工業(yè)純鈦熱加工圖的建立和板材熱軋工藝路線的優(yōu)化

馬蕊俠，王藝超，羅　偉

(1.西部金屬材料股份有限公司，陜西　西安　710201) (2.西安建筑科技大學，陜西　西安　710055)(3.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西　西安　710201)

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工業(yè)純鈦熱加工圖的建立和板材熱軋工藝路線的優(yōu)化

馬蕊俠1，王藝超2,3，羅偉3

(1.西部金屬材料股份有限公司，陜西西安710201) (2.西安建筑科技大學，陜西西安710055)(3.西部鈦業(yè)有限責任公司，陜西西安710201)

利用Gleeble-3800熱模擬試驗機進行多道次平面應變壓縮實驗，建立了TA1工業(yè)純鈦的熱加工圖，并以此確定了板材的可加工區(qū)域。在區(qū)域內選擇3條工藝路線，利用2 800 mm四輥可逆軋機制備出TA1工業(yè)純鈦板材。通過對板材顯微組織和力學性能的分析得出，采用開軋溫度700～750 ℃，應變速率5 s-1，道次變形量不低于25%的工藝路線，可以獲得滿足使用要求的板材，且提高了成材率，降低了生產成本。

工業(yè)純鈦; 熱模擬；熱加工圖; 熱軋工藝

0　引　言

鈦及鈦合金具有強度高、密度低和耐蝕性能優(yōu)異等特點，在航空航天、生物醫(yī)療和石油化工等領域得到廣泛應用[1-2]。西部金屬材料股份有限公司的2 800 mm四輥可逆式板材熱軋機于2009年正式投入生產，軋制速率最大可達5 m/s，用來生產鈦及鈦合金熱軋板材。由于該設備加工能力強，若批次生產量小，會導致鈦板材的加工成本提高。為降低西部金屬材料股份有限公司2 800 mm熱軋機的使用成本，欲將不同要求的同質板材采用相同的工藝生產。如將復合板用的TA1工業(yè)純鈦板和化工用的TA1工業(yè)純鈦板同批次生產，這就需要探索一條能夠兼顧不同要求的板材熱軋工藝路線。

本研究利用Gleeble-3800熱力模擬試驗機模擬實際多道次平面熱軋，根據實驗數據得到的流變曲線繪制出熱加工圖，并制定熱軋試制工藝路線。通過對軋制后板型、微觀組織以及力學性能的分析研究，對現有工藝路線進行優(yōu)化。

1　TA1工業(yè)純鈦熱加工圖的建立

1.1熱模擬實驗

實驗材料為15 mm厚的TA1工業(yè)純鈦板材，由西部鈦業(yè)有限責任公司板帶廠提供，化學成分為：O<0.073%，Fe<0.014%，C<0.008%，基體為Ti。板材經700 ℃×35 min/AC退火后，平均晶粒尺寸約為60 μm。

利用水砂切割機將板材切割成15 mm×15 mm×20 mm的試樣塊，在Gleeble-3800熱力模擬實驗機上進行平面應變壓縮實驗，變形溫度為650、700、750 ℃,應變速率為1、5、10、20 s-1，壓下規(guī)程為15 mm→11 mm→7 mm→5 mm，道次變形量不低于25%，真應變?yōu)?.05。

圖1為通過平面應變壓縮實驗得到的TA1工業(yè)純鈦的真應力-真應變曲線。

圖1　TA1工業(yè)純鈦不同應變速率和變形溫度下的真應力-真應變曲線Fig.1　True stress-strain curves of TA1 commercial pure titanium with different rolling temperatures and strain rates

1.2熱加工圖的繪制

根據圖1繪制出TA1工業(yè)純鈦真應變?yōu)?.5時應力與應變速率及變形溫度的關系圖，求出應變速率敏感性指數m。

通過下式計算出不同變形溫度和應變速率下TA1工業(yè)純鈦的功率耗散率η：

(1)

利用η建立功率耗散圖。Prasad等人[3]根據最大熵產生率原理[4]提出材料失穩(wěn)準則：

(2)

圖2　TA1工業(yè)純鈦的熱加工圖(ε=0.5)Fig.2　Processing map of TA1 commercial pure titanium

從圖中可以看出，TA1工業(yè)純鈦的熱加工圖分為兩個區(qū)域，分別為白色的有效可加工區(qū)域和黑色的失穩(wěn)區(qū)。當應變速率較低時，軋制時間拉長，導致軋件溫降快，變形抗力過大，使得晶粒的破碎不充分，也會增大軋機負荷。因此，除去黑色的加工失穩(wěn)區(qū)、軋機能力范圍之外的區(qū)域并在保證板型的情況下，加熱溫度在650～750 ℃、應變速率為5～10 s-1的區(qū)域都是良好的可加工區(qū)域。最佳熱加工路線為加熱溫度在700 ℃左右，應變速率為5 s-1，該區(qū)域的耗散功率最大，為45%。

2　工藝路線的優(yōu)化

2.1優(yōu)化實驗

以西部鈦業(yè)有限責任公司板帶廠提供的990 mm×15 mm×800 mmTA1工業(yè)純 鈦板坯(化學成分和熱處理制度與熱模擬實驗材料相同)為原料進行工藝路線優(yōu)化實驗。

目前復合板用鈦板的工藝路線為開軋溫度780 ℃，應變速率4 s-1，道次變形量16%～18%；而化工用鈦板的工藝路線為開軋溫度760 ℃，應變速率6 s-1，道次變形量約22%。根據熱加工圖得到的可加工區(qū)域，選擇了3條熱軋工藝路線。分別以700、750、780 ℃為開軋溫度，應變速率為5 s-1，將15 mm厚的半成品板材，經三道次軋制(15 mm→11 mm→7 mm→5 mm)，得到5 mm厚的成品板材。

2.2優(yōu)化實驗結果

2.2.1板型

不同開軋溫度的熱軋態(tài)成品板材照片如圖3所示。從圖中可以看出，成品板材板型均良好，無波浪，表面光潔，無裂紋和凹坑等缺陷。

圖3　不同溫度軋制的TA1工業(yè)純鈦成品板Fig.3　TA1 commercial pure titanium sheets with different rolling temperatures

2.2.2顯微組織

不同開軋溫度的熱軋態(tài)成品板材的金相組織見圖4。從圖中可以看出，粗大的原始晶粒經熱軋后被拉長破碎充分，軋制之后經放置空冷，晶粒的長大速度大于形核速度，無法通過金相組織圖片判斷晶粒的大小。為了分析開軋溫度對晶粒大小的影響，對3種軋制制度的TA1工業(yè)純鈦熱軋板，均進行了700 ℃×60 min/AC退火處理，金相組織如圖5所示。

圖4　不同溫度軋制TA1工業(yè)純鈦板熱軋態(tài)的金相組織Fig.4　Microstructures of TA1 commercial pure titanium sheets with different rolling temperatures

圖5　不同溫度軋制TA1工業(yè)純鈦板退火態(tài)的金相組織Fig.5　Microstructures of TA1 commercial pure titanium sheets with different rolling temperatures

從圖中可以看出，3種軋制制度對應的板材均發(fā)生了完全再結晶，形成了等軸組織，700 ℃軋制的板材晶粒尺寸約為28 μm， 750 ℃軋制的板材晶粒尺寸約為35 μm,780 ℃軋制的板材晶粒尺寸約為40 μm。隨著軋制溫度的升高，退火后晶粒尺寸隨之增大。

2.2.3室溫力學性能

根據GB/T 3621—2010鈦及鈦合金室溫拉伸性能標準要求，在試驗板橫縱向各取了兩組試樣進行室溫拉伸實驗，結果如表1所示。從表1可以看出，同一制度的板材橫縱向力學性能差值較小，板材各向異性小，強塑性匹配良好。3種軋制制度比較來看：隨著開軋溫度的降低，強度均有所提升，且保持著良好的塑性。這是由于700 ℃軋制時顯微組織更加細小，細晶強化作用明顯。綜合比較來看，采用開軋溫度700～750 ℃，應變速率5 s-1，道次變形率不低于25%的工藝路線可以生產出滿足復合板和化工用板要求的TA1工業(yè)純鈦板，使成材率由48%提高至52%，降低了生產成本。

表1　TA1工業(yè)純鈦板退火后的室溫力學性能

3　結　論

(1)根據TA1工業(yè)純鈦熱模擬實驗數據繪制出熱加工圖，能夠確定工業(yè)純鈦的可加工區(qū)域范圍。

(2)經過試驗板的試制和顯微組織及力學性能分析，得出工業(yè)純鈦的軋制工藝參數及合適的控制范圍為：開軋溫度700～750 ℃，應變速率5 s-1，道次變形量不低于25%。

(3)通過優(yōu)化現有熱軋工藝路線，可以將不同要求的板材同批次熱軋，提高了鈦材的成材率(由48%提高到52%)，降低了生產成本，為公司帶來了一定的經濟效益。

[1] Brunette D M，Tengvall P，Textor M，et al.Titanium in medicine : material science, surface science, engineering, biological responses and medical applications[M].Berlin:Springer Berlin Heidelberg, 2009.

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[4] Ziegler H. Some extremum principles in irreversible thermodynamics with application to continuum mechanics[M]//Sneddon I N, Hill R.Progress in Solid Mechanics:Volume Ⅳ.Amsterdam: North-Holland Publishing Company, 1963: 93.

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[6] Abdulhay B, Bourouga B, Dessain C, et al. Experimental study of heat transfer in hot stamping process[J].International Journal of Material Forming, 2009, 2(1): 255-257.

Processing Map Establishment and Hot Rolling Process Optimization of Commercial Pure Titanium

Ma Ruixia1, Wang Yichao2,3, Luo Wei3

(1.Western Metal Materials Corp., Xi’an 710201, China)(2.Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055, China)(3.Western Titanium Co., Ltd.,Xi’an 710201, China)

The multi-pass plane strain compression was carried out on Gleeble-3800 thermal simulation machine, hot processing map was established, and the region of workability was found. Three rolling processes were developed according to the hot processing map.TA1 commercial pure titanium sheets were hot rolled by three rolling processes with 2 800 mm four reversing hot mill. The microstructures and mechanical properties were analyzed. The results show that, the sheets which can meet the standards could be obtained under the rolling temperature of 700～750 ℃ and strain rate of 5 s-1with no less than 25% deformation rate. The rolling yield could be improved and production costs could also be reduced.

commercial pure titanium; thermal simulation;processing map; hot rolling

2016-02-26

王藝超(1992—)，男，碩士研究生。

TG337.6

A

1009-9964(2016)02-0029-04