大規格TC4鈦合金厚板研制

楊建朝，王 興，謝英杰，張 清，王蕊寧，曲恒磊

(西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

大規格TC4鈦合金厚板研制

楊建朝，王 興，謝英杰，張 清，王蕊寧，曲恒磊

(西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)

采用經三次真空自耗電弧熔煉、多向鍛造得到的TC4鈦合金板坯為原料，以熱模擬試驗所獲得的熱加工圖為參考，利用西部鈦業有限責任公司2 800 mm四輥熱軋機成功制備出了寬度為2 300 mm，厚度達到40～70 mm的大規格TC4鈦合金厚板，研究了熱軋工藝對其組織和室溫力學性能的影響。結果表明，軋制溫度、道次變形率和應變速率是制備大規格TC4鈦合金厚板的關鍵工藝因素。所制備的TC4鈦合金厚板的顯微組織為雙態組織，由平均晶粒尺寸為25 μm的等軸初生α相、拉長的次生α相及晶間β相組成，其室溫抗拉強度為925～960 MPa，屈服強度為870～910 MPa，延伸率為12.0% ～14.5%。

TC4鈦合金;大規格;厚板;熱模擬;熱軋

0 引言

TC4鈦合金具有優異的綜合性能，產量占到整個鈦合金產品的50%以上，而其中宇航工業用量超過80%［1－3］，主要被用做飛機的承力構件，其約占承力構件用鈦合金用量的70% ～80%［4］。目前，世界上一些國家制備大型鈦合金材料的技術已經成熟，并制定有相應的規范，例如美標AMS 4911L中Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金板材最厚可達100 mm。而因受制備工藝、使用水平等的限制，我國高性能的大規格TC4鈦合金厚板(厚度大于40 mm，寬度大于2 000 mm)的制備仍面臨諸多挑戰［5－7］。

隨著TC4鈦合金板材厚度增加、寬度變大，控制其組織均勻性、保持其強塑性匹配等的難度也將增大，而采用適宜的熱加工方法是制備大規格TC4鈦合金厚板的有效途徑［8－11］。本研究以熱模擬試驗所獲得的熱加工圖為參考，對變形量、軋制溫度等工藝參數進行了探索，并在西部鈦業有限責任公司(以下簡稱西部鈦業)2 800 mm四輥熱軋機上成功制備出板形良好且組織均勻的大規格TC4鈦合金厚板。

1 實驗

實驗用TC4鈦合金鑄錠經3次真空自耗電弧熔煉而成，質量為5 t。鑄錠經扒皮后在上、中、下部分別取樣并進行成分分析，結果見表1。從表1可以看出，主元素Al、V以及雜質元素Fe、O在鑄錠上、中、下部分布均勻，無偏析，完全滿足制備大規格TC4鈦合金厚板的要求。

表1 TC4鈦合金鑄錠的化學成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy ingot

鑄錠經超聲波探傷后切除冒口和錠底，然后在大噸位快鍛機上經多向鍛造鍛成板坯［12］。在板坯頭部橫斷面取樣，觀測厚度方向中部的顯微組織。在板坯頭部橫斷面同時切取φ10 mm的壓縮試樣，在Gleeble1500熱模擬實驗機上進行熱模擬試驗。其中，變形溫度分別設定為 800、850、900、950、1 000、1 050℃，應變速率分別設定為0.01、0.1、1、10、20 s－1。

接下來將板坯經加熱、換向熱軋、普通退火、表面處理后得到40～70 mm厚TC4鈦合金板材。利用MTS試驗機測試板材的室溫拉伸性能;利用奧林巴斯顯微鏡觀察其金相組織。

2 結果與討論

2.1 板坯的組織形貌

TC4鈦合金厚板坯的金相組織如圖1所示。由圖1可以看出，經多向鍛造后，板坯組織均勻，晶粒平均尺寸約為15～20 μm，鑄態組織已被完全破碎，為板材軋制后得到良好組織打下了較好的基礎。

圖1 TC4鈦合金板坯的金相照片Fig.1 Metallograph of TC4 titanium alloy slab

2.2 熱模擬試驗

不同溫度和應變速率下TC4鈦合金板坯的真應力－真應變曲線如圖2所示。

圖2 不同變形溫度和應變速率條件下TC4鈦合金板坯的真應力－真應變曲線Fig.2 Curves of true stress vs.true strain deformed at different temperatures and different strain for TC4 titanium alloy slab

從圖2可以看出，在一定的變形溫度下，隨著應變速率的增加，應變硬化和軟化現象更為明顯，變形抗力增大。而在一定的應變速率下，隨著變形溫度的升高，硬化和軟化現象減弱，變形抗力減小。由此可見，溫度的升高對材料流變應力的改變有著非常明顯的效果，即隨著溫度的增加其流變應力大大降低，表明材料發生了快速軟化。

通過熱模擬試驗，獲得的TC4鈦合金的加工圖(變形程度ε=0.1～0.5)如圖3所示。由圖3可以看出，TC4鈦合金的加工圖大致可分為兩區域，白色區域為溫度和應變速率均適合進行熱加工的范圍，但對于大規格TC4鈦合金板材工業規模的制備，應變速率為0.01 s－1和0.1 s－1的區域不適用，會導致熱軋過程中溫降嚴重［13－14］。因此，對于大規格TC4鈦合金板材制備來說，加熱溫度900～1 050℃，應變速率1～10 s－1左右為其最佳的熱變形工藝條件。

圖3 TC4鈦合金的加工區域圖Fig.3 Processing domain map of TC4 titanium alloy

2.3 成品板材的組織形貌

在對板坯進行熱軋時，根據熱加工圖得到的最佳熱變形工藝條件，應控制應變速率為5～12 s－1，加熱溫度為900～980℃，并且最后一火次軋制時須保證道次的最大變形率不低于15%～20%，否則易使心部組織粗大。在合理的軋制溫度、變形速率以及道次變形率下所制備的厚度為40～70 mm，寬度為2 300 mm的TC4鈦合金成品厚板的照片如圖4所示。由圖4可見，大規格厚板的表面光滑，無裂紋、凹坑等缺陷，并且板形良好，可達到美標AMS 4911L的要求。

成品板材熱軋態及退火態的金相組織照片如圖5所示。從圖5a可見，熱軋后TC4鈦合金厚板為雙態組織［11－12］，主要由晶粒尺寸約為25 μm 的等軸初生α相和寬約1 μm、長約10～15 μm的拉長次生α相以及晶間β相組成。與TC4鈦合金板坯金相照片(如圖1)比較發現，熱軋后的晶粒尺寸略大于板坯的晶粒尺寸。圖5b為退火后TC4鈦合金厚板的金相照片，晶粒在寬度方向和軋制方向上的尺寸較為一致，表明經過普通退火熱處理，TC4鈦合金厚板可獲得晶粒尺寸約為25 μm的均勻組織。

圖4 TC4鈦合金成品厚板的照片Fig.4 Photos of TC4 titanium alloy plate

圖5 70 mm厚的TC4鈦合金板材的金相照片Fig.5 Metallographs of TC4 titanium alloy plate with 70 mm in thickness

2.4 成品板材的室溫力學性能

70 mm厚的TC4鈦合金板材退火后的室溫拉伸性能如表2所示。可以看出，板材的強塑性匹配良好，且力學性能較標準要求有較大的富余量。此外，板材橫向、縱向的強度差值小，僅為20～40 MPa，且延伸率接近相同，即板材的各向異性小。

表2 70 mm厚的TC4鈦合金板材退火后的室溫力學性能Table 2 Tensile properties of annealed TC4 titanium alloy plate with 70 mm in thickness

3 結論

(1)通過熱模擬試驗結果所制定的熱軋工藝成功制備出綜合性能優異的大規格TC4鈦合金厚板。

(2)TC4鈦合金厚板軋制的關鍵工藝參數及其適宜的控制范圍為加熱溫度900～980℃，應變速率5～12 s－1，最后火次的道次最大變形率不低于15%～20%。

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Research on Preparation of Large-scale TC4 Titanium Alloy Plate

Yang Jianchao，Wang Xing，Xie Yingjie，Zhang Qing，Wang Ruining，Qu Henglei
(Western Titanium Technologies Co.，Ltd.，Xi’an 710201，China)

The TC4 titanium alloy plates with width up to 2 300 mm and thickness from 40 to 70 mm have been produced by the 2.8-meter hot rolling mill at Western Titanium Technologies Co.，Ltd..The starting materials were triple arc-melted and multi-direction forged.And the thermal deformation process parameters were got by the thermal simulation experiment.It was found that heating temperature，reduction of each pass and strain rate are key processing parameters.The optical microstructure reveals that these TC4 titanium alloy plates exhibit duplex microstructure.It is composed of equiaxed primary α grains of about 25 μm size，together with colonies of elongated secondary α grains，and they are surrounded by the intergranular β phase.Mechanical properties tests show that，at the room temperature，the tensile strength of the plate is 925～960 MPa，the yield strength is 870～910 MPa and the elongation is 12.0% ～14.5%.

TC4 titanium alloy;large scale;thick plate;thermal simulation;hot rolling

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.005

2014－02－21

陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2012KTZB01－03)

楊建朝(1966—)，男，教授級高工。