锻造方式对TC4钛合金小规格板材制备的影响

钛合金有着极其优异的性能，如小密度、耐蚀、高强、高屈强比等，在航空、船舶、电站及医疗等领域有着广泛的应用。钛合金板材在近些年中，使用量逐年增长，各个领域的需求量均大幅增加，对于生产厂家来说，随之带来的问题就是各个需求领域的技术攻关问题。由于钛合金板材的变形阻抗高、热 加工温度范围狭窄，因此，热加工时易产生裂纹，增加了制造难度。小规格钛合金板材一般是指6mm以下厚度的板材，在航天及医用方向的市场较大。市场大的情况下客户对其产品的组织性能要求也相对严苛，所以，热加工环节要具有合适的工艺才能得到较好的组织性能，小规格板材在生产中常常采用镦拔锻造 ＋板坯加热轧制的生产工艺路线，但是组织往往不是特别优化的状态，仅锻造过程其实也会带来很大的差异化。钛合金属于难变形金属，所有钛材的热加工环节中，锻造尤为重要，因此，在板坯锻造工艺研发中必须予以重视。想要得到目标组织与性能的钛合金锻件，取决于合金的化学成分和热处理，另一方面其锻造的温度范围、变形程度和变形速度等热力参数，对钛合金锻件的组织及性能也有很大的影响[1－2]。

铸件锻造方式一般分为3种：自由锻造、模锻造和镦拔锻造，其中模锻造是在专用的模锻设备上利用模具使毛坯成形而获得锻件的锻造方法，并不适用于板坯的生产。本文旨在通过对比自由锻造和镦拔锻造两种方式来生产TC4钛合金小规格板材，从而得到最优化的生产工艺方式。

1、实验过程

选取成分符合GB／T3620.1—2007[3]的TC4钛合金铸锭进行生产实验，其成分如表 1所示，经检测其相变点为970℃。采用3150t油压机锻造，轧制采用φ2800mm四辊可逆热轧机配合外加φ800mm四辊可逆热轧机组来生产小规格板材。

工艺方案：将 30kg铸锭进行中分切，分别进行两种方式的锻造， 加工至（70～180）mm×1000＋100mm×1500＋100mm（厚度×宽度×长度） 的待轧制板坯尺寸后再进行轧制生产。自由锻造工艺为：1150℃一火锻造，1050℃二火锻造及板坯整形至相应尺寸。镦拔锻造工艺为：1150℃一火镦拔锻造 （三镦三拔），1050℃二火镦拔锻造 （三镦三拔），视板坯开裂情况进行 1050℃回炉保温，整形、锻造为板坯尺寸，其中，镦拔板坯按照 Ｈ0／Ｄ0（其中 Ｈ0、Ｄ0 分 别 为 镦 粗 前 的 高 度 与 直 径） 的1.5～2.0倍的镦拔比来进行[3－4]。选择以上工艺路线是为了保证对比的有效性，由于常规自由锻造两火次足够完成，所以经过测算镦拔比后，镦拔也同样按照两火次来进行操作，温度选择是按照多年生产积累总结的降温梯度执行，一火次为相变点以上，二火次为近相变点。

轧制采取相同的工艺来进行，确保对比的有效性。使用 φ2800mm四辊可逆热轧机，将厚度为170～180mm的板坯在940℃下轧制成厚度为50～60mm的板坯。在920℃下，将厚度为50～60mm的板坯轧制为厚度 20mm的板坯 （换向轧制）。在920℃下，将厚度为20mm板坯轧制为厚度10mm的板坯。使用 φ800mm四辊可逆热轧机，将厚度为10mm的 板 坯 在900℃下轧制为厚度为3.6mm的成品板材。对成品板材的横纵向金相以及性能方面的结果进行交叉对比，比 较两种不同锻造方式在后续同样工艺下的不同之处[4－5]。

2、实验结果及分析

2.1锻造板坯金相组织对比

通过对两种锻造方式得到的组织进行对比可以发现 （图 1），无论是自由锻造还是镦拔锻造，得到的组织在横纵向上基本无差异，这是由于铸锭锻造板坯不同于单向拔长锻造，微观状态下金属流动始终在一定区域内，不像单方向拔长锻造中有一端为自由流动端，会造成较为明显的差异化。

从自由锻造得到的板坯组织中可以发现 （图 1ａ和图 1ｂ），两个方向的组织基本上一致，组织形貌较为复杂，存在魏氏体组织形貌 ＋局部网篮组织。

构成此种形貌是由于：二火的锻造温度在相变点之上，自由锻造由于是以成形为主，所以加工速度较快，导致终端温度介于相变点左右且不均匀，局部在相变点之上形成魏氏体组织，从 β转变点以上以较慢的冷却速度形成了一种原始 β晶界，β晶粒内为 α小片或 α-β小片组成的组织，且存在粗大集束，长而平直；局部网篮组织是在相变点之下终止变形后得到的组织，这是由原始 β晶界破碎得到的α片或 α＋β小片，短而歪扭，并具有较小的纵横比。

从镦拔锻造得到的板坯组织中可以发现 （图 1ｃ和图 1ｄ），由于镦拔锻造属于无方向性，将材料多方向锻压，所以横纵向一致性很好。组织形貌整体呈现双态组织，局部区域存在次生 α相。这是由于镦拔锻造过程的时间较长，锻造完成时温度已经降至两相区温度区间，且部分锻造过程是在两相区完成的。

次生 α相的出现是由于冷却过程中部分 β相分解产生了 α相[5]。通过以上两种锻造方式得到的组织的对比来看，镦拔锻造得到的组织更好，相更稳固[6]。

2.2 轧制板坯金相组织对比

图 2为两种方式锻造生产的板坯经过轧制后得到的金相组织。厚度尺寸的变化为60.0mm--->20.0mm--->3.6mm，自由锻造组织整体的破碎等轴情况，随着轧制的进行，越接近成品，组织形貌越好，横纵向组织已完全破碎等轴，横向组织优于纵向组织，这是因为轧制存在轧制方向的缘故，造成两个方向的组织有所不同。从图 3可以看出，镦拔锻造组织整体变化较小，等轴 α晶粒随着加工尺寸变小，但是整体破碎程度不够，这是由相的稳固所造成，转变 β组织基本完全消失，横纵向基本无差异，这是镦拔优势所至。总体程度上，自由锻造的板材组织要优于镦拔板材的组织形貌[7－9]。

2.3 成品板材性能结果对比

表2表明，采用自由锻造方式生产的成品板材性能上要优于镦拔锻造的板材。性能对比结果也充分反映了金相组织演变差异的过程，自由锻造板坯组织由于是在相变点以上完成成形，所以组织形貌还处于初期，但是镦拔锻造的板坯则在两相区以上开始、直至相变点之下完成锻造过程，组织破碎到一定程度，相态较为稳固。在轧制变形量充分的情况下，两种锻造方式的板坯进入轧制工序后，自由锻造的板坯更能得到充分破碎变形的组织；相反，镦拔锻造的板坯组织由于相态较稳固，反而后续轧制变形破碎地不够充分。造成最终成品板材的组织差异化较为明显。

2.4 板面硬度值

图 4为成品 1000mm×500mm板材阶梯式硬度取样示意图，每个试样的尺寸为40mm×40mm，长度方向取样按照每两个点140～160mm的间距执行，宽度方向取样按照每两个点40～50mm的间距执行。

从表3的硬度值结果可以看出，基本上，自由锻造的板材的表面硬度要略高于镦拔锻造的板材的表面硬度值，硬度值结果进一步验证说明了材料的锻造方式对其产生的影响，与前文所述的金相组织以及拉伸性能结果相对应[10－12]。

3、结论

（1）相比较于普通自由锻造，采用镦拔锻造工艺对钛板坯组织的改善较大，镦拔工艺火次变形越多，得到的组织越佳。

（2）在轧制变形量确定的情况下，相比于镦拔锻造，采用普通自由锻造所得到的板坯更适合生产TC4钛合金小规格薄板，小规格板材的组织性能更优。

（3）生产大规格厚板时，由于轧机工况进料与成品尺寸所轧制的变形量不足时，可以考虑采用镦拔锻造，这样得到的组织在镦拔时可达到一定的等轴状态，且大规格厚板一般要求会略低于薄板的。

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