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取精神，不斷挖掘、擴展新研究領(lǐng)域，在我國新材料科技界有良好的學術(shù)聲譽。他2008年考入北京科技大學材料學科與工程學院，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復合材料連鑄及復合導線的力學和電學特性分析。
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項專利，已經(jīng)授權(quán)5項發(fā)明專利，4項實用新型專利。
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，比強度高，疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，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)，例如國外的飛機采用TA18(Ti-3Al-2.5V)鈦合金薄壁管作為輸油管，不但強度高，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)定地實現(xiàn)小直徑鈦合金管材的抗拉強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%，一架飛機需要裝配各種這樣的長短管材合計近千根，所增加的重量可想而知。
差距就是科研的動力，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)的抗拉強度也超過900MPa，塑性相對較差，管材在冷加工時非常容易開裂。
國內(nèi)外曾經(jīng)對TC4鈦合金的管材軋制進行了大量研究，結(jié)論認為，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，同時請教了二十余位國內(nèi)相關(guān)的專家、學者和技術(shù)人員，他們基本給出了相同的答案——這是一個無法攻克的加工禁區(qū)，最好不要在這個項目上浪費時間。
越是加工禁區(qū)就越值得去闖關(guān)，在經(jīng)歷了多次的實驗失敗后，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，在冷軋時鈦合金發(fā)生嚴重的加工硬化，塑性急劇下降，由于管材軋制時容易開裂，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化晶粒，導致下一道次軋制變形率依然無法提高，最終形成了一個無解的“死循環(huán)”。
要破解這個“死循環(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(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，由于位錯密度的增加引發(fā)材料發(fā)生加工硬化，同時由于位錯滑移使材料的位錯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地位，使應力應變逐漸減小或趨于某一穩(wěn)定值。還可以發(fā)現(xiàn)，當變形溫度一定時，應力隨著應變速率的增大不斷增大，說明 TC4 鈦合金具有正應變速率敏感性。在同一應變速率下，隨著變形溫度的上升應力應變會減小，說明 TC4鈦合金對變形溫度很敏感，TC4鈦合金的應力應變曲線如圖1所示。
圖1 TC4鈦合金的應力應變曲線
基于上述理論，梁賀創(chuàng)造性地提出了“恒溫瞬間大變形細化鈦合金晶粒”的設想，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)上再進行冷軋時，管材單道次加工變形率可以達到約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)品主要應用于:
(1)各種飛機、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、深海機器人中的耐高壓管路;
(3)化工和石化工業(yè)中同時需要耐腐蝕和高強度的管式冷凝器、熱交換器、冷卻器、反應器、分離器中的管路等。
