开裂,这是采用传统工艺无论如何也做不到的,通过该工艺,只需3~5道次的冷轧制,就可以把壁厚8~10mm的TC4钛合金挤压管坯轧制到壁厚1mm以下,极大提高了生产效率。
  经测试,完全退火态TC4钛合金薄壁管抗拉强度≥900MPa,断后伸长率≥15%,晶粒尺寸≤5μ m,如图2所示。
  直径30mmTC4钛合金管 TC4钛合金管金相组织
  图2 TC4钛合金管和金相组织
  该产品主要应用于:
  (1)各种飞机、燃油动力无人机的引气管路、液压管路、燃油管路等;
  (2)各型号高速舰艇的热交换器、耐高压管道等零部件、深海载人探测
  器、深海机器人中的耐高压管路;
  (3)化工和石化工业中同时需要耐腐蚀和高强度的管式冷凝器、热交换器、冷却器、反应器、分离器中的管路等。
  同时,该项技术可推广应用于制备其他难变形薄壁管材,如管(主要用于民用核电工程)、管、管、高温合金管、弥散铜管以及铝基增强相复合管等。攻克了难变形TC4钛合金管材的加工禁区后,再回顾相对容易加工的TA18(Ti-3Al-2.5V)钛合金管材,就有了“一览众山小”的感觉,所有问题即刻迎刃而解。

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