鈦合金棒材徑向位移軋制及其微觀組織評定

■浙江申吉鈦業股份有限公司 陳修琳，袁秦峰，陳 巖，王以華

鈦合金棒材徑向位移軋制及其微觀組織評定

■浙江申吉鈦業股份有限公司 陳修琳，袁秦峰，陳 巖，王以華

采用徑向位移軋制是合金鋼和鈦合金獲得高精度工件有很好前景的工藝過程。尤其是該工藝廣泛用于制造鈦合金棒材。通常，鈦合金軋制將毛坯加熱到β相區間，在該區間保證材料有高變形性能和低流變應力。在高溫軋制后，兩相鈦合金對應單相組織，會形成粗大晶粒的塑性顯微組織，而重要的是獲得球狀顯微組織。為此必須降低軋制溫度到（α+β）兩相共存狀態，甚至調整累積的塑性變形。

在降低溫度條件至（α+β）共存狀態下，支持徑向位移軋制諸多因素中，應了解關于鈦合金在變形區域應力應變狀態和變形微觀組織特點，目前關于鈦合金棒材徑向位移軋制的文獻甚少。這些數據缺乏，給擬定獲得球狀組織棒料的工藝參數帶來困難。

本文運用有限元模擬方法和雙相鈦合金TC4在（α+β）兩相共存狀態溫度范圍內，對徑向位移軋制后的棒材組織狀態結果進行比較評價。

1. 研究方法

使用φ40mmTC4合金棒材，交貨狀態按照標準GB/T2956—1996。多晶轉變溫度995oC。棒材軋制前經過1050oC淬火，在水中冷卻確保獲得鈦合金雙相塑性組織。在HS-RSB40型軋機上實施，毛坯預加熱溫度940oC，以對應（α+β）兩相共存組織狀態。毛坯軋制分3個階段，每個階段包括兩個工步，中間預加熱到軋制溫度940oC。在1、2、3階段伸長系數值分別為1.25、1.56、1.56。總伸長系數KB=3。

每個軋制階段后沿著軋制方向切割試樣用于研究顯微組織。對原始和變形后試樣進行金相學研究，取樣位置在離軸線0.9R（R為棒材半徑）處，使用具有專業化的圖像分析功能Image Scope顯微鏡Olympus GX-51。平均晶粒尺寸評價方法按照對應E1382切割條件。為更精確確定顯微組織狀態，使用電子背向散射衍射方法（EBSD），用掃描顯微儀Quanta2003D實施。使用EBSD掃描間距分布條件，在晶粒縱向截面不少于10個點。說明，沿著對應縱向和橫向尺寸大小比例為2:1。球狀晶粒體積量使用精確網距5μm度量方法。

在進行金相學研究之前，樣品磨削時用彌散水冷卻并用液體懸浮液拋光。電解拋光使用電解液具有80%（CH3CO）2O和20%HCIO4并在25V電壓下進行。對于（α+β）相顯微組織腐蝕使用如下化學成分配用：HF—20份，HNO3—1份。

徑向位移軋制用有限元方法模擬，使用整套程序L SDYNA。對于變形溫度940oC并考慮速度和變形強化材料流變模型用列表方法。過程幾何參數與軋機HS-RSB40結構相適應：進給角β=20o，展開角α=7o。

初始和模擬邊界條件：軋輥剛性體沿著坐標軸X、Y、Z（Z為軋輥軸）局部有限位移并繞著X、Y軸有限旋轉；庫倫摩擦因數為0.3；溫度條件為等溫；軋輥旋轉角速度恒定等于3.7s-1；毛坯進料口初始速度等于10mm/s。

在軋制條件下拉拔系數按下式計算

式中D為原始毛坯直徑，d為軋制后毛坯直徑。分析分布在棒材軸線上和離軸線0.9R處應力應變狀態，間隔時間0.025s。應力評定使用參數

式中，σ1、σ2、σ3為主應力，T為劇烈的切向應力。平均的應力狀態系數按下式計算

式中n為所選段變形區域經歷時間間隔內計算點的數量。徑向位移軋制對應的模型數量用計算值與在試驗中獲得的扭轉角度值比較方法評定，偏差≤5%。

2. 研究結果

（1）應力應變狀態 軋制過程條件下在鈦合金毛坯中所形成的組織在變形區域內不斷組合，具有應力應變狀態特點。積累的塑性變形對塑性組織的球化有極大影響，變形特征以單調或周期性地，甚至以應力狀態確定毛坯的無破壞變形性能。

為分析在徑向位移軋制中應力應變狀態已經建立了等溫軋制條件下的有限元模型。在獲得模擬數據的基礎上給出棒料橫向截面變形速度、劇烈變形和應力狀態變化評定。

確定在棒料中心層軋制具有KB=1.25，變形速度在通過軋輥變形段平穩增長到，然后在通過軋輥定徑段降低。在棒料周圍速度落差達到，這里速度變化特征循環周期0.6s，在表面變形周期數為2。

圖1為沿著棒料截面在KB=1.25劇烈變形ei分布。觀察ei最大值在表面為1.76，而最小值在心部ei=0.23。這就證明棒料截面變形是不均勻的。

按照相關文獻，具有ei=1.1換算成60%體積形成球狀組織。在KB=3軋制條件下能夠保證所規定的劇烈變形值。在遠離棒材中心合理地實現更高值ei，經計算，在和KB=3條件下ei=8.8。這樣的變形將導致100%體積形成球狀組織。

模擬結果確認，應力狀態指標K變化呈現周期性，范圍為–10.3＜K＜3.9。在距離棒料中心x=0.9R處的點，參數K的極限變化范圍–10.3＜K＜1.23。因此，負值對應軋輥變形瞬間，分布在規定點周圍，而正值為變形瞬間，變形段分布在與輥軸自由接觸處、變形速度最小。應力狀態參數平均值K=–1.1。

在徑向位移軋制中，相同應力狀態參數的分布特征是以材料高變形性能為條件，因為優勢的變形流動是建立在高靜壓力基礎上的。顯見，變形周期性特征將影響球狀組織生成的動力學。按照研究文獻，在TC4合金中關于正負號交替變形研究對球狀組織形成影響動力學，在這樣變形特征條件下增加了劇烈變形值，為球狀晶粒的形成是必須的：在ei=0.7條件下形成5%球狀組織；而在ei=2時，形成50%球狀組織。這關系到具有組織恢復合理力學的可能性，合金在變形和軋制階段周期間不可避免地回火。

由上所述，與單調變形相比，在徑向位移軋制條件下應該預見加速球化。分布在棒材主軸周圍各點，應力參數狀態變化范圍：0.27＜K＜3.9，因此，變化具有單調特征。應力狀態中間值K=0.73，對應軋制過程特征值。所以，在棒材心部，球形晶粒變形的動力學與單調變形條件下所觀察到的類似。

（2）組織狀態 TC4合金淬火后組織由馬氏體變為β狀態，平均晶粒尺寸（800±100）μm。試樣在（α+β）共存狀態（940oC）時效隨后空冷，分解為馬氏體并形成塑性組織（見圖2），平均α–相塑性厚度值為3μm。

試樣經第一階段軋制后，顯微組織研究表明，棒材心部塑性變形ei=0.23沒有導致形成單調晶粒和塑性α–相破碎。在棒材周圍觀察到翹曲部分破碎塑性α–相。檢測到單調晶粒，但其體積小于1%。因此，計算的遠離棒材中心劇烈變形為1.76。

圖1 在KB=1.25、T=940oC下軋制沿棒料截面劇烈變形分布

圖2 加熱到T=940oC，空冷棒材在β區間淬火后顯微組織

第二階段，棒材心部劇烈變形性能ei=0.69，遠離心部ei=5.28，單調晶粒體積百分數分別為4%和78%。第三階段，變形性能在心部和遠離心部分別增加到1.15和8.8，單調組織體積達到31%和95%。α–相平均晶粒尺寸在中心為13μm，在周圍為10μm（見圖3）。

從給出的資料得出，遠離棒材中心部位充滿球狀組織流動，在T=940oC、總伸長系數KB=3軋制后，遠離棒材中心部位球狀晶粒占比是心部的2倍。這樣的差別是由于在徑向軋制條件下應力應變狀態圖特征、變形周期特點等形成的，甚至影響到在軋制階段之間回火的顯微組織的增長過程。在徑向位移軋制中，毛坯大變形加熱編撰了許多防止降低溫度的方法。

圖3 第3階段軋制后的棒材顯微組織

3. 結語

兩相鈦合金在（α+β）兩相共存狀態（940oC）采用伸長系數總和KB=3可以成形，在棒材大部分截面的球狀組織中，α–相平均晶粒尺寸等于10μm。在棒料中心部位球狀組織體積占比31%，而在遠離中心部位為95%。為獲得更多均勻的顯微組織必須增加棒材心部劇烈變形，所需變形量可借助模擬和所獲得棒材顯微組織數據分析結果，進行比較確定。

20150818