TC4钛合金板材热轧处理工艺改进研究

陈 肖

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

伴随着我国科学技术的快速进步，钛合金材料在我国高端产品中的应用越来越广泛，使得钛合金应用领域逐渐由航空航天与国防军工领域逐渐向民用领域发展，在海洋、汽车制造业等领域的应用逐渐增多[1，2]。基于此，探求更低成本的钛合金加工工艺技术，提高原材料成材率以及降低损失是十分有必要的。虽然我国钛合金锻造工艺较为成熟，但在热轧处理过程中仍然存在较多问题，如钛合金普遍具有较强的抗拉强度等，导致制作的板材断面组织不均匀等问题极为普遍[3，4]。因此，本文以TC4钛合金为研究对象，改进其热轧处理工艺，为提高TC4钛合金热轧处理质量提供参考。

1 试验原材料及过程

本文试验所用材料为TC4钛合金板材，规格为100mm×30mm×9mm的板材，将原材料放入电阻加热炉中升温加热处理，在温度800℃～1000℃和压下量为20%、40%条件下轧制TC4钛合金，轧辊辊径为200mm，将轧制成的TC4钛合金板材若干份进行工艺试验，用蔡司Axio Observer光学显微镜进行TC4钛合金板材显微组织观察。

2 试验结果与分析

2.1 热轧试验结果

本次试验分别在20%和40%压下量进行不同工艺单道次实测轧制力试验。在20%压下量和800℃温度条件下，获得实测轧制力为252kN；在20%压下量和850℃温度条件下，获得实测轧制力为221kN；在20%压下量和900℃温度条件下，获得实测轧制力为197kN；在20%压下量和950℃温度条件下，获得实测轧制力为146kN；在20%压下量和1000℃温度条件下，获得实测轧制力为99kN。在40%压下量和800℃温度条件下，获得实测轧制力为425kN；在40%压下量和850℃温度条件下，获得实测轧制力为405kN；在40%压下量和900℃温度条件下，获得实测轧制力为350kN；在40%压下量和950℃温度条件下，获得实测轧制力为333kN；在40%压下量和1000℃温度条件下，获得实测轧制力为262kN。在20%压下量条件下，分别在800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃条件下获得不同工艺单道次扎后表面温度分别为660℃、695℃、760℃、826℃和929℃；在40%压下量条件下，分别在800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃条件下获得不同工艺单道次扎后表面温度分别为620℃、650℃、710℃、760℃和860℃。

由上可知，随着不同工艺的变化，在压下量相同的情况下，实测轧制力逐渐降低，而轧后表面温度逐渐升高；在温度相同的情况下，压下量越大，实测轧制力越大，而轧后表面温度则降低。导致这一现象的原因在于TC4钛合金在同一温度下随着压下量的逐渐增加，钛合金板材呈层片状分布的α相晶粒会发生球化和动态再结晶，导致TC4钛合金板材中的晶粒破碎程度逐渐增大[3]。在900℃条件下，若温度更高则显微组织再结晶程度更高，晶粒球化和再结晶均匀程度也越好，生产出来的TC4钛合金板材质量也就越好。

2.2 实测轧制力与理论结果分析

轧制力是钛合金板材制作过程中重要的轧制参数，对整体轧制工艺改进以及最终轧制参数确定有积极作用，直接影响着轧辊安全性能以及板材的成形性能等方面。因此，通过实测轧制力与理论仿真结果对比分析，可以了解TC4钛合金轧制过程中相互作用力的变化规律，为进一步改进热轧工艺提供帮助。根据理论仿真模拟结果显示，本次试验所获得实测轧制力与理论轧制力的变化趋势是一致的，轧制力结果相近。因此，本文所采用的轧制工艺是合理的，虽然实测轧制力与理论轧制力存在一定的误差，这是由于试验所选用的TC4钛合金板材体积较小，在加热炉中拿出后放置轧机入口处时钛合金板材的实际温度已经降低，最终导致实测温度与理论仿真计算温度存在差异，进而导致轧制力存在一定的误差。

2.3 实测表面温度与理论结果分析

在钛合金板材生产工艺中，温度是影响板材质量和性能的另一重要指标，也是确定最终热轧处理工艺的重要参数。温度对TC4钛合金板材的影响极为明显，主要表现在对TC4钛合金板材内部显微组织和性能的影响。因此，在确定钛合金制作工艺时对温度的预测和控制尤为重要。本文统计了在不同工艺中单道次试验扎后表面温度变化规律，得出在相同压下量下表面温度随着热轧温度升高而逐渐升高；在相同热轧温度下，随着压下量增加，实测表面温度逐渐降低。经过理论仿真计算后，实测表面温度与理论仿真计算的表面温度曲线具有一致的变化规律，二者的误差较小，说明本次选用的热轧处理工艺是合理的。

2.4 热轧处理工艺改进

为了研究TC4钛合金变形过程中的流动规律，本次试验选取应变为0.2、0.3和0.4时的流变应力数据进行加工图理论研究。将不同应变数据对应下的功率耗散图与塑性失稳图堆叠在一起，生成对应的热加工图。

结果显示，在不同的应变条件下，加工图中的稳定安全区域和失稳区域的位置总体上具有相似的变化规律。总体上具有如下的变化规律：随着应变量的逐渐增加，失稳区稳定区略有增加。当应变为0.2时，失稳范围介于700℃～800℃，此时对应的应变速率范围为0.1s-1～0.55s-1；安全温度范围为700℃～730℃，对应的应变速率为4s-1～20s-1，此时所制作成的合金流变失稳率较高，所生产的TC4钛合金显微组织存在缺陷，钛合金整体性能也较差。当应变为0.3时，失稳范围介于700℃～850℃，此时对应的应变速率范围为0.1s-1～0.55s-1；安全温度范围为700℃～730℃，对应的应变速率为4s-1～20s-1（温度为1050℃），此时所制作成的合金流变失稳位置变化较大，导致温度范围难以掌握，造成TC4钛合金成形难度较大。当应变为0.4时，失稳范围介于700℃～850℃，此时对应的应变速率范围为0.1s-1～0.55s-1；安全温度范围为700℃～730℃，对应的应变速率为4s-1～20s-1（温度为1050℃），此时所制作成的合金流变失稳位置变化较大，造成TC4钛合金成形难度较大。综上所述，根据TC4钛合金热压缩流变应力数据进行了热加工试验，获得最终的加工安全温度为890℃～1000℃，此时对应的应变速率为0.1s-1～20s-1；失稳区范围为700℃～850℃，此时对应的应变速率为0.1s-1～0.55s-1。

3 结语

综上所述，TC4钛合金具有密度小，硬度高、可焊接性能好以及成形性能好的优势，其应用领域也极为广泛。TC4钛合金在两相区主要以再结晶的软化机制为主，而在高温单相区以动态回复机制为主。TC4钛合金随着不同工艺的变化，在压下量相同的情况下，实测轧制力逐渐降低，而轧后表面温度逐渐升高；在温度相同的情况下，压下量越大，实测轧制力越大，而轧后表面温度则降低。经过实测轧制力与轧后表面温度的理论仿真模拟计算，本次单道次轧制试验实测数据与理论计算数据变化规律一致，说明本文所获加工安全温度为890℃～1000℃和失稳区范围为700℃～850℃的结果是合理的。