適用于超塑成形的TC4 薄板軋制工藝研究

張海深

（撫順特鋼股份有限公司，遼寧 撫順 113001）

0 引言

TC4 鈦合金是目前使用最為廣泛的一種α+β 兩相合金。因其具有良好的室溫、耐高溫、抗疲勞、抗裂縫等特性，在航天、武器裝備等方面具有廣泛應用。近幾年，隨著航空航天行業的快速發展，TC4 鈦合金板材在國內的需求量不斷增加[1]。隨著“大飛機”項目的實施，TC4 鈦合金薄片有望得到更為廣泛的應用。通過對TC4 合金成分、熱加工工藝和熱處理工藝的探討，發現TC4 合金的微觀結構與性能有很大關系[2]。

1 研究背景

軋制是金屬加工的基本工藝，加工工藝的優劣將直接影響到生產。近年來，國內對TC4 鈦合金板的需求量不斷增加，超塑性材料的應用范圍從航空航天用的構件發展到了航天用的大型集裝箱和超大型復雜構件，比如宇宙飛船的壓力容器、火箭發動機外殼、飛機蒙皮、肋骨、腹板等，并對其具備的室溫、高溫、超塑性等性能進行了新的探索[3]。TC4 超塑性材料的顯微結構必須是均勻的、細小的、平均顆粒直徑小于8 μm、無富氧的等軸晶型的α+β；室溫下的橫向機械強度σb＞925 MPa、σ0.2＞870 MPa，400 ℃下高溫力學性能滿足σb≥590 MPa，σ100h≥540 MPa；在920℃下，在10-4s-1的應變率范圍內，單向拉伸伸長率為1 000%。因此，為了滿足超塑性航空工業發展的需要，研制TC4 超塑性材料，在技術上改善其性能和工藝水平，仍是當前需要研究的一個主要問題。

2 實驗方法

實驗原材料為海綿鈦、鋁豆、中間合金，通過真空自耗式電弧爐進行二次冶煉，得到TC4 鈦金鑄錠，其組成為w（Al）=5.5%～6.75%、w（V）=3.5%～4.5%、w（Fe）≤0.3%、w（C）≤0.08%、w（N）≤0.05%、w（O）≤0.18%、w（H）≤0.0125%、w（Si）≤0.04%，余量為Ti，相變點為998℃。

本實驗使用同一批鑄錠，經過快速鍛機多火二次鐓拔成形，在加熱爐內，將坯料加熱到α+β 兩相區，在熱軋機上進行兩火熱軋開坯至12～15 mm，然后進行β 淬火，經換向后進行熱軋，直到3.2 mm，熱軋后的整體變形不小于60%。采用單片軋制、包覆鋼板多層疊軋和多層直接氬弧焊疊軋三種方法制備厚度1.5 mm的TC4 薄鋼板。在軋制結束后，用800 ℃保溫0.5 h 的空氣退火，并進行空氣冷卻。通過對TC4 薄鋼板的室溫性能、高溫性能及微觀結構的測試，對其優缺點、工藝過程和產品特性進行了對比，討論了潤滑對疊軋板材表面質量的影響，得出適合TC4 的軋制工藝。

3 探討和剖析

3.1 三種軋制方法的比較

包覆疊軋是在TC4 或其他鈦合金中厚板周圍包覆一定厚度的碳鋼板，內部放置4 塊厚度為3.2 mm的TC4 板材，在其周圍用鋼條焊接而成，經熱軋、分離、表面處理后得到熱軋薄板。TC4 鈦合金薄板的包覆疊軋工藝由于減薄率小于l，真實厚度是很難測定的，利用測長方法來控制軋制厚度，但這種方法存在很大的誤差，最佳方法是根據鈦合金板與鋼板的減薄率來確定包覆鋼板和鈦板的厚度。同時，根據鈦對鋼材的延展率和加工率，計算出所需的鋼板厚度和長度，由于焊接費時費力，所以采用碳鋼作為外殼，可以減少表面溫度的下降，減少軋制力。在不影響材料性能的前提下，采用較輕的材質，用增大壁板厚度的方法來提高其強度，從而提高兩相區的加工效率，改善組織和性能，保護金屬，減少污染，使得板材的光潔度達到均勻一致。

單片法軋制由于其在低溫下的塑性很差，而在冷處理時又具有很高的硬度，所以采用單片法制作薄板難度較大。它的冷軋變形不超過25%，需要經過多次冷軋、中間退火、堿酸洗，同時在軋制冷卻過程中還存在著溫度應力和殘余應力，這些應力的疊加會出現應力集中，導致裂紋、脫渣和壓坑等工藝問題的出現。根據有關研究，在TC4 薄板生產中，堿洗、磨削等工序所產生的無形損失占10%左右，而整體合格率僅為50%，生產周期較長。所以，用單一的方法制造薄板是非常困難的。

多片直接氬弧焊接疊軋是采用氬弧焊將4 塊厚度為3.2 mm 的TC4 板材周圍焊接成坯，經分離、表面處理得到最終的熱軋板材。在三到四個焊塊的情況下，中間料溫度下降較低、變形較大，對材料有一定的破壞作用。縱向伸長率大于上下表面的兩塊料，會將頭尾焊接部位頂開，無法順利軋至成品尺寸，所以只能兩兩疊軋。直氬弧焊接疊軋工藝簡單、省時，在生產出厚度不超過2.0 mm 的板坯時，采用雙線氬弧焊接堆軋工藝，其厚度下降緩慢，溫度下降迅速，需要反復回火。

3.2 TC4 三種不同軋制方法的性能比較

三種不同的軋制方法得到的薄板制品的微觀結構見圖1。

圖1 三種軋制方式生產的板材顯微組織

板材顯微組織均為基本均勻細小的等軸晶組織，滿足超塑成形用板材對顯微組織的要求。其中包覆疊軋板材的組織形態和尺寸趨于一致，但在板芯附近的組織更均勻細小，而單板軋制的板坯組織中存在少量拉長的條狀α 相，且晶粒較大。這是因為在疊軋過程中，鋼板與軋輥的相互作用，而鋼板的延展性優于TC4 合金板，在軋制過程中，可以進行“潤滑”，從而使得板料的組織更加均勻一致；另外，在TC4 合金薄板進行疊軋時，可以降低其溫度下降速率，從而使其變形更均勻，達到更好的組織結構。

三種軋制工藝的板材的室溫特性見下表1，其高溫特性見下表2。

表1 三種軋制方式生產的板材室溫性能

表2 三種軋制方式生產的板材高溫性能

從表1-2 可以看出，三種不同的軋制工藝制備的TC4 板材，其室溫高溫性能有一定的差別，但均滿足其超塑性成形的需要。經920 ℃處理后，該復合材料具有良好的機械性能、較低的強度、較大的加工范圍、較好的常溫拉伸能力，920 ℃時的超塑性可達1 120%，對超塑制品的超塑成型更加有利。此外，在TC4 包覆熱軋過程中，將其包覆于鋼包殼中，沒有與空氣直接接觸，沒有被表面污染，最終的工藝特性（彎曲）非常好。從軋制過程上可以看出，由于采用熱軋工藝，使冷軋工藝中不易成形的零件變為熱加工，通過這種方法可以有效地解決板材表面裂紋、壓坑等缺陷，減少損失，提高效率。從板性能方面，三種不同的軋制工藝均可獲得TC4 板材的超塑性，包覆疊軋鋼板的超塑性最好。所以在TC4 的超塑性成型中，采用包覆層軋制是一種適用于大批量生產的工藝。

3.3 潤滑的影響

實驗中使用了三種不同的潤滑方式：無潤滑、液體潤滑和固體潤滑。其中，以漿液作為隔離劑，以石墨為介質進行固體潤滑。經過退火、分離、酸堿洗等工序后，得出以下結論：無潤滑軋制后，板料間產生黏合現象，不能進行脫模；采用液體或固體潤滑劑，能把板面加工成所需的光滑度。但液體潤滑的軋件表面具有一定的光澤度，且總體均勻度很低，而使用固體潤滑的板材表面質量總體上是一致的。所以，在疊軋過程中必須要使用潤滑，且固體潤滑為宜。固態潤滑由于其無污染，表面質量均勻，成本低廉，可操作性強等特點被廣泛應用。

4 結論

1）單片法軋制因為其在低溫下塑性較差，且在冷加工中硬度較高，因此采用單片法生產薄板難度更大。采用單片軋制法和疊軋工藝，可以得到具有均勻微細等軸晶的TC4 鈦合金薄板，疊軋板材組織更加均勻一致，性能更加穩定，特別是包覆疊軋板在彎折、超塑性等方面表現出顯著的優越性，更適用于批量生產TC4 薄板。

2）雖然疊軋是一種常規的生產工藝，但在原料符合要求、加工工藝合理的情況下，該工藝適合于TC4 型超塑型鈦合金板材的生產。在TC4鈦合金薄板的包覆疊軋過程中，采用廉價的碳鋼作為殼體，能夠有效地降低表面溫度，減小軋制力，提高鋼板的受力狀態，提高兩相區域的加工效率，提高產品的結構和性能，降低材料表面污染。

3）在疊軋過程中，板材之間潤滑劑是不可或缺的，由于固態潤滑具有無污染、表面質量均勻、成本低廉、可操作性好等優點，因此選用固態潤滑為最佳方式。