鍛造方式對TC4鈦合金小規格板材制備的影響

鈦合金有著極其優異的性能，如小密度、耐蝕、高強、高屈強比等，在航空、船舶、電站及醫療等領域有著廣泛的應用。鈦合金板材在近些年中，使用量逐年增長，各個領域的需求量均大幅增加，對于生產廠家來說，隨之帶來的問題就是各個需求領域的技術攻關問題。由于鈦合金板材的變形阻抗高、熱 加工溫度范圍狹窄，因此，熱加工時易產生裂紋，增加了制造難度。小規格鈦合金板材一般是指6mm以下厚度的板材，在航天及醫用方向的市場較大。市場大的情況下客戶對其產品的組織性能要求也相對嚴苛，所以，熱加工環節要具有合適的工藝才能得到較好的組織性能，小規格板材在生產中常常采用鐓拔鍛造 ＋板坯加熱軋制的生產工藝路線，但是組織往往不是特別優化的狀態，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節中，鍛造尤為重要，因此，在板坯鍛造工藝研發中必須予以重視。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，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。本文旨在通過對比自由鍛造和鐓拔鍛造兩種方式來生產TC4鈦合金小規格板材，從而得到最優化的生產工藝方式。

1、實驗過程

選取成分符合GB／T3620.1—2007[3]的TC4鈦合金鑄錠進行生產實驗，其成分如表 1所示，經檢測其相變點為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小規格板材。

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。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，由于常規自由鍛造兩火次足夠完成，所以經過測算鐓拔比后，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積累總結的降溫梯度執行，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果進行交叉對比，比 較兩種不同鍛造方式在后續同樣工藝下的不同之處[4－5]。

2、實驗結果及分析

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現 （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，微觀狀態下金屬流動始終在一定區域內，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現 （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 ＋局部網籃組織。

構成此種形貌是由于：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現 （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。組織形貌整體呈現雙態組織，局部區域存在次生 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降至兩相區溫度區間，且部分鍛造過程是在兩相區完成的。

次生 α相的出現是由于冷卻過程中部分 β相分解產生了 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的板坯經過軋制后得到的金相組織。厚度尺寸的變化為60.0mm--->20.0mm--->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，這是由相的穩固所造成，轉變 β組織基本完全消失，橫縱向基本無差異，這是鐓拔優勢所至。總體程度上，自由鍛造的板材組織要優于鐓拔板材的組織形貌[7－9]。

2.3 成品板材性能結果對比

表2表明，采用自由鍛造方式生產的成品板材性能上要優于鐓拔鍛造的板材。性能對比結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，相態較為穩固。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較穩固，反而后續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的間距執行，寬度方向取樣按照每兩個點40～50mm的間距執行。

從表3的硬度值結果可以看出，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，硬度值結果進一步驗證說明了材料的鍛造方式對其產生的影響，與前文所述的金相組織以及拉伸性能結果相對應[10－12]。

3、結論

（1）相比較于普通自由鍛造，采用鐓拔鍛造工藝對鈦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TC4鈦合金小規格薄板，小規格板材的組織性能更優。

（3）生產大規格厚板時，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，且大規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：化學工業出版社，2005．ＺｈａｎｇＸＹ，ＺｈａｏＹＱ，ＢａｉＣＧ．ＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ[Ｍ]．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ，2005．

[2] 　石德珂．材 料 科 學 基 礎 [Ｍ]．北 京： 機 械 工 業 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．基于數值模擬的TC4鈦合金航空葉片精鍛過 程 的 金 屬 流 動 規 律 [J]．鍛 壓 技 術，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]．鈦工業進展，2008，25（4）：27－30．ＺｈｅｎＪＭ，ＬｉｅＲＱ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆTC4ｓｈｅｅｔｓ[J]．ＴｉｔａｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｏｇｒｅｓｓ，2008，25（4）：27－30．