鍛造方式對(duì)TC4鈦合金小規(guī)格板材制備的影響

鈦合金有著極其優(yōu)異的性能，如小密度、耐蝕、高強(qiáng)、高屈強(qiáng)比等，在航空、船舶、電站及醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鈦合金板材在近些年中，使用量逐年增長(zhǎng)，各個(gè)領(lǐng)域的需求量均大幅增加，對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，隨之帶來(lái)的問(wèn)題就是各個(gè)需求領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)問(wèn)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(shí)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(chǎng)較大。市場(chǎng)大的情況下客戶對(duì)其產(chǎn)品的組織性能要求也相對(duì)嚴(yán)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(guò)程其實(shí)也會(huì)帶來(lái)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(biāo)組織與性能的鈦合金鍛件，取決于合金的化學(xué)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(duì)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(guò)對(duì)比自由鍛造和鐓拔鍛造兩種方式來(lái)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

選取成分符合GB/T 3620.1３-2007［３］的TC4鈦合金鑄錠進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，其成分如表 １所示，經(jīng)檢測(cè)其相變點(diǎn)970℃。采用3150t油壓機(jī)鍛造，軋制采用φ2800mm四輥可 逆熱機(jī)配合外加φ800mm四輥可逆熱軋機(jī)組來(lái)生產(chǎn)小規(guī)格板材。

工藝方案：將30kg鑄錠進(jìn)行中分切，分別進(jìn)行兩種方式的鍛造，加工至（70～180）mm×1000＋100mm×1500＋100mm （厚度×寬度×長(zhǎng)度） 的待軋制板坯尺寸后再進(jìn)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(yīng)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(jìn)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(lái)進(jìn)行［３－４］。選擇以上工藝路線是為了保證對(duì)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(guò)測(cè)算鐓拔比后，鐓拔也同樣按照兩火次來(lái)進(jìn)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(diǎn)以上，二火次為近相變點(diǎn)。

軋制采取相同的工藝來(lái)進(jìn)行，確保對(duì)比的有效性。使用φ2800mm四輥可逆熱軋機(jī)，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(jī)，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(duì)成品板材的橫縱向金相以及性能方面的結(jié)果進(jìn)行交叉對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

２.１　鍛造板坯金相組織對(duì)比

通過(guò)對(duì)兩種鍛造方式得到的組織進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn) （圖 １），無(wú)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(wú)差異，這是由于鑄錠鍛造板坯不同于單向拔長(zhǎng)鍛造，微觀狀態(tài)下金屬流動(dòng)始終在一定區(qū)域內(nèi)，不像單方向拔長(zhǎng)鍛造中有一端為自由流動(dòng)端，會(huì)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(gè)方向的組織基本上一致，組織形貌較為復(fù)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(diǎn)之上，自由鍛造由于是以成形為主，所以加工速度較快，導(dǎo)致終端溫度介于相變點(diǎn)左右且不均勻，局部在相變點(diǎn)之上形成魏氏體組織，從 β轉(zhuǎn)變點(diǎn)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(zhǎng)而平直；局部網(wǎng)籃組織是在相變點(diǎn)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(wú)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(guò)程的時(shí)間較長(zhǎng)，鍛造完成時(shí)溫度已經(jīng)降至兩相區(qū)溫度區(qū)間，且部分鍛造過(guò)程是在兩相區(qū)完成的。

次生 α相的出現(xiàn)是由于冷卻過(guò)程中部分β相分解產(chǎn)生了α相［５］。通過(guò)以上兩種鍛造方式得到的組織的對(duì)比來(lái)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(duì)比

圖 ２為兩種方式鍛造生產(chǎn)的板坯經(jīng)過(guò)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(jìn)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?yàn)檐堉拼嬖谲堉品较虻木壒?，造成兩個(gè)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(wú)差異，這是鐓拔優(yōu)勢(shì)所至?？傮w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(duì)比

表 ２表明，采用自由鍛造方式生產(chǎn)的成品鈦板材性能上要優(yōu)于鐓拔鍛造的板材。性能對(duì)比結(jié)果也充分反映了金相組織演變差異的過(guò)程，自由鍛造板坯組織由于是在相變點(diǎn)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(diǎn)之下完成鍛造過(guò)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(jìn)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(gè)試樣的尺寸為40mm×40mm，長(zhǎng)度方向取樣按照每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)140～160mm的間距執(zhí)行，寬度方向取樣按照每?jī)蓚€(gè)點(diǎn) 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(jìn)一步驗(yàn)證說(shuō)明了材料的鍛造方式對(duì)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(duì)應(yīng)［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(duì)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)TC4鈦合金小規(guī)格薄板，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(shí)，由于軋機(jī)工況進(jìn)料與成品尺寸所軋制的變形量不足時(shí)，可以考慮采用鐓拔鍛造，這樣得到的組織在鐓拔時(shí)可達(dá)到一定的等軸狀態(tài)，且大規(guī)格厚板一般要求會(huì)略低于薄板的。

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