鈦棒及鈦合金棒絲材軋制工藝研究

鈦合金是普遍地運(yùn)用于航空航天技術(shù)范疇的高性能資料，其重量輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕是其最顯著的特性。關(guān)于制造汽車來說，在眾多的金屬資料中鈦合金是獨(dú)一同時(shí)具有高強(qiáng)度、低密度，極好的抗疲倦和耐腐蝕性能，以及較低的彈性模數(shù)的資料，因而它是非常理想地制造汽車的資料。此外鈦合金也普遍地應(yīng)用于醫(yī)療器械、化工設(shè)備、軍工（軍用TC4鈦棒、鈦板）及運(yùn)動(dòng)器（鈦高爾夫球桿）材等范疇。由于加工工藝復(fù)雜，所以資料價(jià)錢昂貴，這是形成產(chǎn)品價(jià)錢較高的主要緣由。鈦合金和很多合金金屬一樣，也是由鈦與一些有用的金屬成份組成，以滿足對(duì)資料性能的請(qǐng)求，但其主要成份中鈦占到90%以上。在航空航天技術(shù)中普遍應(yīng)用的是兩種合金，既Ti6AL4V（6％鋁，4％釩，90％鈦）和Ti3AL2.5V（3％鋁，2.5％釩，94.5％鈦）。

TC4鈦合金具有良好的室溫及高溫力學(xué)性能，被廣泛用于制造航空結(jié)構(gòu)件和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、鼓筒等，已占到航空用鈦合金總量的50%以上。飛機(jī)的諸多承力結(jié)構(gòu)件，尤其是變截面結(jié)構(gòu)件要求原材料鈦棒具有很好的缺口應(yīng)力斷裂性能，目的在于保證零件在高應(yīng)力集中的狀態(tài)下具有較強(qiáng)的抑制裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，而不致于斷裂失效。國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中該類型TC4鈦合金棒材規(guī)格的上限為(；>220mm。目前，未見國(guó)內(nèi)外關(guān)于要求缺口應(yīng)力斷裂性能的TC4鈦合金棒材制備工藝研究的公開報(bào)道。一般認(rèn)為，TC4鈦合金中的氫含量較高或者組織均勻性較差會(huì)降低其室溫缺口應(yīng)力斷裂性能⑴。在工業(yè)化批量生產(chǎn)中，因工藝不當(dāng)導(dǎo)致此類棒材的缺口應(yīng)力斷裂性能不合格的現(xiàn)象也較為常見。

當(dāng)中下輥過料時(shí)，軋制力對(duì)中輥不斷沖擊，使斜楔的防松裝置迅速失效，中輥固定的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞；調(diào)整好的孔型，隨著中輥同定穩(wěn)定狀態(tài)被破壞而發(fā)生變化，影響鈦棒尺寸的穩(wěn)定性，最終影響成品質(zhì)量；在軋制過程中，為了防止膠木瓦結(jié)構(gòu)發(fā)熱磨損，盅要澆注冷卻水對(duì)膠木乩進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，冷水往往會(huì)噴颼到軋輥表面上，使得坯料表而溢降很快，特別是軋制鈦及鈦合金時(shí)，由于鈦及鈦合金導(dǎo)熱性差，壞料內(nèi)外溫度相差會(huì)更大，不利于坯料的均勻變形，軋制精度得不到保證；斜楔側(cè)面固定方式摩擦阻力大，軋制時(shí)的電能消粍也大，即便是采用630kW的電機(jī)也會(huì)經(jīng)常發(fā)生悶車現(xiàn)象，影響生產(chǎn)。250軋機(jī)由膠木瓦結(jié)構(gòu)改為軸承結(jié)構(gòu)后軋制的鈦及鈦合金棒材尺寸穩(wěn)定，外表面質(zhì)量提高，成品率提高。

按照現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供超規(guī)格范圍的直徑350mmTC4鈦合金棒材，在保證力學(xué)性能指標(biāo)不變的前提下，要求超聲波探傷水平由原較小規(guī)格棒材的GB/T5193中的B級(jí)提高至A級(jí)，因此開展了特殊需求的大規(guī)格TC4鈦合金棒材制備的相關(guān)工藝研究。采用兩種工藝制備的<^50mmTC4鈦合金棒材鍛造態(tài)的低倍組織。從圖1可以看出，采用工藝1制備的TC4鈦合金棒材的低倍組織均勻性較差，呈現(xiàn)從邊緣部位的模糊晶逐漸向中心部位的半清晰晶過渡的現(xiàn)象；采用工藝2制備的棒材低倍組織均勻性良好，整個(gè)試樣均為模糊晶狀態(tài)。這說明采用工藝1進(jìn)行鍛造，鑄錠和中間坯料心部組織被破碎和細(xì)化的程度不夠，這與其總變形量較小直接相關(guān),由于鈦合金變形抗力較大，加之大規(guī)格鈦棒坯料的體積大，單一直拔變形也很難保證坯料心部變形充分。而工藝2充分利用4500t快鍛機(jī)的大噸位鍛造壓力，使大規(guī)格坯料在兩相區(qū)經(jīng)過鐓拔變形，保證了坯料的鍛透性，且利用型砧拔長(zhǎng)減少了坯料變形“死區(qū)”，使坯料不同部位均得到了充分變形，獲得了破碎細(xì)化良好且一致性較好的組織。
(1)采用p相區(qū)開坯和兩相區(qū)鐓拔+直拔的鍛造工藝，可制備出組織、性能和探傷水平均滿足供貨技術(shù)要求的杏350mm大規(guī)格TC4鈦合金棒材。
(2)初生a相等軸化良好的組織有利于提高室溫缺口應(yīng)力斷裂性能，方向一致性較強(qiáng)的短棒狀a相組織會(huì)降低缺口應(yīng)力斷裂性能。

分別在采用兩種工藝鍛造得到的扣50mmTC4鈦合金棒上沿縱向切取長(zhǎng)度為75mm的棒材進(jìn)行兩種溫度的普通退火處理，退火制度分別為Ml(720尤x2h/AC)和M2(790t：x2h/AC)。用肉眼觀察鍛后棒材的低倍組織；分別在鍛造態(tài)和退火處理后的棒襯上1/2半徑處沿橫向截取金相試樣，采用0LMPUS光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織。在退火處理后的棒材1/2半徑處沿縱向線切割得到試樣坯，機(jī)械加工成符合標(biāo)準(zhǔn)的室溫拉伸和缺口應(yīng)力斷裂性能的測(cè)試試樣，采用lnStron4507拉伸試驗(yàn)機(jī)和DN2缺口拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，觀察缺口應(yīng)力斷裂試樣缺口區(qū)域的顯微組織。采用S0NIC-138VFD超聲波探傷儀對(duì)兩種工藝鍛造得到的TC4鈦合金成品棒材進(jìn)行超聲波無損探傷檢測(cè)。