擠壓TC4鈦合金U型材矯直工藝研究

代春，張平平，王俊琪，李寶霞，謝林均

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

目前，鈦合金型材作為一種結(jié)構(gòu)件，具有結(jié)構(gòu)效益高的特點(diǎn)，在航空航天中作為承力框架零件使用。鈦合金型材成形方法有冷拉成形、熱拉彎成形和熱擠壓成形等加工方法。而擠壓成形可生產(chǎn)形式各異、截面復(fù)雜的型材，具有生產(chǎn)靈活、加工效率高等特點(diǎn)，并且是復(fù)雜斷面、空腹、變斷面型材的唯一加工方法[1-2]。相對冷拉成形和熱拉彎成形，擠壓型材的剛度好。因此，鈦合金型材擠壓制備工藝技術(shù)是一種其他成形加工技術(shù)無法代替的制備成形加工技術(shù)。鈦合金擠壓型材在俄羅斯和美國已經(jīng)成功生產(chǎn)和應(yīng)用了近五十余年[3]。國內(nèi)個(gè)別型號曾經(jīng)應(yīng)用了鈦合金的擠壓型材，但由于國內(nèi)無法生產(chǎn)，至今該產(chǎn)品一直依賴進(jìn)口。

由于異型材斷面形狀復(fù)雜，擠壓過程中金屬流動(dòng)的不均勻是客觀存在的現(xiàn)象。優(yōu)化模具設(shè)計(jì)只能做到調(diào)節(jié)所擠壓型材橫截面各部位流動(dòng)的相對均勻，因此擠壓型材總會產(chǎn)生一些扭轉(zhuǎn)或者翹曲等不平直的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)使用的是擠壓成形的TC4鈦合金U型材，U型材的壁厚范圍為10～15mm之間為大斷面型材。鈦合金型材與普通的鋼鐵材料相比室溫具有高的屈服強(qiáng)度，大的截面系數(shù)和低的彈性模量，矯直難度非常大，必須在加熱下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)和張力矯直，一般采用電接觸熱張力矯直。本文著重分析了TC4鈦合金U型材采用電接觸熱張力矯直，其矯直溫度、扭轉(zhuǎn)力、拉伸力和降溫速率工藝參數(shù)對合金型材平直度、彎曲度和扭擰度的影響，為鈦合金型材矯直工藝提供一定理論依據(jù)。

1 鈦合金型材矯直工藝參數(shù)的確定

1.1 鈦合金U型材制備工藝

鈦合金U型材在3150T水壓機(jī)進(jìn)行擠壓成形（見圖1），進(jìn)行切定尺，表面氧化層處理，并在電阻爐里進(jìn)行退火處理，在電接觸熱張力矯直機(jī)上進(jìn)行矯直，具體工藝流程：

型材擠壓→切定尺→表面氧化處理→退火→張力矯直→檢查

圖1 擠壓TC4合金U型材

1.2 U型材矯直方案

在金屬擠壓過程中，型材截面上各處的金屬流動(dòng)速度差異較大，導(dǎo)致金屬擠出?？字髸l(fā)生扭擰（見圖1）。盡管可以通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)改善截面上金屬速度場分布狀態(tài)，鈦合金型材仍需在擠出之后進(jìn)行矯直，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的矯直方案。

U型材矯直在電接觸熱張力矯直設(shè)備上進(jìn)行矯直（圖2），研究矯直過程中的加熱溫度、矯直后的降溫速率及拉伸力等工藝參數(shù)對型材彎曲度及扭擰度的影響，根據(jù)熱張力矯直理論計(jì)算公式（1-1），提出合理的工藝參數(shù)值，保證能夠獲得滿足彎曲度及扭擰度指標(biāo)要求的制品和矯直工藝。其中式中TC4合金不同溫度下屈服強(qiáng)度δs見表1[4]，假設(shè)U型材斷面為均勻斷面，K安全系數(shù)為1。F為型材斷面實(shí)際測量值。矯直加熱溫度分別為600℃、650℃、700℃和720℃，降溫速率分別為30℃/min、40℃/min、50℃ /min和60℃/min，具體矯直工藝方案見表1。

熱張力矯直施加的拉力P應(yīng)滿足下式[4]：

圖2 U型材矯直實(shí)物照片

式中：K—考慮斷面不均等的安全系數(shù)；

δs—金屬工件的屈服強(qiáng)度，公斤/毫米2；

F—工件的斷面積；

2 U型材熱張力矯直影響因素分析

根據(jù)表1給出的試驗(yàn)方案，考慮的影響參數(shù)分別為：加熱溫度和降溫速率，通過對不同試驗(yàn)方案型材彎曲度測量結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)參數(shù)的改變都會引起相應(yīng)變形結(jié)果發(fā)生一定的變化，為了研究這些參數(shù)變化時(shí)彎曲度變形變化規(guī)律，需要分析單個(gè)參數(shù)變化時(shí)矯直變形的變化規(guī)律以及其性能和組織的影響。

2.1 加熱溫度對型材矯直結(jié)果的影響

如圖3和4分別為降溫速率為30℃/min和40℃/min時(shí)，不同加熱溫度下的矯直變形情況。

從圖3和4中可以看出，在相同降溫速率條件下，U型材的底面平直度、橫向和扭擰度隨著矯直溫度升高，U型材矯直變形效果更好。當(dāng)矯直溫度為720℃，降溫速率為30℃/min和40℃/min時(shí)，U型材的底面平直度、橫向和扭擰度都滿足AMS2245《鈦及鈦合金擠壓條、棒材及型材尺寸公差》的相關(guān)要求。這是由于矯直溫度升高，合金本身變形抗力會隨之減小，擠壓冷卻過程中產(chǎn)生應(yīng)力逐漸消除，使合金更加容易變形，所以U型材矯直變形隨著矯直溫度的升高而增加，考慮到TC4合金退火溫度限制以及高溫對型材氧化程度，所以熱張力矯直溫度不能高于退火溫度。

表1 U型材矯直工藝匹配試驗(yàn)方案

圖3 不同加熱溫度的矯直變形情況（30℃/min）

圖4 不同加熱溫度的矯直變形情況（40℃/min）

圖5 不同降溫速率的矯直變形情況（600℃）

圖6 不同降溫速率的矯直變形情況（720℃）

2.2 降溫速率對型材矯直結(jié)果的影響

降溫速率的大小對U型材矯直變形的影響情況如圖5及6所示。

由圖5、圖6所示可以看出，在相同加熱溫度條件下，隨著降溫速率的增加，U型材的矯直變形隨之減小。這種變化趨勢是在矯直拉伸力不變和加熱溫度不變的情況下，型材合金由于隨著降溫速率增加，型材表里溫差越大，矯直變形后的回彈性越大，所以U型材矯直變形大小隨著溫降速率的增加而減小。當(dāng)降溫速率為30℃/min時(shí)，型材內(nèi)外表面的冷卻速度差減小，內(nèi)外表面收縮率速度趨于一致，使得熱效應(yīng)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變回復(fù)減小，從而更好的保持了型材高溫矯直變形狀態(tài)。

2.3 矯直工藝對型材組織和性能的影響

矯直工藝對U型材組織和性能的影響情況如圖7和8所示。

圖7 矯直前后U型材組織形貌

圖8 矯直前后U型材的力學(xué)性能

圖7所示矯直前后U型材組織的變化情況，從圖中我們可以看出，矯直前后U型材組織形貌基本沒有發(fā)生變化，都是典型β單相區(qū)熱加工組織的基本形貌，原始β晶界整體比較清晰和完整，針狀的α相有序排列在晶界上，晶粒呈多邊形狀且較粗大，長條形α相分布在β晶粒內(nèi)，由灰白色相間長條α＋β相組成的整個(gè)晶粒。這表明型材矯直加熱溫度和矯直變形產(chǎn)生的熱量并沒有改變型材原始β加工組織形貌。

圖8所示矯直溫度對U型材力學(xué)性能的影響，從圖中我們可以看出不同矯直加熱溫度的抗拉強(qiáng)度Rm為962～976MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2為865～878MPa，延伸率為12.5%～14.5%，斷面收縮率為24%～27%，滿足U型材的力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度Rm≥896MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥827MPa，延伸率A≥10%，斷面收縮率Z≥20%的技術(shù)性能要求。表明矯直加熱溫度不高于成品退火溫度，對U型材的組織和性能影響變化不大。

3 結(jié)論

（1）熱張力矯直加熱溫度和降溫速率對鈦合金U型材矯直變形影響明顯，在相同降溫速率條件下，隨著矯直溫度升到，U型材矯直變形效果更好。在相同加熱矯直溫度條件下，隨著降溫速率的增大，U型材的矯直變形隨之減?。?/p>

（2）矯直加熱溫度720℃和降溫速率30℃/min時(shí)，矯直后U型材滿足產(chǎn)品的使用技術(shù)的相關(guān)要求。矯直加熱溫度不高于成品退火溫度，矯直加熱溫度對U型材組織和性能的影響不明顯。