鈦合金有著極其優(yōu)異的性能，如小密度、耐蝕、高強、高屈強比等，在航空、船舶、電站及醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應用。鈦合金板材在近些年中，使用量逐年增長，各個領(lǐng)域的需求量均大幅增加，對于生產(chǎn)廠家來說，隨之帶來的問題就是各個需求領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)問題。由于鈦合金板材的變形阻抗高、熱 加工溫度范圍狹窄，因此，熱加工時易產(chǎn)生裂紋，增加了制造難度。小規(guī)格鈦合金板材一般是指6mm以下厚度的板材，在航天及醫(yī)用方向的市場較大。市場大的情況下客戶對其產(chǎn)品的組織性能要求也相對嚴苛，所以，熱加工環(huán)節(jié)要具有合適的工藝才能得到較好的組織性能，小規(guī)格板材在生產(chǎn)中常常采用鐓拔鍛造 ＋板坯加熱軋制的生產(chǎn)工藝路線，但是組織往往不是特別優(yōu)化的狀態(tài)，僅鍛造過程其實也會帶來很大的差異化。鈦合金屬于難變形金屬，所有鈦材的熱加工環(huán)節(jié)中，鍛造尤為重要，因此，在板坯鍛造工藝研發(fā)中必須予以重視。想要得到目標組織與性能的鈦合金鍛件，取決于合金的化學成分和熱處理，另一方面其鍛造的溫度范圍、變形程度和變形速度等熱力參數(shù)，對鈦合金鍛件的組織及性能也有很大的影響［1－2］。

鑄件鍛造方式一般分為 3種：自由鍛造、模鍛造和鐓拔鍛造，其中模鍛造是在專用的模鍛設(shè)備上利用模具使毛坯成形而獲得鍛件的鍛造方法，并不適用于板坯的生產(chǎn)。本文旨在通過對比自由鍛造和鐓拔鍛造兩種方式來生產(chǎn)TC4鈦合金小規(guī)格板材，從而得到最優(yōu)化的生產(chǎn)工藝方式。

1、實驗過程

選取成分符合GB/T 3620.1—2007［3］的TC4鈦合金鑄錠進行生產(chǎn)實驗，其成分如表1所示，經(jīng)檢測其相變點為 970℃。采用 3150t油壓機鍛造，軋制采用 Φ2800mm 四輥可逆熱軋機配合外加Φ800mm四輥可逆熱軋機組來生產(chǎn)小規(guī)格板材。

工藝方案：將 30ｋｇ鑄錠進行中分切，分別進行兩 種 方 式 的 鍛 造， 加 工 至 （70～180） mm×1000＋100mm×1500＋100mm （厚度×寬度×長度） 的待軋制板坯尺寸后再進行軋制生產(chǎn)。自由鍛造工藝為：1150℃一火鍛造，1050℃二火鍛造及板坯整形至相應尺寸。鐓拔鍛造工藝為：1150℃一火鐓拔鍛造 （三鐓三拔），1050℃二火鐓拔鍛造 （三鐓三拔），視板坯開裂情況進行 1050℃回爐保溫，整形、鍛造為板坯尺寸，其中，鐓拔板坯按照 Ｈ0／Ｄ0（其中 Ｈ0、Ｄ0 分 別 為 鐓 粗 前 的 高 度 與 直 徑） 的15～20倍的鐓拔比來進行［3－4］。選擇以上工藝路線是為了保證對比的有效性，由于常規(guī)自由鍛造兩火次足夠完成，所以經(jīng)過測算鐓拔比后，鐓拔也同樣按照兩火次來進行操作，溫度選擇是按照多年生產(chǎn)積累總結(jié)的降溫梯度執(zhí)行，一火次為相變點以上，二火次為近相變點。

軋制采取相同的工藝來進行，確保對比的有效性。使用 Φ2800mm四輥可逆熱軋機，將厚度為 170～180mm的板坯在 940℃下軋制成厚度為50～60mm的 板 坯。在 920℃下，將 厚 度 為 50～60mm的板坯軋制為厚度 20mm的板坯 （換向軋制）。在 920℃下，將厚度為 20mm板 坯 軋 制 為厚度 10mm的板坯。使用 Φ800mm四輥可逆熱軋機，將厚度為 10mm的 板 坯 在 900℃ 下 軋 制為厚度為 3。6mm的成品板材。對成品板材的橫縱向金相以及性能方面的結(jié)果進行交叉對比，比較兩種不同鍛造方式在后續(xù)同樣工藝下的不同之處［4－5］。

2、實驗結(jié)果及分析

2.1　鍛造板坯金相組織對比

通過對兩種鍛造方式得到的組織進行對比可以發(fā)現(xiàn) （圖 1），無論是自由鍛造還是鐓拔鍛造，得到的組織在橫縱向上基本無差異，這是由于鑄錠鍛造板坯不同于單向拔長鍛造，微觀狀態(tài)下金屬流動始終在一定區(qū)域內(nèi)，不像單方向拔長鍛造中有一端為自由流動端，會造成較為明顯的差異化。

從自由鍛造得到的板坯組織中可以發(fā)現(xiàn) （圖 1ａ和圖 1ｂ），兩個方向的組織基本上一致，組織形貌較為復雜，存在魏氏體組織形貌 ＋局部網(wǎng)籃組織。

構(gòu)成此種形貌是由于：二火的鍛造溫度在相變點之上，自由鍛造由于是以成形為主，所以加工速度較快，導致終端溫度介于相變點左右且不均勻，局部在相變點之上形成魏氏體組織，從 β轉(zhuǎn)變點以上以較慢的冷卻速度形成了一種原始 β晶界，β晶粒內(nèi)為 α小片或 αβ小片組成的組織，且存在粗大集束，長而平直；局部網(wǎng)籃組織是在相變點之下終止變形后得到的組織，這是由原始 β晶界破碎得到的α片或 α＋β小片，短而歪扭，并具有較小的縱橫比。

從鐓拔鍛造得到的板坯組織中可以發(fā)現(xiàn) （圖 1ｃ和圖 1ｄ），由于鐓拔鍛造屬于無方向性，將材料多方向鍛壓，所以橫縱向一致性很好。組織形貌整體呈現(xiàn)雙態(tài)組織，局部區(qū)域存在次生 α相。這是由于鐓拔鍛造過程的時間較長，鍛造完成時溫度已經(jīng)降至兩相區(qū)溫度區(qū)間，且部分鍛造過程是在兩相區(qū)完成的。

次生 α相的出現(xiàn)是由于冷卻過程中部分 β相分解產(chǎn)生了 α相［5］。通過以上兩種鍛造方式得到的組織的對比來看，鐓拔鍛造得到的組織更好，相更穩(wěn)固［6］。

2.2　軋制板坯金相組織對比

圖 2為兩種方式鍛造生產(chǎn)的板坯經(jīng)過軋制后得到的金相組織。厚度尺寸的變化為 60.0mm20.0mm 3.6mm，自由鍛造組織整體的破碎等軸情況，隨著軋制的進行，越接近成品，組織形貌越好，橫縱向組織已完全破碎等軸，橫向組織優(yōu)于縱向組織，這是因為軋制存在軋制方向的緣故，造成兩個方向的組織有所不同。

從圖 3可以看出，鐓拔鍛造組織整體變化較小，等軸 α晶粒隨著加工尺寸變小，但是整體破碎程度不夠，這是由相的穩(wěn)固所造成，轉(zhuǎn)變 β組織基本完全消失，橫縱向基本無差，這是鐓拔優(yōu)勢所至。總體程度上，自由鍛造的板材組織要優(yōu)于鐓拔板材的組織形貌［7－9］。

2.3　成品板材性能結(jié)果對比

表 2表明，采用自由鍛造方式生產(chǎn)的成品板材性能上要優(yōu)于鐓拔鍛造的板材。性能對比結(jié)果也充分反映了金相組織演變差異的過程，自由鍛造板坯組織由于是在相變點以上完成成形，所以組織形貌還處于初期，但是鐓拔鍛造的板坯則在兩相區(qū)以上開始、直至相變點之下完成鍛造過程，組織破碎到一定程度，相態(tài)較為穩(wěn)固。在軋制變形量充分的情況下，兩種鍛造方式的板坯進入軋制工序后，自由鍛造的板坯更能得到充分破碎變形的組織；相反，鐓拔鍛造的板坯組織由于相態(tài)較穩(wěn)固，反而后續(xù)軋制變形破碎地不夠充分。造成最終成品板材的組織差異化較為明顯。

2.4　板面硬度值

圖 4為成品 1000mm×500mm板材階梯式硬度取樣示意圖，每個試樣的尺寸為 40mm×40mm，長度方向取樣按照每兩個點 140～160mm的間距執(zhí)行，寬度方向取樣按照每兩個點 40～50mm的間距執(zhí)行。

從表 3的硬度值結(jié)果可以看出，基本上，自由鍛造的板材的表面硬度要略高于鐓拔鍛造的板材的表面硬度值，硬度值結(jié)果進一步驗證說明了材料的鍛造方式對其產(chǎn)生的影響，與前文所述的金相組織以及拉伸性能結(jié)果相對應［10－12］。

3、結(jié)論

（1）相比較于普通自由鍛造，采用鐓拔鍛造工藝對板坯組織的改善較大，鐓拔工藝火次變形越多，得到的組織越佳。

（2）在軋制變形量確定的情況下，相比于鐓拔鍛造，采用普通自由鍛造所得到的板坯更適合生產(chǎn)小規(guī)格TC4鈦合金板，小規(guī)格板材的組織性能更優(yōu)。

（3）生產(chǎn)大規(guī)格厚板時，由于軋機工況進料與成品尺寸所軋制的變形量不足時，可以考慮采用鐓拔鍛造，這樣得到的組織在鐓拔時可達到一定的等軸狀態(tài)，且大規(guī)格厚板一般要求會略低于薄板的。

參考文獻：

［1］ 　張喜燕，趙永慶，白晨光．鈦合金及應用 ［Ｍ］．北京：化學工業(yè)出版社，2005．

ＺｈａｎｇＸＹ，ＺｈａｏＹＱ，ＢａｉＣＧ．ＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，2005．

［2］ 　石德珂．材 料 科 學 基 礎(chǔ) ［Ｍ］．北 京： 機 械 工 業(yè) 出 版 社，1998．

ＳｈｉＤＫ．ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＭａ.ｃｈｉｎｅＰｒｅｓｓ，1998．

［3］ 　ＧＢ／Ｔ3620.1—2007，鈦及鈦合金牌號和化學成分 ［Ｓ］．

ＧＢ／Ｔ3620.1—2007， Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｉｔａｎｉｕｍａｎｄｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓ［Ｓ］．

［4］ 　韓言，趙飛，萬明攀，等．ＴＣ17鈦合金熱流變行為及組織演變機制研究 ［Ｊ］．稀有金屬，2020，40（3）：234－241．

ＨａｎＹ，ＺｈａｏＦ，ＷａｎＭＰ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍａｌｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒｓａｎｄｍｉ.ｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆＴＣ17ａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲａｒｅＭｅｔａｌｓ，2020，40（3）：234－241．

［5］　吳捍疆，張豐收，燕根鵬．基于數(shù)值模擬的TC4鈦合金航空葉片精鍛過 程 的 金 屬 流 動 規(guī) 律 ［Ｊ］．鍛 壓 技 術(shù)，2020，45（2）：7－14．

ＷｕＨＪ，ＺｈａｎｇＦＳ，ＹａｎＧＰ．Ｆｌｏｗｌａｗｏｆｍｅｔａｌｉｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｏｒｇ.ｉｎｇｆｏｒＴＣ4ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌｂｌａｄｅｂａｓｅｄｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｆｏｒｇｉｎｇ＆ＳｔａｍｐｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2020，45（2）：

7－14．

［6］　鮑利索娃．鈦合金金相學 ［Ｍ］．陳石卿，譯．北京：國防工業(yè)出版社，1986．

ＰａｕｌｉＳｏｗａ．ＭｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙｏｆＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙ［Ｍ］．ＴｒａｎｓｌａｔｅｄｂｙＣｈｅｎＳＱ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，1986．

［7］　馮秋元，張磊，龐洪，等．低成本TC4鈦合金板材的組織和性能 ［Ｊ］．金屬熱處理，2016，41（6）：85－88．

ＦｅｎｇＱＹ，ＺｈａｎｇＬ，ＰａｎｇＨ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒ.ｔｉｅｓｏｆｌｏｗｃｏｓｔＴＣ4ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｈｅｅｔ［Ｊ］．ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔａｌｓ，2016，41（6）：85－88．

［8］　徐勇，楊湘杰，樂偉，等．多道次軋制TC4鈦合金微觀組織與力 學 性 能 研 究 ［Ｊ］．特 種 鑄 造 及 有 色 合 金，2017，37（7）：697－700．

ＸｕＹ，ＹａｎｇＸＪ，ＹｕｅＷ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐ.ｅｒｔｉｅｓｏｆＴＣ4ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｍｕｌｔｉ.ｐａｓｓｗａｒｍｒｏｌｌｅｄ［Ｊ］．ＳｐｅｃｉａｌＣａｓｔｉｎｇ＆ＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＡｌｌｏｙｓ，2017，37（7）：697－700．

［9］　徐森，孫靜娜，崔永軍．ＴＣ4鈦合金板材熱軋全流程溫度場研究 ［Ｊ］．燕山大學學報，2021，45（2）：122－128．

ＸｕＳ，ＳｕｎＪＮ，ＣｕｉＹＪ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｆｕｌｌｐｒｏｃｅｓｓｏｆＴＣ4ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｐｌａｔｅｓｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，2021，45（2）：122－128．

［10］ 周偉，曲恒磊，趙永慶，等．熱處理對TC4合金組織與性能的影響 ［Ｊ］．熱加工工藝，2005，34（8）：26－27．

ＺｈｏｕＷ，ＱｕＨＬ，ＺｈａｏＹＱ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴＣ4ａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＨｏｔＷｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，2005，34（8）：26－27．

［11］ 駱雨萌，劉金旭，李樹奎，等．熱軋TC4鈦合金力學性能各向異性及影響因素分析 ［Ｊ］．稀有金屬材料與工程，2014，43（11）：2692－2696．

ＬｕｏＹＭ，ＬｉｕＪＸ，ＬｉＳＫ，ｅｔａｌ．Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐ.ｅｒｔｉｅｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇＴＣ4ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＲａｒｅＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2014，43（11）： 2692－2696．

［12］ 鄭建民，雷讓岐．軋制工藝對TC4合金板才組織性能的影響［Ｊ］．鈦工業(yè)進展，2008，25（4）：27－30．ＺｈｅｎＪＭ，ＬｉｅＲＱ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴＣ4ｓｈｅｅｔｓ［Ｊ］．ＴｉｔａｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｏｇｒｅｓｓ，2008，25（4）：27－30．

相關(guān)鏈接