發布日期：2022-3-20 11:25:29
伴隨著我國科學技術的快速進步，鈦合金材料在我國高端產品中的應用越來越廣泛，使得鈦合金應用領域逐漸由航空航天與國防軍工領域逐漸向民用領域發展，在海洋、汽車制造業等領域的應用逐漸增多[1，2] 。基于此，探求更低成本的鈦合金加工工藝技術，提高原材料成材率以及降低損失是十分有必要的。雖然我國鈦合金鍛造工藝較為成熟，但在熱軋處理過程中仍然存在較多問題，如鈦合金普遍具有較強的抗拉強度等，導致制作的板材斷面組織不均勻等問題極為普遍[3，4] 。因此，本文以TC4鈦合金為研究對象，改進其熱軋處理工藝，為提高TC4鈦合金熱軋處理質量提供參考。
1、試驗原材料及過程
本文試驗所用材料為TC4鈦合金板材，規格為100mm×30mm×9mm的板材，將原材料放入電阻加熱爐中升溫加熱處理，在溫度800℃～ 1000℃和壓下量為20%、40%條件下軋制TC4鈦合金，軋輥輥徑為200mm，將軋制成的TC4鈦合金板材若干份進行工藝試驗，用蔡司Axio Observer光學顯微鏡進行TC4鈦合金板材顯微組織觀察。
2、試驗結果與分析
2.1 熱軋試驗結果
本次試驗分別在20%和40%壓下量進行不同工藝單道次實測軋制力試驗。
在20%壓下量和800℃溫度條件下，獲得實測軋制力為252kN ；
在20%壓下量和850℃溫度條件下，獲得實測軋制力為221kN ；
在20%壓下量和900℃溫度條件下，獲得實測軋制力為197kN ；
在20%壓下量和950℃溫度條件下，獲得實測軋制力為146kN ；
在20%壓下量和1000℃溫度條件下，獲得實測軋制力為99kN。
在40%壓下量和800℃溫度條件下，獲得實測軋
制力為425kN ；在40%壓下量和850℃溫度條件下，獲得實測軋制力為405kN ；
在40%壓下量和900℃溫度條件下，獲得實測軋制力為350kN ；
在40%壓下量和950℃溫度條件下，獲得實測軋制力為333kN ；
在40%壓下量和1000℃溫度條件下，獲得實測軋制力為262kN。
在20%壓下量條件下，分別在800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃條件下獲得不同工藝單道次扎后表面溫度分別為660℃、695℃、760℃、826℃和929℃ ；在40%壓下量
條件下，分別在800℃、850℃、900℃、950℃和1000℃條件下獲得不同工藝單道次扎后表面溫度分別為620℃、650℃、710℃、760℃和860℃。
由上可知，隨著不同工藝的變化，在壓下量相同的情況下，實測軋制力逐漸降低，而軋后表面溫度逐漸升高 ；在溫度相同的情況下，壓下量越大，實測軋制力越大，而軋后表面溫度則降低。導致這一現象的原因在于TC4鈦合金在同一溫度下隨著壓下量的逐漸增加，鈦合金板材呈層片狀分布的α相晶粒會發生球化和動態再結晶，導致TC4鈦合金板材中的晶粒破碎程度逐漸增大[3] 。在900℃條件下，若溫度更高則顯微組織再結晶程度更高，晶粒球化和再結晶均勻程度也越好，生產出來的TC4鈦合金板材質量也就越好。
2.2 實測軋制力與理論結果分析
軋制力是鈦合金板材制作過程中重要的軋制參數，對整體軋制工藝改進以及最終軋制參數確定有積極作用，直接影響著軋輥安全性能以及板材的成形性能等方面。因此，通過實測軋制力與理論仿真結果對比分析，可以了解TC4鈦合金軋制過程中相互作用力的變化規律，為進一步改進熱軋工藝提供幫助。根據理論仿真模擬結果顯示，本次試驗所獲得實測軋制力與理論軋制力的變化趨勢是一致的，軋制力結果相近。因此，本文所采用的軋制工藝是合理的，雖然實測軋制力與理論軋制力存在一定的誤差，這是由于試驗所選用的TC4鈦合金板材體積較小，在加熱爐中拿出后放置軋機入口處時鈦合金板材的實際溫度已經降低，最終導致實測溫度與理論仿真計算溫度存在差異，進而導致軋制力存在一定的誤差。
2.3 實測表面溫度與理論結果分析
在鈦合金板材生產工藝中，溫度是影響板材質量和性能的另一重要指標，也是確定最終熱軋處理工藝的重要參數。溫度對TC4鈦合金板材的影響極為明顯，主要表現在對TC4鈦合金板材內部顯微組織和性能的影響。因此，在確定鈦合金制作工藝時對溫度的預測和控制尤為重要。本文統計了在不同工藝中單道次試驗扎后表面溫度變化規律，得出在相同壓下量下表面溫度隨著熱軋溫度升高而逐漸升高 ；在相同熱軋溫度下，隨著壓下量增加，實測表面溫度逐漸降低。經過理論仿真計算后，實測表面溫度與理論仿真計算的表面溫度曲線具有一致的變化規律，二者的誤差較小，說明本次選用的熱軋處理工藝是合理的。
2.4 熱軋處理工藝改進
為了研究TC4鈦合金變形過程中的流動規律，本次試驗選取應變為0.2、0.3和0.4時的流變應力數據進行加工圖理論研究。
將不同應變數據對應下的功率耗散圖與塑性失穩圖堆疊在一起，生成對應的熱加工圖。
結果顯示，在不同的應變條件下，加工圖中的穩定安全區域和失穩區域的位置總體上具有相似的變化規律。總體上具有如下的變化規律 ：隨著應變量的逐漸增加，失穩區穩定區
略有增加。當應變為0.2時，失穩范圍介于700℃～ 800℃，此時對應的應變速率范圍為0.1s -1 ～ 0.55s -1 ；安全溫度范圍為700℃～ 730℃，對應的應變速率為4s -1 ～ 20s -1 ，此時所制作成的合金流變失穩率較高，所生產的TC4鈦合金顯微組織存在缺陷，鈦合金整體性能也較差。當應變為0.3時，失穩范圍介于700℃～ 850℃，此時對應的應變速率范圍為0.1s -1 ～ 0.55s -1 ；安全溫度范圍為700℃～ 730℃，對應的應變速率為4s -1 ～ 20s -1 （溫度為1050℃），此時所制作成的合金流變失穩位置變化較大，導致溫度范圍難以掌握，造成TC4鈦合金成形難度較大。當應變為0.4時，失穩范圍介于700℃～ 850℃，此時對應的應變速率范圍為0.1s -1 ～ 0.55s -1 ；安全溫度范圍為700℃～ 730℃，對應的應變速率為4s -1 ～ 20s -1 （溫度為1050℃），此時所制作成的合金流變失穩位置變化較大，造成TC4鈦合金成形難度較大。綜上所述，根據TC4鈦合金熱壓縮流變應力數據進行了熱加工試驗，獲得最終的加工安全溫度為890℃～ 1000℃，此時對應的應變速率為0.1s-1 ～ 20s -1 ；失穩區范圍為700℃～ 850℃，此時對應的應變速率為0.1s -1 ～ 0.55s -1 。
3、結語
綜上所述，TC4鈦合金具有密度小，硬度高、可焊接性能好以及成形性能好的優勢，其應用領域也極為廣泛。TC4鈦合金在兩相區主要以再結晶的軟化機制為主，而在高溫單相區以動態回復機制為主。TC4鈦合金隨著不同工藝的變化，在壓下量相同的情況下，實測軋制力逐漸降低，而軋后表面溫度逐漸升高 ；在溫度相同的情況下，壓下量越大，實測軋制力越大，而軋后表面溫度則降低。經過實測軋制力與軋后表面溫度的理論仿真模擬計算，本次單道次軋制試驗實測數據與理論計算數據變化規律一致，說明本文所獲加工安全溫度為890℃～ 1000℃和失穩區范圍為700℃～ 850℃的結果是合理的。
參考文獻
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