TC4鈦合金板材熱軋?zhí)幚砉に嚫倪M(jìn)研究

陳 肖

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

伴隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步，鈦合金材料在我國高端產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，使得鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域逐漸由航空航天與國防軍工領(lǐng)域逐漸向民用領(lǐng)域發(fā)展，在海洋、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多[1，2]?；诖?，探求更低成本的鈦合金加工工藝技術(shù)，提高原材料成材率以及降低損失是十分有必要的。雖然我國鈦合金鍛造工藝較為成熟，但在熱軋?zhí)幚磉^程中仍然存在較多問題，如鈦合金普遍具有較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度等，導(dǎo)致制作的板材斷面組織不均勻等問題極為普遍[3，4]。因此，本文以TC4鈦合金為研究對(duì)象，改進(jìn)其熱軋?zhí)幚砉に?，為提高TC4鈦合金熱軋?zhí)幚碣|(zhì)量提供參考。

1 試驗(yàn)原材料及過程

本文試驗(yàn)所用材料為TC4鈦合金板材，規(guī)格為100mm×30mm×9mm的板材，將原材料放入電阻加熱爐中升溫加熱處理，在溫度800℃～1000℃和壓下量為20%、40%條件下軋制TC4鈦合金，軋輥輥徑為200mm，將軋制成的TC4鈦合金板材若干份進(jìn)行工藝試驗(yàn)，用蔡司Axio Observer光學(xué)顯微鏡進(jìn)行TC4鈦合金板材顯微組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱軋?jiān)囼?yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)分別在20%和40%壓下量進(jìn)行不同工藝單道次實(shí)測軋制力試驗(yàn)。在20%壓下量和800℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為252kN；在20%壓下量和850℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為221kN；在20%壓下量和900℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為197kN；在20%壓下量和950℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為146kN；在20%壓下量和1000℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為99kN。在40%壓下量和800℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為425kN；在40%壓下量和850℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為405kN；在40%壓下量和900℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為350kN；在40%壓下量和950℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為333kN；在40%壓下量和1000℃溫度條件下，獲得實(shí)測軋制力為262kN。在20%壓下量條件下，分別在800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃條件下獲得不同工藝單道次扎后表面溫度分別為660℃、695℃、760℃、826℃和929℃；在40%壓下量條件下，分別在800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃條件下獲得不同工藝單道次扎后表面溫度分別為620℃、650℃、710℃、760℃和860℃。

由上可知，隨著不同工藝的變化，在壓下量相同的情況下，實(shí)測軋制力逐漸降低，而軋后表面溫度逐漸升高；在溫度相同的情況下，壓下量越大，實(shí)測軋制力越大，而軋后表面溫度則降低。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于TC4鈦合金在同一溫度下隨著壓下量的逐漸增加，鈦合金板材呈層片狀分布的α相晶粒會(huì)發(fā)生球化和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，導(dǎo)致TC4鈦合金板材中的晶粒破碎程度逐漸增大[3]。在900℃條件下，若溫度更高則顯微組織再結(jié)晶程度更高，晶粒球化和再結(jié)晶均勻程度也越好，生產(chǎn)出來的TC4鈦合金板材質(zhì)量也就越好。

2.2 實(shí)測軋制力與理論結(jié)果分析

軋制力是鈦合金板材制作過程中重要的軋制參數(shù)，對(duì)整體軋制工藝改進(jìn)以及最終軋制參數(shù)確定有積極作用，直接影響著軋輥安全性能以及板材的成形性能等方面。因此，通過實(shí)測軋制力與理論仿真結(jié)果對(duì)比分析，可以了解TC4鈦合金軋制過程中相互作用力的變化規(guī)律，為進(jìn)一步改進(jìn)熱軋工藝提供幫助。根據(jù)理論仿真模擬結(jié)果顯示，本次試驗(yàn)所獲得實(shí)測軋制力與理論軋制力的變化趨勢是一致的，軋制力結(jié)果相近。因此，本文所采用的軋制工藝是合理的，雖然實(shí)測軋制力與理論軋制力存在一定的誤差，這是由于試驗(yàn)所選用的TC4鈦合金板材體積較小，在加熱爐中拿出后放置軋機(jī)入口處時(shí)鈦合金板材的實(shí)際溫度已經(jīng)降低，最終導(dǎo)致實(shí)測溫度與理論仿真計(jì)算溫度存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致軋制力存在一定的誤差。

2.3 實(shí)測表面溫度與理論結(jié)果分析

在鈦合金板材生產(chǎn)工藝中，溫度是影響板材質(zhì)量和性能的另一重要指標(biāo)，也是確定最終熱軋?zhí)幚砉に嚨闹匾獏?shù)。溫度對(duì)TC4鈦合金板材的影響極為明顯，主要表現(xiàn)在對(duì)TC4鈦合金板材內(nèi)部顯微組織和性能的影響。因此，在確定鈦合金制作工藝時(shí)對(duì)溫度的預(yù)測和控制尤為重要。本文統(tǒng)計(jì)了在不同工藝中單道次試驗(yàn)扎后表面溫度變化規(guī)律，得出在相同壓下量下表面溫度隨著熱軋溫度升高而逐漸升高；在相同熱軋溫度下，隨著壓下量增加，實(shí)測表面溫度逐漸降低。經(jīng)過理論仿真計(jì)算后，實(shí)測表面溫度與理論仿真計(jì)算的表面溫度曲線具有一致的變化規(guī)律，二者的誤差較小，說明本次選用的熱軋?zhí)幚砉に囀呛侠淼摹?/p>

2.4 熱軋?zhí)幚砉に嚫倪M(jìn)

為了研究TC4鈦合金變形過程中的流動(dòng)規(guī)律，本次試驗(yàn)選取應(yīng)變?yōu)?.2、0.3和0.4時(shí)的流變應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行加工圖理論研究。將不同應(yīng)變數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)下的功率耗散圖與塑性失穩(wěn)圖堆疊在一起，生成對(duì)應(yīng)的熱加工圖。

結(jié)果顯示，在不同的應(yīng)變條件下，加工圖中的穩(wěn)定安全區(qū)域和失穩(wěn)區(qū)域的位置總體上具有相似的變化規(guī)律。總體上具有如下的變化規(guī)律：隨著應(yīng)變量的逐漸增加，失穩(wěn)區(qū)穩(wěn)定區(qū)略有增加。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.2時(shí)，失穩(wěn)范圍介于700℃～800℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率范圍為0.1s-1～0.55s-1；安全溫度范圍為700℃～730℃，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為4s-1～20s-1，此時(shí)所制作成的合金流變失穩(wěn)率較高，所生產(chǎn)的TC4鈦合金顯微組織存在缺陷，鈦合金整體性能也較差。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.3時(shí)，失穩(wěn)范圍介于700℃～850℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率范圍為0.1s-1～0.55s-1；安全溫度范圍為700℃～730℃，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為4s-1～20s-1（溫度為1050℃），此時(shí)所制作成的合金流變失穩(wěn)位置變化較大，導(dǎo)致溫度范圍難以掌握，造成TC4鈦合金成形難度較大。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.4時(shí)，失穩(wěn)范圍介于700℃～850℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率范圍為0.1s-1～0.55s-1；安全溫度范圍為700℃～730℃，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為4s-1～20s-1（溫度為1050℃），此時(shí)所制作成的合金流變失穩(wěn)位置變化較大，造成TC4鈦合金成形難度較大。綜上所述，根據(jù)TC4鈦合金熱壓縮流變應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行了熱加工試驗(yàn)，獲得最終的加工安全溫度為890℃～1000℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為0.1s-1～20s-1；失穩(wěn)區(qū)范圍為700℃～850℃，此時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率為0.1s-1～0.55s-1。

3 結(jié)語

綜上所述，TC4鈦合金具有密度小，硬度高、可焊接性能好以及成形性能好的優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域也極為廣泛。TC4鈦合金在兩相區(qū)主要以再結(jié)晶的軟化機(jī)制為主，而在高溫單相區(qū)以動(dòng)態(tài)回復(fù)機(jī)制為主。TC4鈦合金隨著不同工藝的變化，在壓下量相同的情況下，實(shí)測軋制力逐漸降低，而軋后表面溫度逐漸升高；在溫度相同的情況下，壓下量越大，實(shí)測軋制力越大，而軋后表面溫度則降低。經(jīng)過實(shí)測軋制力與軋后表面溫度的理論仿真模擬計(jì)算，本次單道次軋制試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致，說明本文所獲加工安全溫度為890℃～1000℃和失穩(wěn)區(qū)范圍為700℃～850℃的結(jié)果是合理的。