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象，重點對其高溫下的強度和熱導率以及表面氧化皮等進行試驗研究和分析.TC4鈦合金的屈服強度和抗拉強度以及屈強比均隨溫度的升高而降低.所測合金的比熱容范圍為0.61～1.14 J/（kg·K），熱輻射系數為0.58.TC4合金表面氧化缺陷層主要由外側含氧量較高的氧化皮和內側的富氧層組成.隨加熱溫度的升高和保溫時間的延長，富氧層會向合金基體延伸使其氧化層厚度增加.在較高的應變速率和較低的變形溫度下，TC4合金的變形抗力增加明顯.應力應變曲線隨應變速率的降低由加工硬化型向動態再結晶型轉變，變形溫度越高其發生動態再結晶的臨界變形量越小.

關鍵詞： 熱軋； 板帶； TC4鈦合金； 高溫性能； 氧化皮； 變形抗力

中圖分類號： TG 146.2+3 文獻標志碼： A

金屬鈦具有輕質、高強度、耐腐蝕和高溫性能好等優點，具有重要的應用價值和廣闊的應用前景，因而被稱為“第三金屬”和“21世紀的金屬”[1-2].

板帶材是鈦加工材的主要產品，占鈦加工材消費量的60%以上，主要應用于國防、軍工、航空航天、石油化工、制鹽制堿、冶金、船舶制造、海濱電站及醫療和體育等行業.隨著經濟的發展和科技的進步，鈦板帶材的市場需求量也在快速提高，這給鈦板帶加工技術與裝備的發展帶來了機遇，但同時也對產品的力學性能、尺寸公差、表面質量和使用性價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，鈦板帶材屬應用領域高端和發展前景看好的新型高強度、輕質材料，但其生產技術要求高、工藝難度大，這尤其體現在熱軋變形抗力高、加工硬化程度大、熱變形溫度范圍窄等方面.

（1） 鈦的晶體結構為hcp（密排六方），力學性能呈現出顯著的各向異性，常溫下僅有3個滑移面（基面、棱錐面、棱柱面）和1個滑移方向（鈦有兩種同質異晶體：882 ℃以下為hcp結構的α鈦，882 ℃以上為bcc（體心立方）結構的β鈦）.

（2） 鈦在高溫下與氧親和力強，氧元素不斷向基體擴散，在鈦內部形成硬脆層，使其塑性降低.另外，在還原性氣氛中加熱時，鈦的吸氫效應特別強烈，該效應會使氫擴散到金屬內部，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等加工設備需要針對其特性進行專門的開發和設計，而設計必須依據準確的材料性能參數等數據，如鈦在不同溫度和應變速率下的屈服強度、高溫下的熱導率、熱輻射系數、表面氧化皮的化學成分及厚度、應力應變曲線特征等.

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗材料選擇某企業生產的TC4鈦合金鍛打坯料，其化學成分見表1.相比于工業純鈦，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性能，在鈦合金品種中的應用最廣泛，產品的市場需求量也最大.

1.2 試驗方案

TC4鈦合金的高溫力學性能主要包括不同溫度條件下的屈服強度σs、抗拉強度σb、伸長率δ5、比熱值、熱導率、熱輻射系數等，以及在不同溫度和應變條件下的應力應變曲線特征.根據試驗要求分別制作所需試樣后，在700～1 100 ℃溫度下，對TC4合金進行拉伸、溫降等試驗.同時，制作熱模擬試樣，在700～1 100 ℃、工程應變20%以及1，5，10，30和50 s-1的應變速率下，進行熱力模擬試驗.

另外，對厚度為8 mm的熱軋板以及熱軋后再進行退火的TC4合金板材分別進行表面氧化皮成分和厚度的試驗測定和分析.

2 高溫力學參數

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

TC4鈦合金的屈服強度、抗拉強度和伸長率等高溫力學性能的測試結果見表2.

從圖1和表2中可以看出，TC4鈦合金的屈服強度σs和抗拉強度σb均隨溫度的升高而降低.溫度在700～1 100 ℃時，TC4鈦合金的屈強比分別為0.85，0.64，0.45，0.48，0.43，屈強比大致隨溫度的升高而降低.當溫度為900 ℃時，TC4鈦合金的伸長率達到最大值，為470%，此時對應的屈服強度σs和抗拉強度σb分別為10 MPa，22 MPa.TC4鈦合金的伸長率在700 ℃和1 000 ℃時相對較低，最低值為95%.

在700 ℃出現伸長率較低的原因是，溫度較低時，TC4鈦合金沒有達到動態再結晶的溫度，動態再結晶不能進行，也無法獲得細小等軸的晶粒組織.同時，TC4鈦合金在此溫度下很難發生αβ的相轉變.TC4鈦合金的α相為hcp結構，β相是bcc結構，hcp結構的滑移系少于bcc結構的滑移系.因此，hcp結構合金的塑性成形能力較差，伸長率低.當溫度為1 000 ℃時，TC4鈦合金在變形過程中雖然達到了動態再結晶的溫度，但由于變形溫度較高，TC4鈦合金試樣在拉伸過程中其動態再結晶晶粒迅速長大，組織和晶粒粗化嚴重，造成其塑性成形能力較低.

對TC4鈦合金鍛坯取樣，進行溫降試驗，試樣規格為8 mm×100 mm×200 mm.在溫度為380.2～1 232.6 K時，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，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，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，TC4鈦合金的熱導率為5.8～19.7 W/（m·K），且隨著溫度的升高而持續增大.所測得的TC4鈦合金的熱輻射系數為0.58.

3 表面氧化皮分析

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

經測定，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）中經熱軋和退火后的板材表面氧化皮厚度為17.5 μm.分別進行能譜分析可知，兩者氧化皮中主要含C，N，O，Al，Ti等元素，具體的化學元素及其質量分數見表3.

對各元素進行線掃描，并結合金屬和非金屬元素的相圖進行分析，TC4鈦合金表面氧化物主要為TiO2，TiO，Al2O3，同時也含有少量的Ti2O，Ti3O，Ti6O等低價鈦的氧化物.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成：外側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量比達1～2.Al2O3相比TiO2，致密性更好，能夠較好地阻擋氧向內層擴散和滲透，因而富氧層中，氧原子與金屬原子的數量比<0.5.

含氧量較高的表面氧化皮一般為多孔疏松狀，在熱軋生產中可采用10～18 MPa的一次高壓水對表面氧化皮進行去除（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，組織相對氧化皮致密，與基體的結合比較緊密且不易剝落.同時，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對鈦基體形成保護作用，減少氧元素的入侵及生長.但隨著加熱或退火溫度的升高和保溫時間的延長，富氧層會向TC4鈦合金基體延伸，同時外側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中，除了進行大壓下破碎富氧層外，還采用20～25 MPa，機架內二次高壓水對氧化富氧層進行去除.

4 應力應變曲線分析

圖4溫度為800 ℃，平均變形程度為20%的TC4鈦合金應力應變曲線，應變速率分別為1，5，10，30和50 s-1.從圖4中可以看出，TC4鈦合金應力應變曲線在試驗應變速率下，均出現了峰值變形抗力.其中，在應變速率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種應變速率狀態下的應力應變曲線在變形抗力達到最大值后，曲線基本保持平衡穩定.這說明TC4鈦合金在一定應變速率下達到相應的變形量時，其加工所產生的硬化與動態變形產生的軟化程度大體相當，達到了一種動態平衡.因而，變形抗力不再隨變形量的增加而增大.但是，當應變速率為1 s-1時，TC4鈦合金的應力應變曲線在峰值變形抗力達到405 MPa后，卻隨變形量的增加而下降.這說明在應變速率為1 s-1時，TC4鈦合金的動態變形軟化程度超過了加工硬化程度，金屬進而發生了顯著的動態再結晶.因而，在溫度為800 ℃，平均變形程度為20%的條件下，隨著應變速率的降低，TC4鈦合金的應力應變曲線由加工硬化型向動態再結晶型發生了轉變.

進一步對應變速率為5 s-1、平均變形程度為10%的TC4鈦合金的應力應變曲線進行研究，分別選擇600～1 000 ℃內的7個應變溫度值進行試驗.結果表明，在變形溫度為600 ℃和700 ℃時，TC4鈦合金只發生了加工硬化和動態回復，沒有發生動態再結晶.當變形溫度為800，850，880，900和1 000 ℃時，應力應變曲線上出現了應力峰值和應力平穩階段，表明TC4鈦合金發生了動態再結晶.在試驗變形溫度范圍內，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，當變形量達到某一數值時，TC4鈦合金的變形抗力達到最大值.當提高TC4鈦合金的變形溫度時，金屬的峰值變形抗力減小，且峰值變形抗力所對應的變形量也進一步降低.以上試驗結果表明，變形溫度對TC4鈦合金動態再結晶發生時臨界變形量的影響為變形溫度越高，發生動態再結晶的臨界變形量越小.另外，在相變點附近，由于TC4鈦合金發生了αβ的相轉變，使金屬在變形過程中出現了明顯的動態軟化特征，表現為變形抗力的逐步下降.總之，在較高應變速率和較低的變形溫度下，TC4鈦合金均呈現出變形抗力明顯增大的現象，而在相變點附近則表現出了良好的塑性.

5 結 論

（1） TC4鈦合金屈服強度、抗拉強度和屈強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TC4鈦合金的熱輻射系數為0.58.

（3） TC4鈦合金加熱后的氧化缺陷層主要由兩部分構成，即外側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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