擠壓TC4鈦合金U型材矯直工藝研究

代春，張平平，王俊琪，李寶霞，謝林均

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

目前，鈦合金型材作為一種結構件，具有結構效益高的特點，在航空航天中作為承力框架零件使用。鈦合金型材成形方法有冷拉成形、熱拉彎成形和熱擠壓成形等加工方法。而擠壓成形可生產形式各異、截面復雜的型材，具有生產靈活、加工效率高等特點，并且是復雜斷面、空腹、變斷面型材的唯一加工方法[1-2]。相對冷拉成形和熱拉彎成形，擠壓型材的剛度好。因此，鈦合金型材擠壓制備工藝技術是一種其他成形加工技術無法代替的制備成形加工技術。鈦合金擠壓型材在俄羅斯和美國已經成功生產和應用了近五十余年[3]。國內個別型號曾經應用了鈦合金的擠壓型材，但由于國內無法生產，至今該產品一直依賴進口。

由于異型材斷面形狀復雜，擠壓過程中金屬流動的不均勻是客觀存在的現象。優化模具設計只能做到調節所擠壓型材橫截面各部位流動的相對均勻，因此擠壓型材總會產生一些扭轉或者翹曲等不平直的現象。本實驗使用的是擠壓成形的TC4鈦合金U型材，U型材的壁厚范圍為10～15mm之間為大斷面型材。鈦合金型材與普通的鋼鐵材料相比室溫具有高的屈服強度，大的截面系數和低的彈性模量，矯直難度非常大，必須在加熱下進行扭轉和張力矯直，一般采用電接觸熱張力矯直。本文著重分析了TC4鈦合金U型材采用電接觸熱張力矯直，其矯直溫度、扭轉力、拉伸力和降溫速率工藝參數對合金型材平直度、彎曲度和扭擰度的影響，為鈦合金型材矯直工藝提供一定理論依據。

1 鈦合金型材矯直工藝參數的確定

1.1 鈦合金U型材制備工藝

鈦合金U型材在3150T水壓機進行擠壓成形（見圖1），進行切定尺，表面氧化層處理，并在電阻爐里進行退火處理，在電接觸熱張力矯直機上進行矯直，具體工藝流程：

型材擠壓→切定尺→表面氧化處理→退火→張力矯直→檢查

圖1 擠壓TC4合金U型材

1.2 U型材矯直方案

在金屬擠壓過程中，型材截面上各處的金屬流動速度差異較大，導致金屬擠出模孔之后會發生扭擰（見圖1）。盡管可以通過優化模具結構改善截面上金屬速度場分布狀態，鈦合金型材仍需在擠出之后進行矯直，并設計相應的矯直方案。

U型材矯直在電接觸熱張力矯直設備上進行矯直（圖2），研究矯直過程中的加熱溫度、矯直后的降溫速率及拉伸力等工藝參數對型材彎曲度及扭擰度的影響，根據熱張力矯直理論計算公式（1-1），提出合理的工藝參數值，保證能夠獲得滿足彎曲度及扭擰度指標要求的制品和矯直工藝。其中式中TC4合金不同溫度下屈服強度δs見表1[4]，假設U型材斷面為均勻斷面，K安全系數為1。F為型材斷面實際測量值。矯直加熱溫度分別為600℃、650℃、700℃和720℃，降溫速率分別為30℃/min、40℃/min、50℃ /min和60℃/min，具體矯直工藝方案見表1。

熱張力矯直施加的拉力P應滿足下式[4]：

圖2 U型材矯直實物照片

式中：K—考慮斷面不均等的安全系數；

δs—金屬工件的屈服強度，公斤/毫米2；

F—工件的斷面積；

2 U型材熱張力矯直影響因素分析

根據表1給出的試驗方案，考慮的影響參數分別為：加熱溫度和降溫速率，通過對不同試驗方案型材彎曲度測量結果，我們可以發現每個參數的改變都會引起相應變形結果發生一定的變化，為了研究這些參數變化時彎曲度變形變化規律，需要分析單個參數變化時矯直變形的變化規律以及其性能和組織的影響。

2.1 加熱溫度對型材矯直結果的影響

如圖3和4分別為降溫速率為30℃/min和40℃/min時，不同加熱溫度下的矯直變形情況。

從圖3和4中可以看出，在相同降溫速率條件下，U型材的底面平直度、橫向和扭擰度隨著矯直溫度升高，U型材矯直變形效果更好。當矯直溫度為720℃，降溫速率為30℃/min和40℃/min時，U型材的底面平直度、橫向和扭擰度都滿足AMS2245《鈦及鈦合金擠壓條、棒材及型材尺寸公差》的相關要求。這是由于矯直溫度升高，合金本身變形抗力會隨之減小，擠壓冷卻過程中產生應力逐漸消除，使合金更加容易變形，所以U型材矯直變形隨著矯直溫度的升高而增加，考慮到TC4合金退火溫度限制以及高溫對型材氧化程度，所以熱張力矯直溫度不能高于退火溫度。

表1 U型材矯直工藝匹配試驗方案

圖3 不同加熱溫度的矯直變形情況（30℃/min）

圖4 不同加熱溫度的矯直變形情況（40℃/min）

圖5 不同降溫速率的矯直變形情況（600℃）

圖6 不同降溫速率的矯直變形情況（720℃）

2.2 降溫速率對型材矯直結果的影響

降溫速率的大小對U型材矯直變形的影響情況如圖5及6所示。

由圖5、圖6所示可以看出，在相同加熱溫度條件下，隨著降溫速率的增加，U型材的矯直變形隨之減小。這種變化趨勢是在矯直拉伸力不變和加熱溫度不變的情況下，型材合金由于隨著降溫速率增加，型材表里溫差越大，矯直變形后的回彈性越大，所以U型材矯直變形大小隨著溫降速率的增加而減小。當降溫速率為30℃/min時，型材內外表面的冷卻速度差減小，內外表面收縮率速度趨于一致，使得熱效應產生的彈性應變回復減小，從而更好的保持了型材高溫矯直變形狀態。

2.3 矯直工藝對型材組織和性能的影響

矯直工藝對U型材組織和性能的影響情況如圖7和8所示。

圖7 矯直前后U型材組織形貌

圖8 矯直前后U型材的力學性能

圖7所示矯直前后U型材組織的變化情況，從圖中我們可以看出，矯直前后U型材組織形貌基本沒有發生變化，都是典型β單相區熱加工組織的基本形貌，原始β晶界整體比較清晰和完整，針狀的α相有序排列在晶界上，晶粒呈多邊形狀且較粗大，長條形α相分布在β晶粒內，由灰白色相間長條α＋β相組成的整個晶粒。這表明型材矯直加熱溫度和矯直變形產生的熱量并沒有改變型材原始β加工組織形貌。

圖8所示矯直溫度對U型材力學性能的影響，從圖中我們可以看出不同矯直加熱溫度的抗拉強度Rm為962～976MPa，屈服強度Rp0.2為865～878MPa，延伸率為12.5%～14.5%，斷面收縮率為24%～27%，滿足U型材的力學性能抗拉強度Rm≥896MPa，屈服強度Rp0.2≥827MPa，延伸率A≥10%，斷面收縮率Z≥20%的技術性能要求。表明矯直加熱溫度不高于成品退火溫度，對U型材的組織和性能影響變化不大。

3 結論

（1）熱張力矯直加熱溫度和降溫速率對鈦合金U型材矯直變形影響明顯，在相同降溫速率條件下，隨著矯直溫度升到，U型材矯直變形效果更好。在相同加熱矯直溫度條件下，隨著降溫速率的增大，U型材的矯直變形隨之減小；

（2）矯直加熱溫度720℃和降溫速率30℃/min時，矯直后U型材滿足產品的使用技術的相關要求。矯直加熱溫度不高于成品退火溫度，矯直加熱溫度對U型材組織和性能的影響不明顯。