钛合金棒材轧制成型研究进展

【钛合金棒材轧制成型研究进展】

【钛合金棒材轧制成型研究进展】

钛合金防腐蚀性能好、比强度高、高低温性能好，其制品广泛用于航空航天、医疗器具、食品化工、汽车、舰艇等领域。目前钛合金棒材成型方法主要有锻造、铸造、轧制、挤压等塑性加工方法，其中小规格棒材生产主要采用轧制成型。

我国是钛资源大国，但小规模钛合金棒材轧制技术还不是很成熟，目前钛合金棒材工业化生产仍然采用钢材生产工艺与设备，或者在淘汰的横列式轧机上生产。随着钛合金产品研究向着高性能化、低成本化方向发展，即在追求某一性能指标的同时，还注重综合性能的匹配，如强度、韧性等的匹配。因此研究改进钛合金棒材的轧制成型技术，获得尺寸精度高、力学性能优良的棒材成型产品是现在急需解决的问题。本文分析了钛合金轧制成型特点，综述了通过调整工艺和选择轧制方式来提高钛合金棒材轧制成型的研究。

【钛合金轧制成型特点】

钛合金轧制坯料通常为较大规格的锻棒，由于冷却速度不同，锻棒在室温下的组织为针状、细片状等。这种组织具有较高的蠕变抗力和断裂韧性，而疲劳强度和拉伸塑性较低。钛合金棒材的加工通常希望得到拉伸和疲劳性能良好的轴组织，然而锻棒在室温下的片层状组织很稳定，所以室温下钛合金变形抗力高、难变形是制约钛合金轧制成型的原因之一。因此，钛合金成型通常是在一定温度下进行的。

轧制变形量大，有利于细化组织，提高力学性能；变形量小，在轧制过程中只发生动态回复。然而钛合金塑性差，道次变形量小。因此，由于道次变形量小导致的钛合金组织粗大是轧制成型的重要特点。

钛合金轧制成型的另一个特点是轧制过程需要多次退货。在开放的轧制环境中，合金和空气、轧辊等的传热使轧件表面温度下降很快，扎进心部温度由于变形生热的原因，温度反而上升，由于存在的温度梯度，在轧制过程中容易产生表面裂纹。

【提高钛合金棒材轧制成型的途径】

影响钛合金轧制成型的主要因素有变形抗道力、加热退火、温度分布不均与等。为了提高钛合金棒材的轧制成型性及组织性能，通常通过两种途径解决，即优化轧制工艺和选择轧制方式。

1）轧制工艺优化

通过优化轧制温度、轧制速度、道次变形量等工艺参数以及选取合理的热处理制度，可以达到改善轧件组织、提高轧制成型性的目的。

✧轧制温度；

钛合金棒材热轧区分为β相区，α+β相区和跨β相区。通常从β相区开始变形，在α+β相区结束变形，形成的组织取决于α+β相区的变形程度。变形程度为50%~60%，组织为等轴状，变形程度较小时，由于交替的片状和球状构成，组织不均匀。因此，钛合金的变形机制与轧制温度有关，而要确定合理的温度制度，需要综合考虑合金成分、变形量和变形速率。

TC6棒材在轧制温度为970〫C、940〫C、880〫C时的显微组织，观察到TC6棒材的相变点温度为960〫C.。TC6合金于970〫C（β区）进行轧制后，显微组织全部由尺寸较小的β转变组织组成，在其晶界上有大量的断裂扭曲的短片状晶界α相；于940〫C（α+β相区）轧制后，显微组织中初生α相为扁球状，β转变组织尺寸更小而且析出的片状次生α相呈扭曲状；于880〫C（α+β相区）轧制后，α相状态为扁球状和扭曲的短片状。

因此，通过调整轧制温度，可以得到不同组织的钛合金棒材。轧制过程中可以选择多个温度轧制以控制组织，提高塑性。

✧变形量

在轧制过程中，变形量是很关键的参数。变形量过大，材料有可能开裂；变形量过小，影响棒材的组织和性能，降低生产效率。

通过研究热变形对TB-13合金组织的影响，表明变形量为32%时，组织特征为β状的扁平晶粒，晶粒未发生动态在结晶；变形量为50%时，β基体发生刃性错位的攀移和螺旋错位的交滑移；当变形量增至59%时，晶体才发生动态在结晶；当变形量达到75%时，晶粒为细小的等轴β组织。

通过研究也发现，在α+β相区轧制，若α相和β相以可比较的数量同时存在并同时经受变形，且当变形程度大于60%时，晶界的条片状α相和晶内的片状α相彼此之间的差别逐渐消失，发生片状组织向球状组织的转变并形成超细的晶粒组织。

✧变形速率

变形速率也是重要的轧制工艺参数之一。应变速率越大，单位时间内就必须驱使更多的位错移动，这些位错之间相互作用，形成错位缠结等，导致材料变形抗力升高。反之，应变速率降低，材料动态回复或动态再结晶速度等于加工硬化的速度，或材料产生的连续动态再结晶抵消了加工硬化，材料经过加工硬化后保持稳定。

✧热处理

轧制后的钛合金棒材加工硬化现象严重，组织不稳定，不利于二次成型加工，所以需要对钛合金棒材进行热处理，以提高合金的塑性。另外，钛合金棒材在轧制过程中也需要进行退火处理，以利于后续轧制。

2）轧制方式

轧制方式是影响钛合金棒材力学性能和轧制成型性的主要因素。优化轧制方式、调整工艺路线能提高产品综合性能，并能节约能源消耗，提高经济效益。目前，钛合金棒材轧制方式主要有二辊连轧、三辊横列式轧制、步进轧制、螺旋轧制、Y型轧制以及多种加工方法的组合。二辊连轧和三辊横列式轧制与普通钢材轧制方式几乎没有区别，故不再详述。

步进轧制

步进轧制是将轧制和锻造两种变形特点结合在一起的加工方式，它同时具备锻造的大变形和轧制速度快两个特点。扇形轧辊分为4个半模，呈90〫分布于圆形牌坊之内，轧辊表面呈圆锥形，轧制时几个轧辊同时绕其轴往复摆动，压缩金属并使其变成锥形。轧辊的逆向行程是空行程，可以使金属得到回复和软化，从而改善材料的加工塑性。

步进轧机工作原理图

下表为步进轧机生产的钛合金棒材，步进轧机轧制的轧材四向受压，受力状态为三向压应力，提高了棒材的塑性和冲击韧性，道次延伸系数大，金属得到充分加工，组织细化，性能提高。

步进轧机生产的钛合金棒材。

步进轧制后的坯料经辊模拉伸可制取不同尺寸和断面的棒线材，辊模拉伸兼有轧制和拉伸的优点，拉伸钛材的速度为整体模拉伸的2～4倍，需要的拉力减小30％--50％。因此，步进轧制+辊模拉伸尤其适合低塑性金属及合金的变形。

✧螺旋轧制

莫斯科钢及合金学院研制出的微型螺旋轧机可以轧制直径小于10mm的棒材．材质有BTl—0、BT3—1、40XH、60号钢、12X18H10T，加热温度为930～1160℃，延伸系数为1．6～4．34。

生产工艺流程如下图所示，加热后的坯料在MHcc100T轧机上预变形至Φ25～50ram，随后将坯料送M14C。c10—30轧机上轧至Φ10～25mm。

研究表明，螺旋轧制产品的直径公差小于等于0．5％，弯曲度小于等于0．75mm／m，塑性相对纵向轧制提高了25％～30％，强度相对纵向轧制提高了8％～15％，工艺流程短，免去了常规工序中的矫直工序。

✧Y型轧机连轧