勇闖鈦合金加工禁區(qū)的探索者——記新材料領(lǐng)軍人才梁賀
梁賀對科研工作一直保持著旺盛的進(jìn)取精神，不斷挖掘、擴(kuò)展新研究領(lǐng)域，在我國新材料科技界有良好的學(xué)術(shù)聲譽(yù)。他2008年考入北京科技大學(xué)材料學(xué)科與工程學(xué)院，攻讀博士學(xué)位，博士期間參與863計(jì)劃子課題研究:小直徑銅包鋁雙金屬復(fù)合材料連鑄及復(fù)合導(dǎo)線的力學(xué)和電學(xué)特性分析。
博士畢業(yè)后曾經(jīng)在北京有色金屬研究總院從事科研工作，現(xiàn)擔(dān)任山東歌爾股份有限公司總監(jiān)級高級工程師，發(fā)表文章18篇，有5篇被SCI和EI收錄，先后申請16項(xiàng)專利，已經(jīng)授權(quán)5項(xiàng)發(fā)明專利，4項(xiàng)實(shí)用新型專利。
在產(chǎn)品調(diào)研期間，他發(fā)現(xiàn)鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，其密度小，比強(qiáng)度高，疲勞強(qiáng)度和抗裂紋擴(kuò)展能力好，抗蝕性能優(yōu)異，焊接性能良好等，因此在航空、航天、汽車、造船、能源等行業(yè)具有日益廣泛的應(yīng)用前景。但在高端鈦合金加工領(lǐng)域我國仍然處于相對落后狀態(tài)，例如國外的飛機(jī)采用TA18(Ti-3Al-2.5V)鈦合金薄壁管作為輸油管，不但強(qiáng)度高，而且重量輕。而我國由于鈦合金管材加工技術(shù)不過關(guān)，很難穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)小直徑鈦合金管材的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率的最優(yōu)化配比，目前只能裝配不銹鋼管材，在同等使用條件下，比使用鈦合金管材增加重量73%，一架飛機(jī)需要裝配各種這樣的長短管材合計(jì)近千根，所增加的重量可想而知。
差距就是科研的動力，梁賀決定攻克難變形鈦合金小直徑薄壁管材，為了徹底解決問題，他沒有選擇相對容易加工的TA18(Ti-3Al-2.5V)鈦合金材料，而是選擇了研究TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金薄壁管材，與TA18鈦合金相比，TC4鈦合金材料的合金含量增加約一倍，材料完全退火態(tài)的抗拉強(qiáng)度也超過900MPa，塑性相對較差，管材在冷加工時(shí)非常容易開裂。
國內(nèi)外曾經(jīng)對TC4鈦合金的管材軋制進(jìn)行了大量研究，結(jié)論認(rèn)為，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確保軋制出合格薄壁管材。因此，業(yè)內(nèi)共識TC4鈦合金材料只能擠壓成厚壁管材，而通過冷軋的方式軋制成薄壁管材被一致認(rèn)為是TC4鈦合金的“加工禁區(qū)”。
為突破這一加工禁區(qū)，梁賀查閱了幾百篇中外文獻(xiàn)，同時(shí)請教了二十余位國內(nèi)相關(guān)的專家、學(xué)者和技術(shù)人員，他們基本給出了相同的答案——這是一個(gè)無法攻克的加工禁區(qū)，最好不要在這個(gè)項(xiàng)目上浪費(fèi)時(shí)間。
越是加工禁區(qū)就越值得去闖關(guān)，在經(jīng)歷了多次的實(shí)驗(yàn)失敗后，梁賀發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金管材冷軋開裂的主要原因是擠壓后管材坯料晶粒粗大，同時(shí)，在冷軋時(shí)鈦合金發(fā)生嚴(yán)重的加工硬化，塑性急劇下降，由于管材軋制時(shí)容易開裂，每道次的加工變形率一般不能超過10%，由于加工變形率小，中間退火后也很難細(xì)化晶粒，導(dǎo)致下一道次軋制變形率依然無法提高，最終形成了一個(gè)無解的“死循環(huán)”。
要破解這個(gè)“死循環(huán)”必須從源頭解決問題，通過深入研究金屬學(xué)和塑性變形的基礎(chǔ)理論，梁賀發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金材料在熱軋塑性變形過程中，由于位錯(cuò)密度的增加引發(fā)材料發(fā)生加工硬化，同時(shí)由于位錯(cuò)滑移使材料的位錯(cuò)密度降低又使材料軟化。TC4 鈦合金在熱軋制變形初期軟化不足以抵消硬化，表現(xiàn)出明顯的加工硬化，隨著變形量的增大軟化占主導(dǎo)地位，使應(yīng)力應(yīng)變逐漸減小或趨于某一穩(wěn)定值。還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變形溫度一定時(shí)，應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大不斷增大，說明 TC4 鈦合金具有正應(yīng)變速率敏感性。在同一應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的上升應(yīng)力應(yīng)變會減小，說明 TC4鈦合金對變形溫度很敏感，TC4鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。
圖1 TC4鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線
基于上述理論，梁賀創(chuàng)造性地提出了“恒溫瞬間大變形細(xì)化鈦合金晶粒”的設(shè)想，在TC4鈦合金薄壁管冷軋之前，先采用特殊工藝對管材坯料恒溫加熱后進(jìn)行瞬間大變形軋制，由于鈦合金在瞬間熱軋后回彈性較大，管材在熱軋制回彈后整體尺寸變形率只有約30%，但內(nèi)部的晶粒尺寸由原來坯料的50~100微米下降到5~10微米，晶粒尺寸瞬間減小了90%。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行冷軋時(shí)，管材單道次加工變形率可以達(dá)到約50%不開裂，這是采用傳統(tǒng)工藝無論如何也做不到的，通過該工藝，只需3~5道次的冷軋制，就可以把壁厚8~10mm的TC4鈦合金擠壓管坯軋制到壁厚1mm以下，極大提高了生產(chǎn)效率。
經(jīng)測試，完全退火態(tài)TC4鈦合金薄壁管抗拉強(qiáng)度≥900MPa，斷后伸長率≥15%，晶粒尺寸≤5μ m，如圖2所示。
直徑30mmTC4鈦合金管 TC4鈦合金管金相組織
圖2 TC4鈦合金管和金相組織
該產(chǎn)品主要應(yīng)用于:
(1)各種飛機(jī)、燃油動力無人機(jī)的引氣管路、液壓管路、燃油管路等;
(2)各型號高速艦艇的熱交換器、耐高壓管道等零部件、深海載人探測
器、深海機(jī)器人中的耐高壓管路;
(3)化工和石化工業(yè)中同時(shí)需要耐腐蝕和高強(qiáng)度的管式冷凝器、熱交換器、冷卻器、反應(yīng)器、分離器中的管路等。
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