TC4鈦合金板帶高溫成形性能研究

孫付濤+韓晨

摘要： 以TC4鈦合金板帶為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)其高溫下的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率以及表面氧化皮等進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析.TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比均隨溫度的升高而降低.所測(cè)合金的比熱容范圍為0.61～1.14 J/（kg·K），熱輻射系數(shù)為0.58.TC4合金表面氧化缺陷層主要由外側(cè)含氧量較高的氧化皮和內(nèi)側(cè)的富氧層組成.隨加熱溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，富氧層會(huì)向合金基體延伸使其氧化層厚度增加.在較高的應(yīng)變速率和較低的變形溫度下，TC4合金的變形抗力增加明顯.應(yīng)力應(yīng)變曲線隨應(yīng)變速率的降低由加工硬化型向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型轉(zhuǎn)變，變形溫度越高其發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量越小.

關(guān)鍵詞： 熱軋； 板帶； TC4鈦合金； 高溫性能； 氧化皮； 變形抗力

中圖分類號(hào)： TG 146.2+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

金屬鈦具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕和高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，因而被稱為“第三金屬”和“21世紀(jì)的金屬”[1-2].

板帶材是鈦加工材的主要產(chǎn)品，占鈦加工材消費(fèi)量的60%以上，主要應(yīng)用于國(guó)防、軍工、航空航天、石油化工、制鹽制堿、冶金、船舶制造、海濱電站及醫(yī)療和體育等行業(yè).隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，鈦板帶材的市場(chǎng)需求量也在快速提高，這給鈦板帶加工技術(shù)與裝備的發(fā)展帶來了機(jī)遇，但同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能、尺寸公差、表面質(zhì)量和使用性價(jià)比等提出了更高的要求[3-8].

相比于鋼鐵、銅、鋁等金屬板帶材，鈦板帶材屬應(yīng)用領(lǐng)域高端和發(fā)展前景看好的新型高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料，但其生產(chǎn)技術(shù)要求高、工藝難度大，這尤其體現(xiàn)在熱軋變形抗力高、加工硬化程度大、熱變形溫度范圍窄等方面.

（1） 鈦的晶體結(jié)構(gòu)為hcp（密排六方），力學(xué)性能呈現(xiàn)出顯著的各向異性，常溫下僅有3個(gè)滑移面（基面、棱錐面、棱柱面）和1個(gè)滑移方向（鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882 ℃以下為hcp結(jié)構(gòu)的α鈦，882 ℃以上為bcc（體心立方）結(jié)構(gòu)的β鈦）.

（2） 鈦在高溫下與氧親和力強(qiáng)，氧元素不斷向基體擴(kuò)散，在鈦內(nèi)部形成硬脆層，使其塑性降低.另外，在還原性氣氛中加熱時(shí)，鈦的吸氫效應(yīng)特別強(qiáng)烈，該效應(yīng)會(huì)使氫擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，降低其塑性[9-11].

由于以上原因，鈦板帶材的熱軋工藝和熱軋機(jī)等加工設(shè)備需要針對(duì)其特性進(jìn)行專門的開發(fā)和設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)必須依據(jù)準(zhǔn)確的材料性能參數(shù)等數(shù)據(jù)，如鈦在不同溫度和應(yīng)變速率下的屈服強(qiáng)度、高溫下的熱導(dǎo)率、熱輻射系數(shù)、表面氧化皮的化學(xué)成分及厚度、應(yīng)力應(yīng)變曲線特征等.

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選擇某企業(yè)生產(chǎn)的TC4鈦合金鍛打坯料，其化學(xué)成分見表1.相比于工業(yè)純鈦，TC4鈦合金的成分為Ti6Al4V，屬于（α+β）型鈦合金[12-13]，具有良好的綜合力學(xué)性能，在鈦合金品種中的應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量也最大.

1.2 試驗(yàn)方案

TC4鈦合金的高溫力學(xué)性能主要包括不同溫度條件下的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、伸長(zhǎng)率δ5、比熱值、熱導(dǎo)率、熱輻射系數(shù)等，以及在不同溫度和應(yīng)變條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征.根據(jù)試驗(yàn)要求分別制作所需試樣后，在700～1 100 ℃溫度下，對(duì)TC4合金進(jìn)行拉伸、溫降等試驗(yàn).同時(shí)，制作熱模擬試樣，在700～1 100 ℃、工程應(yīng)變20%以及1，5，10，30和50 s-1的應(yīng)變速率下，進(jìn)行熱力模擬試驗(yàn).

另外，對(duì)厚度為8 mm的熱軋板以及熱軋后再進(jìn)行退火的TC4合金板材分別進(jìn)行表面氧化皮成分和厚度的試驗(yàn)測(cè)定和分析.

2 高溫力學(xué)參數(shù)

溫度分別為700，800，900，1 000和1 100 ℃條件下的TC4鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示.

TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等高溫力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果見表2.

從圖1和表2中可以看出，TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb均隨溫度的升高而降低.溫度在700～1 100 ℃時(shí)，TC4鈦合金的屈強(qiáng)比分別為0.85，0.64，0.45，0.48，0.43，屈強(qiáng)比大致隨溫度的升高而降低.當(dāng)溫度為900 ℃時(shí)，TC4鈦合金的伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，為470%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb分別為10 MPa，22 MPa.TC4鈦合金的伸長(zhǎng)率在700 ℃和1 000 ℃時(shí)相對(duì)較低，最低值為95%.

在700 ℃出現(xiàn)伸長(zhǎng)率較低的原因是，溫度較低時(shí)，TC4鈦合金沒有達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不能進(jìn)行，也無法獲得細(xì)小等軸的晶粒組織.同時(shí)，TC4鈦合金在此溫度下很難發(fā)生αβ的相轉(zhuǎn)變.TC4鈦合金的α相為hcp結(jié)構(gòu)，β相是bcc結(jié)構(gòu)，hcp結(jié)構(gòu)的滑移系少于bcc結(jié)構(gòu)的滑移系.因此，hcp結(jié)構(gòu)合金的塑性成形能力較差，伸長(zhǎng)率低.當(dāng)溫度為1 000 ℃時(shí)，TC4鈦合金在變形過程中雖然達(dá)到了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度，但由于變形溫度較高，TC4鈦合金試樣在拉伸過程中其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒迅速長(zhǎng)大，組織和晶粒粗化嚴(yán)重，造成其塑性成形能力較低.

對(duì)TC4鈦合金鍛坯取樣，進(jìn)行溫降試驗(yàn)，試樣規(guī)格為8 mm×100 mm×200 mm.在溫度為380.2～1 232.6 K時(shí)，TC4鈦合金的比熱容為0.61～1.14 J/（kg·K）.其中在380.2～1 160.7 K時(shí)，TC4鈦合金的比熱容隨溫度的升高而增大；在1 160.7～1 232.6 K時(shí)，比熱容隨溫度的升高而降低.

另外，在溫度為429.6～1 378.8 K時(shí)，TC4鈦合金的熱導(dǎo)率為5.8～19.7 W/（m·K），且隨著溫度的升高而持續(xù)增大.所測(cè)得的TC4鈦合金的熱輻射系數(shù)為0.58.

3 表面氧化皮分析

對(duì)TC4鈦合金坯料進(jìn)行軋制試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)其表面氧化皮的成分和厚度進(jìn)行分析.試樣在960 ℃進(jìn)行始軋，終軋溫度為480 ℃，軋制總壓下率為95.6%.對(duì)8 mm厚的熱軋板進(jìn)行750 ℃×1.5 h退火.分別對(duì)TC4鈦合金軋制板和熱軋后的退火板進(jìn)行試驗(yàn)分析，其表面生成的氧化皮形貌的SEM照片如圖2所示.endprint

經(jīng)測(cè)定，圖2（a）中TC4鈦合金熱軋板的表面氧化皮厚度為15.9 μm；圖2（b）中經(jīng)熱軋和退火后的板材表面氧化皮厚度為17.5 μm.分別進(jìn)行能譜分析可知，兩者氧化皮中主要含C，N，O，Al，Ti等元素，具體的化學(xué)元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3.

對(duì)各元素進(jìn)行線掃描，并結(jié)合金屬和非金屬元素的相圖進(jìn)行分析，TC4鈦合金表面氧化物主要為TiO2，TiO，Al2O3，同時(shí)也含有少量的Ti2O，Ti3O，Ti6O等低價(jià)鈦的氧化物.TC4鈦合金表面氧化層的組成示意圖見圖3.

與鋼鐵、銅板帶等金屬相似，TC4鈦合金加熱后的氧化缺陷層主要由兩部分構(gòu)成：外側(cè)含氧量較高的氧化皮，以及基體與表面氧化皮之間的富氧層.由于TC4鈦合金板坯外表面直接受到熱源輻射，且完全處于含氧氣氛中，因而其表面氧化皮中氧原子與金屬原子的數(shù)量比達(dá)1～2.Al2O3相比TiO2，致密性更好，能夠較好地阻擋氧向內(nèi)層擴(kuò)散和滲透，因而富氧層中，氧原子與金屬原子的數(shù)量比<0.5.

含氧量較高的表面氧化皮一般為多孔疏松狀，在熱軋生產(chǎn)中可采用10～18 MPa的一次高壓水對(duì)表面氧化皮進(jìn)行去除（TC4鈦合金板坯出爐后和熱軋前）.富氧層為氧原子溶入鈦基體的固溶體，組織相對(duì)氧化皮致密，與基體的結(jié)合比較緊密且不易剝落.同時(shí)，與鋁及鋁合金熱軋板帶表面氧化層類似，TC4鈦合金富氧層的存在能夠?qū)︹伝w形成保護(hù)作用，減少氧元素的入侵及生長(zhǎng).但隨著加熱或退火溫度的升高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，富氧層會(huì)向TC4鈦合金基體延伸，同時(shí)外側(cè)的富氧層逐漸疏松多孔，成為含氧量較高的表面氧化皮的一部分.因而，在TC4鈦合金板帶材熱軋生產(chǎn)中，除了進(jìn)行大壓下破碎富氧層外，還采用20～25 MPa，機(jī)架內(nèi)二次高壓水對(duì)氧化富氧層進(jìn)行去除.

4 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

圖4溫度為800 ℃，平均變形程度為20%的TC4鈦合金應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率分別為1，5，10，30和50 s-1.從圖4中可以看出，TC4鈦合金應(yīng)力應(yīng)變曲線在試驗(yàn)應(yīng)變速率下，均出現(xiàn)了峰值變形抗力.其中，在應(yīng)變速率5，10，30和50 s-1下的變形抗力峰值分別為：470，550，620和760 MPa.以上4種應(yīng)變速率狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線在變形抗力達(dá)到最大值后，曲線基本保持平衡穩(wěn)定.這說明TC4鈦合金在一定應(yīng)變速率下達(dá)到相應(yīng)的變形量時(shí)，其加工所產(chǎn)生的硬化與動(dòng)態(tài)變形產(chǎn)生的軟化程度大體相當(dāng)，達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡.因而，變形抗力不再隨變形量的增加而增大.但是，當(dāng)應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，TC4鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線在峰值變形抗力達(dá)到405 MPa后，卻隨變形量的增加而下降.這說明在應(yīng)變速率為1 s-1時(shí)，TC4鈦合金的動(dòng)態(tài)變形軟化程度超過了加工硬化程度，金屬進(jìn)而發(fā)生了顯著的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.因而，在溫度為800 ℃，平均變形程度為20%的條件下，隨著應(yīng)變速率的降低，TC4鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線由加工硬化型向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型發(fā)生了轉(zhuǎn)變.

進(jìn)一步對(duì)應(yīng)變速率為5 s-1、平均變形程度為10%的TC4鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行研究，分別選擇600～1 000 ℃內(nèi)的7個(gè)應(yīng)變溫度值進(jìn)行試驗(yàn).結(jié)果表明，在變形溫度為600 ℃和700 ℃時(shí)，TC4鈦合金只發(fā)生了加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)，沒有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.當(dāng)變形溫度為800，850，880，900和1 000 ℃時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)了應(yīng)力峰值和應(yīng)力平穩(wěn)階段，表明TC4鈦合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶.在試驗(yàn)變形溫度范圍內(nèi)，TC4鈦合金的變形抗力在變形起始階段隨著變形量的增加而快速增大，當(dāng)變形量達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，TC4鈦合金的變形抗力達(dá)到最大值.當(dāng)提高TC4鈦合金的變形溫度時(shí)，金屬的峰值變形抗力減小，且峰值變形抗力所對(duì)應(yīng)的變形量也進(jìn)一步降低.以上試驗(yàn)結(jié)果表明，變形溫度對(duì)TC4鈦合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生時(shí)臨界變形量的影響為變形溫度越高，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量越小.另外，在相變點(diǎn)附近，由于TC4鈦合金發(fā)生了αβ的相轉(zhuǎn)變，使金屬在變形過程中出現(xiàn)了明顯的動(dòng)態(tài)軟化特征，表現(xiàn)為變形抗力的逐步下降.總之，在較高應(yīng)變速率和較低的變形溫度下，TC4鈦合金均呈現(xiàn)出變形抗力明顯增大的現(xiàn)象，而在相變點(diǎn)附近則表現(xiàn)出了良好的塑性.

5 結(jié) 論

（1） TC4鈦合金屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比均隨溫度的升高而降低.

（2） TC4鈦合金比熱值為0.61～1.14 J/（kg·K），而且先隨溫度的升高而增大，而后隨溫度的升高而減小.所測(cè)TC4鈦合金的熱輻射系數(shù)為0.58.

（3） TC4鈦合金加熱后的氧化缺陷層主要由兩部分構(gòu)成，即外側(cè)含氧量較高的氧化膜（TiO）和氧化皮（TiO2），以及基體與表面氧化皮之間的富氧層.

（4） 在較高的應(yīng)變速率和較低的變形溫度下，TC4鈦合金的變形抗力均增加明顯.

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