一种钛合金管材内外表面残余应力调控方法与流程

1.本发明涉及钛合金管材加工技术领域，特别是指一种钛合金管材内外表面残余应力调控方法。


背景技术：

2.管路系统是航空航天等领域高端装备中起流体传输等重要功效的关键轻量化构件，材料和规格种类繁多且量大面广，其性能的优劣将直接影响飞行器的安全和适航性能，钛合金管材因其具有密度小、比强度高以及良好的机械性能等特点，是一种理想的轻质高强材料并已广泛应用于在飞行器液压、燃油和环控等管路系统中。然而，管材在服役过程中往往长期处于高/低温、高压、振动或油气侵蚀等恶劣的环境当中，表面残余应力状态将显著影响其在服役过程中的抗疲劳和腐蚀等性能，大量研究已表明当材料和零件的表面残余压应力状态可以有效的抑制其在疲劳加载条件下表面裂纹的萌生和扩展，进而提高疲劳性能。因此，如何优化钛合金管材冷轧成形工艺以实现在管材表面引入残余压应力是提高管材服役性能的关键。
3.目前，无缝管材的残余应力调控方法主要集中在通过退火和矫直等手段消除冷加工后的残余应力，但无法在管材表面引入残余压应力，现有技术中，有通过颗粒喷丸和激光喷丸等方法在钢板或叶片表面引入压缩残余应力进而达到表面强化效果的方法，但该方法很难对管材内表面进行改性处理，对于薄壁钛合金管材并不适用，同时，相关装置结构及实施过程相对较为复杂。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种钛合金管材的加工方法，以在管材内外表面引入残余压应力，提高管材抗疲劳性能。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种钛合金管材内外表面残余应力调控方法，所述方法包括：
7.对钛合金管材进行冷轧工艺中按照优化后的冷轧工艺参数进行处理，得到冷轧后的钛合金管材；
8.对所述冷轧处理后的钛合金管材进行退火处理工艺中按照优化后的退火处理参数进行处理，得到退火处理后的钛合金管材；
9.对所述退火处理后的钛合金管材进行磁力抛光处理，以实现对钛合金管材内外表面残余应力同步调控。
10.可选的，对钛合金管材进行冷轧工艺中按照优化后的冷轧工艺参数进行轧制，得到冷轧后的钛合金管材，包括：
11.对钛合金管材进行冷轧工艺中按照优化后的q值和变形量进行处理，得到冷轧后的钛合金管材。
12.可选的，所述q值大于2，所述变形量在45％～60％之间
13.可选的，对所述冷轧后的钛合金管材进行退火处理工艺中按照优化后的退火处理参数进行处理，得到退火处理后的钛合金管材，包括：
14.对所述冷轧处理后的钛合金管材进行退火处理工艺中按照去应力退火温度为450℃～550℃、保温时间为2h进行处理，得到退火处理后的钛合金管材。
15.可选的，对所述退火处理后的钛合金管材进行磁力抛光处理，包括：
16.将所述退火处理后的钛合金管材置入磁力抛光机中进行磁力抛光处理。
17.可选的，将所述退火处理后的钛合金管材置入磁力抛光机中进行磁力抛光处理，包括：
18.将磁力钢针和所述退火处理后的钛合金管材置入所述磁力抛光机的抛光桶中；
19.在所述抛光桶中加入抛光剂和水的混合溶液，并对所述抛光桶中的钛合金管材进行抛光处理。
20.可选的，所述磁力钢针直径范围为0.15mm～1mm，钢针长度为3～5mm。
21.可选的，所述磁力抛光机的电机转速设置大于2500转，抛光时间设置12～15min。
22.可选的，所述抛光剂和水的比例为2：100。
23.可选的，对退火处理后的钛合金管材进行磁力抛光处理，包括：
24.对于长度小于500mm的钛合金管材采用旋转式磁力抛光工艺进行磁力抛光处理，对于长度大于500mm的钛合金管材采用平移式磁力抛光工艺进行磁力抛光处理。
25.本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
26.本发明的上述方案，通过优化冷轧和退火工艺，可以改变管材内外表面残余应力的大小，通过增加磁力抛光工艺，可以有效地在改善成品管材表面质量和精度，并在管材表面引入残余压应力，进而提高管材抗腐蚀和疲劳等性能。
附图说明
27.图1是本发明的实施例提出的调控钛合金管材内外表面应力的方法流程图；
28.图2是本发明的实施例提出经二辊冷轧后管材内外表面残余应力分布特点图；
29.图3是本发明的实施例提出经三辊冷轧后管材内外表面残余应力分布特点图；
30.图4是本发明的实施例提出不同q值对应管材内外表面残余应力图；
31.图5是本发明的实施例提出不同变形量对应管材内外表面残余应力图；
32.图6是本发明的实施例提出磁力抛光处理后管材外表面sem图。
具体实施方式
33.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
34.如图1所示，本发明的实施例提出一种钛合金管材内外表面残余应力调控方法，所述方法包括：
35.步骤11，对钛合金管材进行冷轧工艺中按照优化后的冷轧工艺参数进行处理，得到冷轧后的钛合金管材；
36.步骤12，对所述冷轧后的钛合金管材进行退火处理工艺中按照优化后的退火处理参数进行处理，得到退火处理后的钛合金管材；
37.步骤13，对所述退火处理后的钛合金管材进行磁力抛光处理，以实现对钛合金管材内外表面残余应力同步调控。
38.该实施例中，所述钛合金管材内外表面的残余应力包括残余拉应力和残余压应力。对所述钛合金管材进行冷轧和退火处理,在冷轧和退火处理过程中，分别优化冷轧和退火工艺参数，以改变所述钛合金管材内外表面残余应力的大小，便于后续步骤的调控，最后经磁力抛光处理，在所述钛合金管材内外表面引入残余压应力，整体增大所述钛合金管材内外表面残余压应力，以提高钛合金管材的抗疲劳性能，同时磁力抛光处理也可以进一步提高所述钛合金管材内外表面的质量及精度。
39.本发明的一可选实施例中，所述步骤11可以包括：
40.步骤111，对钛合金管材进行冷轧工艺中按照优化后的q值和变形量进行处理，得到冷轧后的钛合金管材。该实施例中，q值为钛合金管材相对减壁量和相对减径量的比值，变形量是管材截面积的减小比例；在冷轧过程中，通过优化q值和变形量来调控钛合金管材内外表面残余应力大小，进一步降低钛合金管材外表面残余拉应力大小和提高钛合金管材内表面残余压应力大小，应当知道，增大变形量可以提高内表面残余压应力，但过大的冷轧变形量极易引发轧制过程管材开裂等缺陷的产生。
41.优选的，所述q值大于2，以及所述变形量控制在45％～60％时，可以降低管材外表面残余拉应力大小和提高管材内表面残余压应力大小，同时，也可以提升管材径向织构强度。
42.本发明的一可选实施例中，所述步骤12可以包括：
43.步骤121，对所述冷轧处理后的钛合金管材进行真空退火处理工艺中按照去应力退火温度为450℃～550℃、保温时间为2h进行处理，得到退火处理后的钛合金管材。
44.该实施例中，对冷轧后的所述钛合金管材进行真空去应力退火处理，可以进一步优化冷轧后所述钛合金管材内外表面的残余应力；优选的，去应力退火温度控制在450℃～550℃范围内。
45.本发明的一可选实施例中，所述步骤13可以包括：
46.步骤131，将所述退火处理后的钛合金管材置入磁力抛光机中进行磁力抛光处理。
47.本发明的一可选实施例中，所述步骤131可以包括：
48.步骤1311，将磁力钢针和所述退火处理后的钛合金管材置入所述磁力抛光机的抛光桶中；
49.步骤1312，在所述抛光桶中加入抛光剂和水的混合溶液，并对所述抛光桶中的钛合金管材进行抛光处理。
50.该实施例中，所述抛光桶可以选用pvc等非金属材质，保证钢针和所述钛合金管材可以在抛光桶中均匀随机翻动；所加入的抛光剂和水的混合溶液的量需盖过所述钛合金管材，以保证在整个抛光过程中所述钛合金管材能够充分接触溶液，使抛光更均匀。
51.所述磁力钢针可以选用圆柱体304不锈钢钢针，所述磁力钢针直径范围为0.15mm～1mm，钢针长度为3～5mm。
52.所述磁力抛光机的电机转速设置大于2500转，抛光时间设置12～15min。
53.所述抛光剂和水的比例为2：100。
54.一具体实现过程如下：
55.s1，将磁力钢针和适量退火处理后的钛合金管材同时投入抛光桶中，抛光桶选用pvc等非金属材质，保证钢针和管材可以在抛光桶中均匀随机翻动；
56.s2，将抛光剂和水的混合溶液加入抛光桶中，所加溶液量以盖过所要抛光处理的所有管材为佳；
57.s3，设定电机频率、转速以及抛光时间并启动设备，通过电磁力驱动钢针转动实现管材内外表面的抛光和残余压应力的引入。
58.该实施例中，利用磁力抛光机对所述退火处理后的钛合金管材进行抛光处理，通过电磁力驱动钢针磁力钢针转动，使磁力钢针产生高速流动和翻转，通过对所述退火处理后的钛合金管材表面的打击和摩擦作用进而实现对管材内外表面进行抛光处理，并在管材内外表面同步引入残余压应力，提高所述钛合金管材整体的残余压应力，以提高管材的抗疲劳性能；同时使用磁力抛光机对管材进行处理，对管材的壁厚要求低。
59.一种优选的实施例中，对于长度小于500mm的钛合金管材采用旋转式磁力抛光工艺进行磁力抛光处理；对于长度大于500mm的钛合金管材采用平移式磁力抛光工艺进行磁力抛光处理。
60.本发明的上述实施例，通过结合冷轧和退火工艺优化以及增加磁力抛光工艺，可以有效地在改善成品管材表面质量和精度，并在管材表面引入残余压应力，进而提高管材抗腐蚀和疲劳等性能。
61.另外，磁力抛光工艺可以同步实现管材内表面和外表面残余应力的调控，且表面质量和精度更高。
62.再者，在冷轧和退火后所新增的磁力抛光工艺和设备结构更为简单且易于实施，适用于规模化工业生产，应用前景广阔。
63.以下将结合具体示例对上述方法进行说明：
64.实施例1
65.本实施例为基于数值模拟和实验相结合的钛合金管材冷轧与退火对管材内外表面残余应力影响规律的说明，具体实施过程包括以下步骤：
66.基于abaqus有限元软件，结合实际轧制条件建立二辊和三辊冷轧钛合金管材数值仿真模型，用于钛合金管冷轧残余应力模拟分析，图2为二辊和三辊冷轧后钛合金管材内外表面圆周残余应力分布特点，模拟过程中初始管坯规格为φ25
×
5.5mm，采用的q值为1.64，变形量为40％，此外为提高计算精度，冷轧过程采用显示求解，轧后卸载回弹过程采用隐式求解；
67.如图2和图3所示，结果表明不论是二辊还是三辊冷轧，冷轧后管材内外残余应力沿管材圆周方向呈明显的不均匀分布，此外，管材外表面轴向和周向残余应力表现为拉应力，管材内表面轴向和周向残余应力表现为压应力；
68.以二辊冷轧后的钛合金管材为对象，初始管坯规格为φ25
×
5.5mm，建立不同轧制方案的仿真模型，其中为了较为准确分析单一工艺对轧后残余应力的影响，不同q值模型对应的变形量保持40％一致，不同变形量模型对应的q值保持1.64一致；如图4和图5所示，结果表明，随着q值的增大，管材内外表面残余应力呈先增大后减小的趋势，而当增大变形量
时，外表面轴向残余拉应力逐渐减小而内表面残余压应力逐渐增大。
69.从上述结果可以得出，改变轧制工艺尽管对外表面呈残余拉应力和内表面呈残余压应力的状态几乎没有影响，当冷轧加工过程中q值大于2、变形量控制在45％～60％之间时，管材内外表面残余应力大小均处在比较合适的范围但。
70.对成品管材规格为φ20
×
1.5mm的钛合金管材进行冷轧实验和模拟分析，实验过程中q值为2.01、变形量约为50％，轧制完成后管材进行真空去应力退火，去应力退火温度为520℃。
71.表1为冷轧及退火后钛合金管材内外表面残余应力模拟及测试结果，其中管材外表面残余应力采用同倾法x射线衍射进行测量，管材内表面残余应力采用侧倾法x射线衍射进行测量，测试结果表明实际冷轧态管材也同样表现出外表面呈残余拉应力状态，内表面呈残余压应力状态，此外模拟结果与实验结果在数值上相差不大，这也验证了模拟的准确性。经去应力退火后可以有效的削弱管材残余应力的大小，但管材内外表面残余应力的拉压分布状态并不会发生改变。上述结果也说明通过优化冷轧和退火工艺可以改善钛合金管材内外表面残余应力的大小，但并不会改变其分布状态，为提高管材疲劳服役性能，有必要增加后续处理工艺从而在管材表面引入残余压应力。
[0072][0073]
表1冷轧及退火后钛合金管材内外表面残余应力模拟及测试结果
[0074]
实施例2
[0075]
本实施例为不同表面处理工艺对钛合金内外表面残余应力分布状态和大小的影响测试对比，成品对象规格为φ12
×
0.9mm，具体实施过程包括以下步骤：
[0076]
采用二辊冷轧管机进行轧制实验，冷轧工艺采用q值为2.54、变形量为53％，轧制完成后管材进行真空去应力退火，去应力退火温度为520℃，对退火后的管材截取1根300mm长度试样进行磁力抛光处理，其中磁力抛光处理工艺具体包括以下步骤：
[0077]
采用旋转式磁力抛光工艺，将磁力钢针和适量管材同时投入抛光桶中，抛光桶选用pvc非金属材质，保证钢针和管材可以在抛光桶中均匀随机翻动，其中抛光用钢针采用圆柱体304不锈钢钢针，钢针直径为0.5mm，钢针长度为5mm。将抛光剂和水的混合溶液加入抛光桶中，抛光剂和水的比例选取2：100，所加溶液量盖过所要抛光处理的所有管材。设定电机频率、转速以及抛光时间并启动设备，其中电机转速控制在2800转，抛光时间为15min。
[0078]
表2为磁力抛光后钛合金管材内外表面残余应力测试结果，其中q值为2.54、变形量为53％，对管材外表面残余应力采用同倾法x射线衍射进行测量，管材内表面残余应力采用侧倾法x射线衍射进行测量，测试结果表明磁力抛光工艺可以在钛合金管材外表面不论是轴向还是周向都引入较大的残余压应力。
[0079][0080]
表2磁力抛光后钛合金管材内外表面残余应力测试结果
[0081]
图6为磁力抛光后钛合金管材外壁sem图像，结果表明经磁力抛光后钛合金管材外表面较为光洁，综合上述结果可以发现本发明提出的方法，可以实现较大范围的调控管材内表面和外表面残余应力，且表面质量和精度更高。
[0082]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。