梯度降温旋压工艺实现钛合金薄壁管各向同性强塑性协同提升

为解决钛合金薄壁管传统加工中材料利用率低、力学性能各向异性显著的问题，研究人员创新性提出梯度降温旋压工艺（stepwise cooling spinning），通过从β相区到两相区的多道次温度调控旋压成形，成功制备出抗拉强度1245 MPa、延伸率7.51%的Ti-6Al-4V薄壁管。该工艺通过调控α/β相变与位错强化机制，实现了细晶等轴组织与弱织构的协同优化，为航空航天轻量化构件制造提供了新思路。

　　

钛合金薄壁管作为航空航天领域的关键轻量化构件，长期面临传统加工工艺材料利用率低（仅30%-40%）、力学性能难以突破的困境。更棘手的是，常规旋压成形的钛合金管往往呈现显著的力学性能各向异性——轴向与周向强度差异可达20%以上，这严重限制了其在承力结构中的应用。现有工艺如两相区热旋压虽能改善成形性，但对显微组织的调控有限；而大变形低温轧制虽可提升强度，却难以兼顾薄壁管成形需求。如何通过工艺创新实现高强度与各向同性性能的协同提升，成为亟待解决的行业难题。

国家自然科学基金资助项目团队针对这一挑战，开创性地提出梯度降温旋压成形技术。该研究通过5道次旋压（总减薄率80%），将Ti-6Al-4V薄壁管的抗拉强度提升至1245 MPa（较原始坯料提升32%），同时延伸率保持7.51%，相关成果发表于《Journal of Materials Science》。研究采用的关键技术包括：1）β相区（>985°C）至两相区（α+β）的梯度温度控制；2）多道次旋压变形路径设计；3）结合EBSD（电子背散射衍射）与TEM（透射电镜）的微观组织表征；4）轴向/周向力学性能同步测试。

【材料与旋压工艺】
采用成分为Ti-6.14Al-4.13V的锻造管坯（初始壁厚14 mm），通过自主设计的梯度降温装置实现旋压温度从β相区（第1-3道次）向两相区（第4-5道次）的阶梯式调控。每道次变形后立即水冷以固定高温组织。

【显微组织与织构演化】
第1-3道次β相区变形形成<0001>//RD（轧向）的局部织构，β晶粒被压缩至500 μm并产生扭折晶界。第4-5道次两相区变形促使α相球化，形成由位错强化的等轴初生α相与次生α相沉淀强化的β基体，最终获得平均晶粒尺寸1.2 μm的双态组织。值得注意的是，后续道次中球化α相的变形导致织构强度降低，出现<0001>//ND（法向）与<0001>⊥ND的弱织构组分。

【梯度降温对组织的影响】
与传统两相区旋压相比（图9），梯度降温工艺通过β→α相变与动态再结晶的协同作用，使次生α片层在低温阶段（800°C）充分球化。TEM分析揭示位错在初生α相内形成缠结结构，而β相中纳米级α析出相（尺寸50-100 nm）是强度提升的关键。

【结论与意义】
该研究证实：1）梯度降温旋压通过β相区大变形与两相区细晶化的组合，突破钛合金强度-塑性倒置关系；2）温度路径设计可调控α/β相比例与织构类型，使各向异性指数从1.38降至1.12；3）位错强化（初生α）与沉淀强化（β基体）的协同作用机制为新型强韧化工艺提供理论依据。这项技术将钛管成形效率提升3倍，材料利用率达85%，已成功应用于某型航空液压管路制造，为高强轻量化构件设计开辟了新途径。