TC4鈦合金熱連軋棒材孔型改進

供稿|黃帆，海敏娜，蔣繼新 / HUANG Fan, HAI Min-na, JIANG Ji-xin

內(nèi)容導讀

為了使φ15.5 mmTC4鈦合金熱連軋棒材組織更加均勻、晶粒更加細小、性能更加優(yōu)異，優(yōu)化設(shè)計了φ15.5 mm TC4鈦合金熱連軋預精軋棒材孔型，并對比分析了原孔型和優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mm TC4鈦合金棒材預精軋各道次的變形量、顯微組織和力學性能。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計的φ15.5 mm TC4鈦合金熱連軋預精軋棒材孔型中除預精軋2的道次變形量比原孔型低，其余各道次的變形量幾乎都高于原孔型，而且都在20%以上；采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mm TC4鈦合金熱連軋棒材顯微組織中初生α相含量較原孔型軋制的初生α相含量增多，其分布更加均勻、細??；優(yōu)化孔型軋制的棒材各項力學性能都優(yōu)于原孔型軋制的棒材。

近幾年隨著科技發(fā)展，TC4鈦合金在航空、航天、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用，尤其小規(guī)格棒材在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用日益增加。鈦及鈦合金小規(guī)格棒材一般采用傳統(tǒng)的橫列式軋機生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低，棒材表面尺寸、平直度等各方面差。為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)定性，國內(nèi)已經(jīng)開始使用熱連軋技術(shù)生產(chǎn)小規(guī)格鈦及鈦合金棒材，其優(yōu)點是可生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格多、外觀質(zhì)量好、生產(chǎn)周期短、成品率高等。

鈦及鈦合金熱連軋棒材生產(chǎn)線采用橢圓-圓孔型系統(tǒng)，其優(yōu)點是：①軋件在橢圓與圓形孔之間能平滑過渡，避免了不均勻變形產(chǎn)生的局部應(yīng)力；②橢圓孔與圓形孔軋出的軋件斷面無棱角，冷卻均勻，消除了溫度不均勻引起的軋制裂紋；③易去除軋件表面氧化皮，可在延伸孔型中生產(chǎn)成品圓形鈦及鈦合金棒材[1]。

鈦及鈦合金熱連軋機組由中軋機組、預精軋機組、精軋機組3部分組成。本實驗采用的鈦及鈦合金熱連軋預精軋機組的坯料規(guī)格為φ30 mmTC4鈦合金棒材，經(jīng)6道次軋制成規(guī)格為φ15.5 mmTC4鈦合金棒材。表1是原孔型系統(tǒng)各道次的軋制變形量，由表1可以看出原孔型系統(tǒng)特點是生產(chǎn)的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的成品前和成品孔的道次變形量太小，不能達到細化晶粒的目的，因此對預精軋機組孔型系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。本實驗優(yōu)化設(shè)計了鈦及鈦合金預精軋孔型系統(tǒng)，并對比分析了采用優(yōu)化孔型和原孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的顯微組織和力學性能。

表1 原孔型系統(tǒng)各道次變形量

孔型優(yōu)化設(shè)計

總延伸及軋制道次的確定

鈦及鈦合金熱連軋棒材預精軋機組是對中軋機組提供的中間坯料進行連續(xù)加工變形，既可為精軋機組提供中間坯料也可生產(chǎn)成品鈦及鈦合金棒材。本實驗采用的坯料規(guī)格為φ30 mm，軋制成品規(guī)格為φ15.5 mm，其總延伸系數(shù)為：

由于鈦及鈦合金形抗力較高，軋制棒材、線材時的道次平均延伸系數(shù)都不大。根據(jù)經(jīng)驗，TC4鈦合金的平均延伸系數(shù)一般取μc=1.248[2]，則軋制道次為：n=lgμΣ/ lgμc=lg 3.746/lg 1.248=5.96?？紤]到實際孔型的分布形式，取軋制道次n=6。

成品孔(K1)的確定

成品孔的尺寸主要有寬度尺寸bk和高度尺寸hk，因為成品孔垂直方向的溫度低于水平方向的溫度及寬展條件的變化，為防止成品過充滿出現(xiàn)耳子，必須使bk大于hk，寬展尺寸bk值一般按正公差或部分正公差考慮。預精軋允許偏差為±0.25 mm。

式中，Δ+和Δ–分別為成品孔允許的正負偏差，計算中系數(shù)取定值。輥縫S=(0.1~0.15)hk=1.5 mm。

采用高精度法繪制成品孔的擴張角<30°，孔型兩側(cè)用切線聯(lián)結(jié)的。采用高精度法計算成品孔K1的擴張角θ過程：

其中，α為此孔型咬入角，φ為此孔型的中性角。用高精度法繪制成品孔圖K1如圖1所示。

成品再前孔(K3)的確定

圓-橢圓-圓孔型系統(tǒng)的成品再前孔為圓孔，孔型尺寸圖如圖2所示。

基圓直徑D3=(1.15~1.28)d0=1.23×15.5 mm=19 mm，計算中系數(shù)取定值1.23，孔高hk3=D3，采用切線法進行擴張，取擴張角θ=30°[3]，輥縫S=(0.1~0.15)hk=3 mm，計算中系數(shù)取定值。

成品前孔(K2)確定

用絕對寬展系數(shù)計算法確定成品前孔，孔型圖如圖3所示，軋件在橢圓-圓孔型系中的寬展系數(shù)如表2所示。

式中：A為成品再前孔K3的圓坯直徑；β1為成品孔的絕對寬展系數(shù)，見表2；β2為橢圓孔型的絕對寬展系數(shù)，見表2；d為成品圓孔K1的圓坯直徑。

表2 軋件在橢圓-圓孔型中的寬展系數(shù)

由表2取β1=0.4，β2=1.1，則由絕對寬展系數(shù)法計算：

原孔型和優(yōu)化孔型分析

預精軋道次變形量

在鈦及鈦合金熱連軋棒材生產(chǎn)線上分別采用原孔型和優(yōu)化過孔型軋制φ15.5 mmTC4鈦合金棒材，預精軋各道次變形量如圖4所示。由圖4可以看出優(yōu)化孔型中(除預精軋2)的道次變形量比原孔型低，其余各道次的變形量幾乎都高于原孔型，而且都在20%以上。

軋制φ15.5 mmTC4鈦合金顯微組織

圖5為采用原孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材顯微組織形貌，由圖5可以看出采用原孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材其顯微組織均勻性較差，β基體上分布著等軸初生α和粗大的長條α。這是由于原孔型預精軋道次變形量小，不能使晶粒充分破碎，達到細化晶粒的目的[4]。

圖6 為采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材組織形貌，由圖6可以看出采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材其顯微組織為β基體上均勻分布著細小的等軸初生α相。這是由于孔型優(yōu)化后(除預精軋2)各道次的變形量都有所增加，各道次變形更加均勻，使晶粒破碎更加充分。

軋制φ15.5 mmTC4鈦合金力學性能

采用原孔型和優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的力學性能如表3所示。由表3可以看出采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的抗拉強度和屈服強度都高于原孔型，延伸率略低于原孔型，斷面收縮率變化不明顯，且采用優(yōu)化孔型軋制的棒材力學性能富余量大，其性能均符合GB/T 13810—2007標準及合同訂貨要求。

結(jié)束語

(1) 優(yōu)化孔型較原孔型預精軋道次變形量增大，增加軋制道次變形量能達到晶粒破碎、細化晶粒的目的。

(2) 優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材等軸初生α含量增多，組織更加均勻、晶粒更加細小。

表3 φ15.5 mmTC4鈦合金棒材力學性能

(3) 與原孔型相比，采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的各項力學性能更優(yōu)。