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北(běi)京(jīng)深圳精密零件(jiàn)加工中心勇闖鈦合金加工禁區的

時間:2022-09-03 10:04:38 點擊:481次

梁賀對科(kē)研工作一直保持著旺盛的進取精神,不斷挖掘、擴展新研究領域,在我國新材料科(kē)技界有良好(hǎo)的學術聲譽。他2008年(nián)考入北京科技大學材(cái)料學科與工程學院,攻讀博士學位,博士期間參與863計劃子課題研究:小直徑銅包鋁雙金屬(shǔ)複合材料連鑄及複合導(dǎo)線的力學和電學特性分析。

博士畢(bì)業(yè)後曾經在(zài)北京有色金屬研究總(zǒng)院從事科研工作,現(xiàn)擔任山東歌(gē)爾(ěr)股份有限公司總監級高級工程師,發表文章18篇,有5篇被SCI和EI收錄,先後申請16項(xiàng)專利,已經授權5項(xiàng)發明專利(lì),4項實用新型專利。

在產品調研期間,他發現鈦合金具有優異的綜合性能,其密(mì)度小(xiǎo),比強度高,疲勞強度和抗裂紋擴展能力好,抗蝕性能優異(yì),焊接(jiē)性能(néng)良好等,因此在航空、航天(tiān)、汽車、造船、能源等(děng)行業具有日益廣(guǎng)泛的應用前景(jǐng)。但在高端鈦合金加工領域我國仍(réng)然處(chù)於相對落後狀態(tài),例如國外的飛機采用TA18(Ti-3Al-2.5V)鈦合金薄壁管作為輸油管,不但(dàn)強度高,而且重量輕。而我國由於鈦合金管材加工技術不過關,很難穩定地實現小直徑鈦合金管材(cái)的抗拉強度和(hé)斷後伸長率的***優化配比,目前隻能(néng)裝配不(bú)鏽鋼管(guǎn)材,在同(tóng)等使用條件下,比使用鈦合金管材增加重量73%,一架飛機需要(yào)裝配各種這樣的(de)長短管(guǎn)材合計近千根,所增加的重量可想而知。

差距就是科研的動力(lì),梁賀決(jué)定攻克難變形(xíng)鈦合金小直徑(jìng)薄壁管材(cái),為了徹底解決問題,他沒有選擇相對容易加工的(de)TA18(Ti-3Al-2.5V)鈦(tài)合金材料,而是選擇了研究TC4(Ti-6Al-4V)鈦(tài)合金薄壁管(guǎn)材(cái),與TA18鈦合金相比,TC4鈦合(hé)金材料的合金含量增加約(yuē)一倍,材料完全退火態(tài)的抗拉強度(dù)也超過900MPa,塑性相(xiàng)對較差,管(guǎn)材(cái)在冷(lěng)加工時非常容易開(kāi)裂。

國內外曾經對TC4鈦合金的(de)管材軋製(zhì)進行了(le)大量研究,結論認(rèn)為,即使厚壁管材每道次(cì)的加工量小於10%,並且每道次都(dōu)退火也不能確保軋製出合格薄壁管材。因此,業內(nèi)共(gòng)識TC4鈦合金材料(liào)隻能擠壓(yā)成厚(hòu)壁管材,而通過冷軋的方式(shì)軋製(zhì)成薄壁(bì)管材被一致認為是TC4鈦合金的加工(gōng)禁區(qū)。

為突(tū)破這一加工(gōng)禁區,梁賀查閱(yuè)了幾百篇中外文獻,同時請教了二十餘位國內相關的專家、學者和技術人員,他們基本給出了相(xiàng)同的答案——這是一(yī)個無法攻克(kè)的加工(gōng)禁區,***好不要在這個(gè)項目上浪費時間。

越是加工禁區(qū)就(jiù)越值得去闖關,在經曆了(le)多次的實驗失敗後,梁賀發現TC4鈦(tài)合金管材冷軋開裂的主要原因是擠壓後管材坯(pī)料晶粒粗大(dà),同時,在冷軋時鈦合金發生嚴重的加工硬化,塑性急劇下降,由於管材軋(zhá)製時容易開裂,每道次的加(jiā)工變形率一般(bān)不能超過10%,由於加工變(biàn)形率小,中間退(tuì)火後也很難(nán)細化晶粒,導致下一(yī)道次軋(zhá)製變形率依然無法提高,***終形成了一個無解的死循環。

要破解這個死(sǐ)循(xún)環(huán)必須從源頭解決問題,通過深入研究金屬學和塑性變形的基礎理論,梁賀發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金(jīn)材料在熱軋塑性變(biàn)形過程中(zhōng),由於(yú)位錯密度的增加引發(fā)材料發生加工硬化,同時由於位錯滑移使材(cái)料的(de)位錯密度(dù)降低又使材料軟化。TC4鈦合金在熱軋製變形初期軟化不足以抵消硬(yìng)化,表(biǎo)現出明顯的(de)加工(gōng)硬化,隨著變形量的(de)增大軟化占主導地位,使應力應變逐漸減小(xiǎo)或趨於某一穩定值。還可以發現,當變形溫度一定(dìng)時,應(yīng)力隨著應變速率(lǜ)的增大不斷增大,說明 TC4鈦合金具(jù)有正應變速率敏感性。在同一(yī)應變速率下,隨著變形溫度的上升應力應變會減小,說(shuō)明 TC4鈦合金對變形溫度很敏感,TC4鈦合(hé)金的(de)應力應變曲線如下圖所示。

圖1TC4鈦合金的應力應變曲線(xiàn)

基於(yú)上述理論,梁賀(hè)創造性地提出了恒溫瞬間大變形細化鈦合(hé)金晶粒的設想,在TC4鈦(tài)合金(jīn)薄壁(bì)管冷(lěng)軋之前,先采用特(tè)殊工藝(yì)對管(guǎn)材坯(pī)料恒溫加熱後進行瞬間大變形(xíng)軋製,由於鈦合金在瞬(shùn)間熱軋後回彈性較大,管材在熱軋製回(huí)彈後(hòu)整體尺寸變形率隻有約30%,但內部的晶粒尺寸由原來坯料的50~100微米下降到5~10微米(mǐ),晶粒尺(chǐ)寸瞬間減小了90%。在此基礎上(shàng)再進行冷軋時,管材單道(dào)次加工變形(xíng)率可以達到約50%不開裂,這是采用傳統工藝無論如何也做不到的,通過該工藝,隻(zhī)需3~5道次的冷軋製,就可以把壁厚8~10mm的TC4鈦合金擠壓管坯軋製到壁厚1mm以下,極大提高了生產效率。

經測試,完全退火態TC4鈦合金薄壁管(guǎn)抗拉強度≥900MPa,斷後伸長率≥15%,晶粒尺寸≤5μ m。

直徑30mmTC4鈦合金管

TC4鈦(tài)合金管金相組織

該產品主要應用於:

(1)各(gè)種飛機、燃油動力無人機的引氣管路、液壓管路、燃油管路等;

(2)各型號高速艦(jiàn)艇的熱交換(huàn)器、耐高壓管道等零部件、深海載人探測器、深海機器人中的耐高壓管路;

(3)化工(gōng)和石(shí)化工業中同時需要耐腐蝕和高強度的管式冷凝器(qì)、熱交換器、冷(lěng)卻器、反應(yīng)器、分(fèn)離器中的管(guǎn)路等(děng)。

同時,該項技術可推廣應(yīng)用於製備其他難變形薄壁管材(cái),如鋯管(guǎn)(主要用於民用核電工程)、鎢管、鉬管、高溫合(hé)金管、彌散銅管以及鋁基增強相複合管等。攻克(kè)了難(nán)變形TC4鈦合金管材的(de)加工禁區後,再回顧相對容易加工(gōng)的TA18(Ti-3Al-2.5V)鈦(tài)合金管材,就有了(le)一(yī)覽眾(zhòng)山小的感覺(jiào),所有問題即刻迎刃而解。

多年來在科(kē)研工作中他堅守信念,執著追求,在中國新(xīn)材料科技研究領域,他勤勤懇懇,寬於(yú)待人,嚴(yán)於律己,用實際行動感染和激勵著身邊的人,梁賀常說的一句話是科研人員的使命就是要把不(bú)可能變為可能,他在工(gōng)作中力求達到心(xīn)平如(rú)鏡的境界,不浮躁,不急功(gōng)近利,盡心做好自己的本職工作,為新材料的發展盡自己的一份力。

(郝雲)

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