适用于超塑成形的TC4 薄板轧制工艺研究

张海深

（抚顺特钢股份有限公司，辽宁 抚顺 113001）

0 引言

TC4 钛合金是目前使用最为广泛的一种α+β 两相合金。因其具有良好的室温、耐高温、抗疲劳、抗裂缝等特性，在航天、武器装备等方面具有广泛应用。近几年，随着航空航天行业的快速发展，TC4 钛合金板材在国内的需求量不断增加[1]。随着“大飞机”项目的实施，TC4 钛合金薄片有望得到更为广泛的应用。通过对TC4 合金成分、热加工工艺和热处理工艺的探讨，发现TC4 合金的微观结构与性能有很大关系[2]。

1 研究背景

轧制是金属加工的基本工艺，加工工艺的优劣将直接影响到生产。近年来，国内对TC4 钛合金板的需求量不断增加，超塑性材料的应用范围从航空航天用的构件发展到了航天用的大型集装箱和超大型复杂构件，比如宇宙飞船的压力容器、火箭发动机外壳、飞机蒙皮、肋骨、腹板等，并对其具备的室温、高温、超塑性等性能进行了新的探索[3]。TC4 超塑性材料的显微结构必须是均匀的、细小的、平均颗粒直径小于8 μm、无富氧的等轴晶型的α+β；室温下的横向机械强度σb＞925 MPa、σ0.2＞870 MPa，400 ℃下高温力学性能满足σb≥590 MPa，σ100h≥540 MPa；在920℃下，在10-4s-1的应变率范围内，单向拉伸伸长率为1 000%。因此，为了满足超塑性航空工业发展的需要，研制TC4 超塑性材料，在技术上改善其性能和工艺水平，仍是当前需要研究的一个主要问题。

2 实验方法

实验原材料为海绵钛、铝豆、中间合金，通过真空自耗式电弧炉进行二次冶炼，得到TC4 钛金铸锭，其组成为w（Al）=5.5%～6.75%、w（V）=3.5%～4.5%、w（Fe）≤0.3%、w（C）≤0.08%、w（N）≤0.05%、w（O）≤0.18%、w（H）≤0.0125%、w（Si）≤0.04%，余量为Ti，相变点为998℃。

本实验使用同一批铸锭，经过快速锻机多火二次镦拔成形，在加热炉内，将坯料加热到α+β 两相区，在热轧机上进行两火热轧开坯至12～15 mm，然后进行β 淬火，经换向后进行热轧，直到3.2 mm，热轧后的整体变形不小于60%。采用单片轧制、包覆钢板多层叠轧和多层直接氩弧焊叠轧三种方法制备厚度1.5 mm的TC4 薄钢板。在轧制结束后，用800 ℃保温0.5 h 的空气退火，并进行空气冷却。通过对TC4 薄钢板的室温性能、高温性能及微观结构的测试，对其优缺点、工艺过程和产品特性进行了对比，讨论了润滑对叠轧板材表面质量的影响，得出适合TC4 的轧制工艺。

3 探讨和剖析

3.1 三种轧制方法的比较

包覆叠轧是在TC4 或其他钛合金中厚板周围包覆一定厚度的碳钢板，内部放置4 块厚度为3.2 mm的TC4 板材，在其周围用钢条焊接而成，经热轧、分离、表面处理后得到热轧薄板。TC4 钛合金薄板的包覆叠轧工艺由于减薄率小于l，真实厚度是很难测定的，利用测长方法来控制轧制厚度，但这种方法存在很大的误差，最佳方法是根据钛合金板与钢板的减薄率来确定包覆钢板和钛板的厚度。同时，根据钛对钢材的延展率和加工率，计算出所需的钢板厚度和长度，由于焊接费时费力，所以采用碳钢作为外壳，可以减少表面温度的下降，减少轧制力。在不影响材料性能的前提下，采用较轻的材质，用增大壁板厚度的方法来提高其强度，从而提高两相区的加工效率，改善组织和性能，保护金属，减少污染，使得板材的光洁度达到均匀一致。

单片法轧制由于其在低温下的塑性很差，而在冷处理时又具有很高的硬度，所以采用单片法制作薄板难度较大。它的冷轧变形不超过25%，需要经过多次冷轧、中间退火、碱酸洗，同时在轧制冷却过程中还存在着温度应力和残余应力，这些应力的叠加会出现应力集中，导致裂纹、脱渣和压坑等工艺问题的出现。根据有关研究，在TC4 薄板生产中，碱洗、磨削等工序所产生的无形损失占10%左右，而整体合格率仅为50%，生产周期较长。所以，用单一的方法制造薄板是非常困难的。

多片直接氩弧焊接叠轧是采用氩弧焊将4 块厚度为3.2 mm 的TC4 板材周围焊接成坯，经分离、表面处理得到最终的热轧板材。在三到四个焊块的情况下，中间料温度下降较低、变形较大，对材料有一定的破坏作用。纵向伸长率大于上下表面的两块料，会将头尾焊接部位顶开，无法顺利轧至成品尺寸，所以只能两两叠轧。直氩弧焊接叠轧工艺简单、省时，在生产出厚度不超过2.0 mm 的板坯时，采用双线氩弧焊接堆轧工艺，其厚度下降缓慢，温度下降迅速，需要反复回火。

3.2 TC4 三种不同轧制方法的性能比较

三种不同的轧制方法得到的薄板制品的微观结构见图1。

图1 三种轧制方式生产的板材显微组织

板材显微组织均为基本均匀细小的等轴晶组织，满足超塑成形用板材对显微组织的要求。其中包覆叠轧板材的组织形态和尺寸趋于一致，但在板芯附近的组织更均匀细小，而单板轧制的板坯组织中存在少量拉长的条状α 相，且晶粒较大。这是因为在叠轧过程中，钢板与轧辊的相互作用，而钢板的延展性优于TC4 合金板，在轧制过程中，可以进行“润滑”，从而使得板料的组织更加均匀一致；另外，在TC4 合金薄板进行叠轧时，可以降低其温度下降速率，从而使其变形更均匀，达到更好的组织结构。

三种轧制工艺的板材的室温特性见下表1，其高温特性见下表2。

表1 三种轧制方式生产的板材室温性能

表2 三种轧制方式生产的板材高温性能

从表1-2 可以看出，三种不同的轧制工艺制备的TC4 板材，其室温高温性能有一定的差别，但均满足其超塑性成形的需要。经920 ℃处理后，该复合材料具有良好的机械性能、较低的强度、较大的加工范围、较好的常温拉伸能力，920 ℃时的超塑性可达1 120%，对超塑制品的超塑成型更加有利。此外，在TC4 包覆热轧过程中，将其包覆于钢包壳中，没有与空气直接接触，没有被表面污染，最终的工艺特性（弯曲）非常好。从轧制过程上可以看出，由于采用热轧工艺，使冷轧工艺中不易成形的零件变为热加工，通过这种方法可以有效地解决板材表面裂纹、压坑等缺陷，减少损失，提高效率。从板性能方面，三种不同的轧制工艺均可获得TC4 板材的超塑性，包覆叠轧钢板的超塑性最好。所以在TC4 的超塑性成型中，采用包覆层轧制是一种适用于大批量生产的工艺。

3.3 润滑的影响

实验中使用了三种不同的润滑方式：无润滑、液体润滑和固体润滑。其中，以浆液作为隔离剂，以石墨为介质进行固体润滑。经过退火、分离、酸碱洗等工序后，得出以下结论：无润滑轧制后，板料间产生黏合现象，不能进行脱模；采用液体或固体润滑剂，能把板面加工成所需的光滑度。但液体润滑的轧件表面具有一定的光泽度，且总体均匀度很低，而使用固体润滑的板材表面质量总体上是一致的。所以，在叠轧过程中必须要使用润滑，且固体润滑为宜。固态润滑由于其无污染，表面质量均匀，成本低廉，可操作性强等特点被广泛应用。

4 结论

1）单片法轧制因为其在低温下塑性较差，且在冷加工中硬度较高，因此采用单片法生产薄板难度更大。采用单片轧制法和叠轧工艺，可以得到具有均匀微细等轴晶的TC4 钛合金薄板，叠轧板材组织更加均匀一致，性能更加稳定，特别是包覆叠轧板在弯折、超塑性等方面表现出显著的优越性，更适用于批量生产TC4 薄板。

2）虽然叠轧是一种常规的生产工艺，但在原料符合要求、加工工艺合理的情况下，该工艺适合于TC4 型超塑型钛合金板材的生产。在TC4钛合金薄板的包覆叠轧过程中，采用廉价的碳钢作为壳体，能够有效地降低表面温度，减小轧制力，提高钢板的受力状态，提高两相区域的加工效率，提高产品的结构和性能，降低材料表面污染。

3）在叠轧过程中，板材之间润滑剂是不可或缺的，由于固态润滑具有无污染、表面质量均匀、成本低廉、可操作性好等优点，因此选用固态润滑为最佳方式。