鈦合金棒材徑向位移軋制及其微觀組織評(píng)定

■浙江申吉鈦業(yè)股份有限公司 陳修琳，袁秦峰，陳 巖，王以華

鈦合金棒材徑向位移軋制及其微觀組織評(píng)定

■浙江申吉鈦業(yè)股份有限公司 陳修琳，袁秦峰，陳 巖，王以華

采用徑向位移軋制是合金鋼和鈦合金獲得高精度工件有很好前景的工藝過(guò)程。尤其是該工藝廣泛用于制造鈦合金棒材。通常，鈦合金軋制將毛坯加熱到β相區(qū)間，在該區(qū)間保證材料有高變形性能和低流變應(yīng)力。在高溫軋制后，兩相鈦合金對(duì)應(yīng)單相組織，會(huì)形成粗大晶粒的塑性顯微組織，而重要的是獲得球狀顯微組織。為此必須降低軋制溫度到（α+β）兩相共存狀態(tài)，甚至調(diào)整累積的塑性變形。

在降低溫度條件至（α+β）共存狀態(tài)下，支持徑向位移軋制諸多因素中，應(yīng)了解關(guān)于鈦合金在變形區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和變形微觀組織特點(diǎn)，目前關(guān)于鈦合金棒材徑向位移軋制的文獻(xiàn)甚少。這些數(shù)據(jù)缺乏，給擬定獲得球狀組織棒料的工藝參數(shù)帶來(lái)困難。

本文運(yùn)用有限元模擬方法和雙相鈦合金TC4在（α+β）兩相共存狀態(tài)溫度范圍內(nèi)，對(duì)徑向位移軋制后的棒材組織狀態(tài)結(jié)果進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。

1. 研究方法

使用φ40mmTC4合金棒材，交貨狀態(tài)按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T2956—1996。多晶轉(zhuǎn)變溫度995oC。棒材軋制前經(jīng)過(guò)1050oC淬火，在水中冷卻確保獲得鈦合金雙相塑性組織。在HS-RSB40型軋機(jī)上實(shí)施，毛坯預(yù)加熱溫度940oC，以對(duì)應(yīng)（α+β）兩相共存組織狀態(tài)。毛坯軋制分3個(gè)階段，每個(gè)階段包括兩個(gè)工步，中間預(yù)加熱到軋制溫度940oC。在1、2、3階段伸長(zhǎng)系數(shù)值分別為1.25、1.56、1.56。總伸長(zhǎng)系數(shù)KB=3。

每個(gè)軋制階段后沿著軋制方向切割試樣用于研究顯微組織。對(duì)原始和變形后試樣進(jìn)行金相學(xué)研究，取樣位置在離軸線0.9R（R為棒材半徑）處，使用具有專(zhuān)業(yè)化的圖像分析功能Image Scope顯微鏡Olympus GX-51。平均晶粒尺寸評(píng)價(jià)方法按照對(duì)應(yīng)E1382切割條件。為更精確確定顯微組織狀態(tài)，使用電子背向散射衍射方法（EBSD），用掃描顯微儀Quanta2003D實(shí)施。使用EBSD掃描間距分布條件，在晶粒縱向截面不少于10個(gè)點(diǎn)。說(shuō)明，沿著對(duì)應(yīng)縱向和橫向尺寸大小比例為2:1。球狀晶粒體積量使用精確網(wǎng)距5μm度量方法。

在進(jìn)行金相學(xué)研究之前，樣品磨削時(shí)用彌散水冷卻并用液體懸浮液拋光。電解拋光使用電解液具有80%（CH3CO）2O和20%HCIO4并在25V電壓下進(jìn)行。對(duì)于（α+β）相顯微組織腐蝕使用如下化學(xué)成分配用：HF—20份，HNO3—1份。

徑向位移軋制用有限元方法模擬，使用整套程序L SDYNA。對(duì)于變形溫度940oC并考慮速度和變形強(qiáng)化材料流變模型用列表方法。過(guò)程幾何參數(shù)與軋機(jī)HS-RSB40結(jié)構(gòu)相適應(yīng)：進(jìn)給角β=20o，展開(kāi)角α=7o。

初始和模擬邊界條件：軋輥剛性體沿著坐標(biāo)軸X、Y、Z（Z為軋輥軸）局部有限位移并繞著X、Y軸有限旋轉(zhuǎn)；庫(kù)倫摩擦因數(shù)為0.3；溫度條件為等溫；軋輥旋轉(zhuǎn)角速度恒定等于3.7s-1；毛坯進(jìn)料口初始速度等于10mm/s。

在軋制條件下拉拔系數(shù)按下式計(jì)算

式中D為原始毛坯直徑，d為軋制后毛坯直徑。分析分布在棒材軸線上和離軸線0.9R處應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，間隔時(shí)間0.025s。應(yīng)力評(píng)定使用參數(shù)

式中，σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，T為劇烈的切向應(yīng)力。平均的應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)按下式計(jì)算

式中n為所選段變形區(qū)域經(jīng)歷時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)算點(diǎn)的數(shù)量。徑向位移軋制對(duì)應(yīng)的模型數(shù)量用計(jì)算值與在試驗(yàn)中獲得的扭轉(zhuǎn)角度值比較方法評(píng)定，偏差≤5%。

2. 研究結(jié)果

（1）應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài) 軋制過(guò)程條件下在鈦合金毛坯中所形成的組織在變形區(qū)域內(nèi)不斷組合，具有應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)特點(diǎn)。積累的塑性變形對(duì)塑性組織的球化有極大影響，變形特征以單調(diào)或周期性地，甚至以應(yīng)力狀態(tài)確定毛坯的無(wú)破壞變形性能。

為分析在徑向位移軋制中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)已經(jīng)建立了等溫軋制條件下的有限元模型。在獲得模擬數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出棒料橫向截面變形速度、劇烈變形和應(yīng)力狀態(tài)變化評(píng)定。

確定在棒料中心層軋制具有KB=1.25，變形速度在通過(guò)軋輥?zhàn)冃味纹椒€(wěn)增長(zhǎng)到，然后在通過(guò)軋輥定徑段降低。在棒料周?chē)俣嚷洳钸_(dá)到，這里速度變化特征循環(huán)周期0.6s，在表面變形周期數(shù)為2。

圖1為沿著棒料截面在KB=1.25劇烈變形ei分布。觀察ei最大值在表面為1.76，而最小值在心部ei=0.23。這就證明棒料截面變形是不均勻的。

按照相關(guān)文獻(xiàn)，具有ei=1.1換算成60%體積形成球狀組織。在KB=3軋制條件下能夠保證所規(guī)定的劇烈變形值。在遠(yuǎn)離棒材中心合理地實(shí)現(xiàn)更高值ei，經(jīng)計(jì)算，在和KB=3條件下ei=8.8。這樣的變形將導(dǎo)致100%體積形成球狀組織。

模擬結(jié)果確認(rèn)，應(yīng)力狀態(tài)指標(biāo)K變化呈現(xiàn)周期性，范圍為–10.3＜K＜3.9。在距離棒料中心x=0.9R處的點(diǎn)，參數(shù)K的極限變化范圍–10.3＜K＜1.23。因此，負(fù)值對(duì)應(yīng)軋輥?zhàn)冃嗡查g，分布在規(guī)定點(diǎn)周?chē)禐樽冃嗡查g，變形段分布在與輥軸自由接觸處、變形速度最小。應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)平均值K=–1.1。

在徑向位移軋制中，相同應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)的分布特征是以材料高變形性能為條件，因?yàn)閮?yōu)勢(shì)的變形流動(dòng)是建立在高靜壓力基礎(chǔ)上的。顯見(jiàn)，變形周期性特征將影響球狀組織生成的動(dòng)力學(xué)。按照研究文獻(xiàn)，在TC4合金中關(guān)于正負(fù)號(hào)交替變形研究對(duì)球狀組織形成影響動(dòng)力學(xué)，在這樣變形特征條件下增加了劇烈變形值，為球狀晶粒的形成是必須的：在ei=0.7條件下形成5%球狀組織；而在ei=2時(shí)，形成50%球狀組織。這關(guān)系到具有組織恢復(fù)合理力學(xué)的可能性，合金在變形和軋制階段周期間不可避免地回火。

由上所述，與單調(diào)變形相比，在徑向位移軋制條件下應(yīng)該預(yù)見(jiàn)加速球化。分布在棒材主軸周?chē)鼽c(diǎn)，應(yīng)力參數(shù)狀態(tài)變化范圍：0.27＜K＜3.9，因此，變化具有單調(diào)特征。應(yīng)力狀態(tài)中間值K=0.73，對(duì)應(yīng)軋制過(guò)程特征值。所以，在棒材心部，球形晶粒變形的動(dòng)力學(xué)與單調(diào)變形條件下所觀察到的類(lèi)似。

（2）組織狀態(tài) TC4合金淬火后組織由馬氏體變?yōu)棣聽(tīng)顟B(tài)，平均晶粒尺寸（800±100）μm。試樣在（α+β）共存狀態(tài)（940oC）時(shí)效隨后空冷，分解為馬氏體并形成塑性組織（見(jiàn)圖2），平均α–相塑性厚度值為3μm。

試樣經(jīng)第一階段軋制后，顯微組織研究表明，棒材心部塑性變形ei=0.23沒(méi)有導(dǎo)致形成單調(diào)晶粒和塑性α–相破碎。在棒材周?chē)^察到翹曲部分破碎塑性α–相。檢測(cè)到單調(diào)晶粒，但其體積小于1%。因此，計(jì)算的遠(yuǎn)離棒材中心劇烈變形為1.76。

圖1 在KB=1.25、T=940oC下軋制沿棒料截面劇烈變形分布

圖2 加熱到T=940oC，空冷棒材在β區(qū)間淬火后顯微組織

第二階段，棒材心部劇烈變形性能ei=0.69，遠(yuǎn)離心部ei=5.28，單調(diào)晶粒體積百分?jǐn)?shù)分別為4%和78%。第三階段，變形性能在心部和遠(yuǎn)離心部分別增加到1.15和8.8，單調(diào)組織體積達(dá)到31%和95%。α–相平均晶粒尺寸在中心為13μm，在周?chē)鸀?0μm（見(jiàn)圖3）。

從給出的資料得出，遠(yuǎn)離棒材中心部位充滿球狀組織流動(dòng)，在T=940oC、總伸長(zhǎng)系數(shù)KB=3軋制后，遠(yuǎn)離棒材中心部位球狀晶粒占比是心部的2倍。這樣的差別是由于在徑向軋制條件下應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)圖特征、變形周期特點(diǎn)等形成的，甚至影響到在軋制階段之間回火的顯微組織的增長(zhǎng)過(guò)程。在徑向位移軋制中，毛坯大變形加熱編撰了許多防止降低溫度的方法。

圖3 第3階段軋制后的棒材顯微組織

3. 結(jié)語(yǔ)

兩相鈦合金在（α+β）兩相共存狀態(tài)（940oC）采用伸長(zhǎng)系數(shù)總和KB=3可以成形，在棒材大部分截面的球狀組織中，α–相平均晶粒尺寸等于10μm。在棒料中心部位球狀組織體積占比31%，而在遠(yuǎn)離中心部位為95%。為獲得更多均勻的顯微組織必須增加棒材心部劇烈變形，所需變形量可借助模擬和所獲得棒材顯微組織數(shù)據(jù)分析結(jié)果，進(jìn)行比較確定。

20150818