擠壓溫度對TC4型材組織性能及表面質量的影響

摘 要：本文研究了分別在單相區和兩相區加熱擠壓TC4鈦合金型材對組織性能及表面質量的影響，對復雜截面TC4鈦合金型材以及同牌號其他規格鈦合金型材擠壓溫度的選擇給出了指導建議，為擠壓生產提供理論基礎。結果表明，與兩相區擠壓的復雜截面TC4鈦合金型材相比，單相區擠壓的復雜截面TC4鈦合金型材的β相增多，晶界更完整，α相減少，等軸α相轉變為針狀α相。與兩相區擠壓的復雜截面TC4鈦合金型材相比，單相區擠壓的復雜截面TC4鈦合金型材的抗拉強度和屈服強度均略低，表面質量沒有顯著差異，要通過綜合加熱防氧化處理、潤滑劑以及模具表面處理等方式進一步提高擠壓型材的表面質量。

關鍵詞：TC4鈦合金型材；擠壓；擠壓溫度；組織與性能；表面質量

中圖分類號：TG 379" " 文獻標志碼：A

TC4鈦合金是一種典型的α+β兩相鈦合金，是目前國內外應用較成熟的中等強度鈦合金，在鈦合金型材領域應用較早。20世紀90年代，我國開展了多個規格的擠壓試驗及應用技術的研究。它具有較高的蠕變抗力、持久強度以及良好的熱穩定性，綜合性能優異。鈦合金型材是一種近終型鈦合金半成品，具有結構效益高的特點，經少量加工后可直接作為結構件使用，被用作飛機的長桁和次承力框等。

擠壓成型工藝是制造金屬材料異型材的主要手段之一，鋁合金型材的擠壓已相當成熟。針對截面形狀復雜、無法通過彎折或軋制、焊接等手段制造的鈦合金型材，熱擠壓成型是唯一經濟、靈活、加工效率高的加工制備方法。擠壓法是三向壓應力塑性加工成型，能夠得到綜合力學性能高、表面質量優異的制品。

TC4鈦合金π型材是一種鍛件改型材的大型民用客機的承力框結構件。要求其抗拉強度Rm≥896MPa，屈服強度Rρ0.2≥827MPa，延伸率A≥10%。本文研究了TC4鈦合金π型材的擠壓制備技術，對復雜截面TC4型材擠壓關鍵參數的選擇及同類型材的擠壓參數的選擇給出了指導建議，從而可以優化擠壓工藝，為以后的擠壓生產提供理論基礎[1]。

1 材料及方法

1.1 材料

型材用鑄錠應經過多次真空自耗電弧爐熔煉，且最后一次熔煉不允許添加任何元素。也可在第一次熔煉時采用電子束冷床爐熔煉，但隨后的熔煉應采用真空自耗電弧爐熔煉。鑄錠成分應滿足《鈦及鈦合金牌號和化學成分》（ GB/T 3620.1—2007）的要求。采用多火次反復鍛造至規定直徑尺寸的棒坯，后經車削機加、定尺切斷、平頭倒角等得到待擠壓的TC4錠坯，表面粗糙度不大于3.2μm，金相法測得的相變點為995℃。

1.2 方法

為得到良好的組織和性能（以匹配航空大型客機承力框結構件的使用標準），在擠壓比、加熱防氧化、擠壓潤滑、擠壓速度等因素相同的情況下，分別采用兩相區（950℃加熱裝爐，保溫1.5h～2.5h出爐擠壓）和單相區（1050℃加熱裝爐，保溫1.5h～2.5h出爐擠壓）2種加熱制度在3150t臥式擠壓機上采用尺寸和表面處理相同的模具進行熱擠壓。對得到的熱擠壓π型材采用相同的退火制度（750℃加熱裝爐，保溫1.5h出爐后空冷）。在200t鈦合金型材張力矯直機上進行張拉矯直。完成后取樣進行金相組織和室溫力學性能的檢測。取樣位置如圖1所示，取2個位置（1#、2#）試樣縱向室溫拉伸性能，并取1#位置縱向、橫向組織高倍照片（50μm）。測量得到的熱擠壓π型材長度尺寸，檢查表面質量。在其余條件相同不變的情況下，對比分析2種不同加熱制度得到的復雜截面TC4熱擠壓型材在組織、力學性能、尺寸、表面質量方面的差異。

2 結果與分析

2.1 擠壓溫度對組織和性能的影響

2.1.1 擠壓溫度對組織的影響

在3150t臥式擠壓機上熱擠壓得到的復雜截面TC4鈦合金π型材實物如圖2（a）所示。兩相區擠壓TC4鈦合金π型材的橫截面金相組織如圖2（b）所示，整個晶粒為灰白相間的等軸α+轉變β的熱加工組織基本形貌，形貌特征為白色不規則顆粒狀等軸α相以及交錯分布的細條狀轉變β組織基體。單相區擠壓TC4鈦合金π型材的橫截面金相組織如圖2（c）所示，金相顯微組織為片狀α和轉變β的熱加工組織基本形貌，沒有等軸α相，其形貌特征為細長且平直的片層狀α相，呈整齊平直排列以及較粗大的β晶粒呈“集束”狀，組織顯示存在晶界α，屬于典型的片層組織形貌。

采用相同的退火制度，使用750℃加熱裝爐，保溫1.5h出爐后空冷。由圖3可知，型材在退火后的組織基本保留了擠壓態組織的原始形貌，組織均勻化明顯提高，晶粒略有長大，晶粒內部分長條形α相變厚，晶界上的α相也開始粗化。

2種加熱制度擠壓得到的復雜截面TC4鈦合金π型材的金相組織形貌符合所在熱擠壓加工相區的典型特點。與兩相區擠壓的型材相比，單相區擠壓的型材β相增多，晶界更完整，α相減少，α相的形貌由白色不規則顆粒狀等軸α相轉變為細長且平直的片層狀α相。

2.1.2 擠壓溫度對力學性能的影響

用線切割加工棒狀試樣進行室溫拉伸試驗，檢測標準為AMS4935，檢測方法為ASTM E8/E8M-16ae1（低速率）。圖4（a）為復雜截面TC4鈦合金π型材分別在單相區和兩相區熱擠壓R態試樣的室溫拉伸性能。圖4（b）為單相區和兩相區熱擠壓的2種復雜截面TC4鈦合金π型材在750℃×1.5hAC制度下退火后的室溫拉伸性能。

由圖4可知，擠壓加工制造的復雜截面TC4鈦合金π型材擁有較良好的室溫力學性能，抗拉強度Rm≥896MPa，屈服強度Rρ0.2≥827MPa，延伸率A≥10%。其抗拉強度、屈服強度和延伸率均能滿足航空大飛機承力框結構件用鈦合金型材的材料標準要求。與兩相區擠壓的型材相比，單相區擠壓的型材的抗拉強度和屈服強度均略低。在兩相區熱擠壓得到的型材的綜合力學性能更高。室溫力學性能基本與組織形貌對應。

2.2 擠壓溫度對表面質量的影響

單相區和兩相區擠壓得到的鈦合金π型材，由于其擠壓比和錠坯長度等已經確定，擠壓型材的總長度一般為8m。擠壓型材前端至中部3m左右位置表面質量優異，中部3m～4m容易產生折疊、起皮等表面質量缺陷，并且有逐漸加深、加重的趨勢；中部4m后至尾端表面溝條、起皮、橫向拉裂等擠壓缺陷較多，缺陷位置多為型材截面邊緣處，且缺陷由中部至尾部逐漸嚴重，縱向溝條越來越多，越來越深，最大深度可至0.5mm，橫向拉裂由淺表層至深層，甚至不成型斷裂，并加劇模具的磨損。這是由于擠壓過程中難變形區與塑性流動區交界處存在一個劇烈滑移區。劇烈滑移區內強烈的金屬內摩擦作用會產生劇烈的剪切變形，在此區域內存在明顯的金屬流線和破碎程度大的金屬晶粒。劇烈的不均勻變形纖維紋路逐步發展為起皮，至拉裂，再至棘刺。與兩相區擠壓得到的TC4鈦合金π型材相比，單相區擠壓得到的TC4鈦合金π型材的表面質量的宏觀表象基本相同，并沒有顯著的差異。

型材中部3m～4m產生的縱向溝條、起皮、橫向拉裂等表面質量缺陷主要是由型材擠壓模具設計采用平模、金屬流動不順暢、易形成較大難變形死區、錠坯頭部端面與周向位置死區金屬流入變形不充分導致的；尾部溝條是受變形中后期潤滑劑消耗減少、潤滑不足、摩擦熱增大、擠壓模具定徑帶變形熱集中導致塌陷甚至蝕損毀壞以及尾部死區金屬流入填充變形其變形抗力增大（使用模具壓力升高）等的綜合影響。從工藝角度上來看，死區的存在能提高擠壓型材的表面質量。這是因為死區能有效阻礙錠坯表面的雜質、粗大晶粒、氧化層等進入變形壓縮錐，從而減少流入制品表面。死區體積越大，制品表面越好。

目前，僅通過加熱溫度及過程工藝控制無法有效提高熱擠壓TC4鈦合金型材的表面質量（頭尾一致性）[2]。需要綜合擠壓比設計、擠壓潤滑劑的選擇和使用方法以及擠壓模的設計、表面處理、加熱過程的防氧化控制等方面，通過開展玻璃防護及潤滑機理的系統研究，優化玻璃防護涂層、外涂玻璃粉、玻璃墊的成分、粒度、黏度匹配范圍；匹配不同的擠壓工藝，建立相應的氧化防護及玻璃潤滑劑的使用方法。在前期鈦合金型材擠壓模具設計制造技術的基礎上，優化模具結構，開展模具防護技術優化研究，完成模具修補后再噴涂可重復使用等工作，進一步提高型材的表面質量和成型段長度。

現階段可采取放大模具尺寸的形式，使得到的型材截面尺寸加大，增加打磨余量，經過后期打磨、拋光、噴砂或脈沖鍛打等表面處理手段消除絕大部分的表面缺陷，并提高截面尺寸的一致性，提高整體成材率。

3 結語

熱擠壓TC4鈦合金型材的組織形貌符合所在熱擠壓加工相區的特點，與兩相區擠壓的型材相比，單相區擠壓的型材的β相增多，晶界更完整，α相減少，α相的形貌由白色不規則顆粒狀等軸α相轉變為細長且平直的片層狀α相。與兩相區擠壓的TC4鈦合金型材相比，單相區擠壓的TC4鈦合金型材的抗拉強度和屈服強度均略低。室溫力學性能基本與組織形貌對應。與兩相區擠壓的TC4鈦合金型材相比，單相區擠壓的TC4鈦合金型材的表面質量沒有顯著差異，要通過加熱防氧化處理、潤滑劑以及模具表面處理等方式，進一步提高擠壓型材的表面質量。

參考文獻

[1]楊建軍，李寶霞，代春，等.熱處理對熱擠壓TC4鈦合金T型材組織和性能的影響[J].鈦工業進展，2015，32（1）：5.

[2]魏慧慧，余心宏.TC4鈦合金型材熱擠壓過程坯料溫度演變規律研究[J].重型機械，2015（1）：53-58.