鈦及鈦合金因其優(yōu)異的性能廣泛應用于航空、航天、航海、軍用裝備、醫(yī)療器械等尖端科學領域，被譽為“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”[1]。TC4合金作為一種典型的α–β型兩相鈦合金，密度小、比強度高、耐蝕耐熱性能好，被廣泛應用于航空、航天、軍工等領域[2]。隨著越來越多的鈦產品涌入民用領域，TC4鈦合金開始被廣泛研究，部分研究人員對TC4鈦合金進行鍛造和熱處理，研究了其組織演變規(guī)律[3−5]。王小芳等[6]對TC4-DT鈦合金高溫熱變形行為進行研究，分析了該合金的流變應力行為和微觀組織演變規(guī)律。雷文光等[7]利用熱模擬實驗機，對TC4-DT高溫壓縮熱變形行為，分析了該合金的流變應力行為以及顯微組織演變規(guī)律，建立了該合金的本構關系模型以及熱加工圖。常見的TC4加工板加工形式多以單機架可逆式軋機軋制，劉正喬等[8]雖采用熱連軋裝備試生產出TC4卷帶，并測量熱軋卷氧化層厚度和探索了工藝的可行性，但未對寬幅大卷帶做連續(xù)退火工業(yè)化生產實踐。

熱連軋與傳統(tǒng)的單機架可逆式軋機相比，具有生產效率高，能耗低，材料成材率高，批次穩(wěn)定性及尺寸精度高等優(yōu)點，本文通過2種不同的板坯及粗軋工藝，通過熱連軋機組制備出表面和邊部質量更加優(yōu)異的TC4卷帶，產品性能滿足GB/T3621—2022要求。

1.   實驗材料及過程

1.1   工藝流程介紹

本文研究的生產工藝如下：TC4板坯—步進式加熱爐—四輥可逆粗軋機組—飛剪—8機架精軋機組—板型儀多功能儀—層流冷卻—表檢儀—卷取機—黑皮打捆噴號—開卷—焊接—退火—拉矯—拋丸—酸洗—質檢—白皮成品打包。

1.2   實驗原料

本次熱軋2塊TC4鈦合金板坯，實驗坯選用某公司3次真空自耗電極熔煉爐（VAR）熔煉熔鑄、經鍛造墩拔后進行扒皮銑面等工序獲得的TC4板坯，板坯規(guī)格分別是1# 7142 mm（長度）×1084 mm（寬度）×185 mm（厚度）和2#7353 mm（長度）×1078 mm（寬度）×185 mm（厚度），其中，1#為常規(guī)銑面的TC4鈦合金板坯，2#為表面包覆純鈦的TC4鈦合金板坯，其化學成分如表1所示，2塊板坯照片如圖1所示。

1.3   軋制及退火方案

TC4鈦合金板坯在某1780熱連軋設備上進行軋制，中間坯厚度為45 mm，粗軋和精軋壓下分配制度如表2和表3所示，2種板坯的粗軋工藝采用不同方案，1#板坯粗軋采用5道次工藝，2#板坯粗軋采用7道次工藝，1#和2#板坯精軋工藝一致，2塊板坯的成品規(guī)格均為5.0 mm。熱軋生產的TC4鈦合金卷（俗稱為黑皮）經后續(xù)拋丸退火（退火溫度860 ℃，保溫時間15 min）及酸洗，對酸洗后的TC4鈦合金卷（即白皮）進行表面和邊部質量檢查，并測定其金相組織和力學性能。

2.   實驗結果及分析

2.1   TC4帶卷熱軋態(tài)尺寸精度

使用多功能儀及測寬儀對1#、2#帶卷測量厚度和寬度如圖2所示，從圖2可以看出厚度和本體寬度控制較為理想，后續(xù)生產時，需對頭尾寬度進行短行程控制，來改善頭尾失寬現(xiàn)象。

2.2   TC4帶卷熱軋態(tài)外觀質量

TC4鈦卷的外觀質量如圖3所示，從圖3可以看出，2種板坯生產出的TC4帶卷邊部兩側均有邊裂，邊裂深度1~3 mm，這是由于TC4鈦合金導熱性差，卷帶邊部冷卻較快，加之TC4塑性較差，邊部更容易出現(xiàn)邊裂，后續(xù)工業(yè)化生產時，可通過粗軋工藝不變的情況下，減少板坯厚度，減少板坯在粗軋每道次絕對壓下量，并嘗試投用立輥，用立輥來改善TC4合金帶卷邊部溫降，進一步改善邊部質量。

2.3   TC4卷帶酸洗后表面質量

從熱軋后的表面來看，2#卷的表面優(yōu)于1#，1#卷表面比較粗糙，2#卷表面比較光滑，為了驗證在黑皮卷上的判斷，因此對熱軋的TC4（黑皮卷）進行退火酸洗處理，來觀察酸洗后的表面質量（白皮卷），1#、2#白皮卷表面照片如圖4所示，從圖4中可以看出，2#卷表面質量明顯優(yōu)于1#卷，與黑皮判斷完全一致。這是由于2#卷表面包覆了純鈦，加熱時純鈦優(yōu)先氧化形成一層致密的氧化皮，該氧化皮主要有Ti、O 2種元素，成分比較簡單，后續(xù)該氧化皮經酸洗被去除，因此2#卷表面比較光滑；而沒有包覆純鈦的1#卷氧化皮主要有Ti、O、Al、V 4種元素。其中V元素的氧化物為V2O5，V2O5在700~900 ℃開始熔化并且揮發(fā)[9]，1#卷的板坯加熱和熱軋過程中，表面氧化皮V2O5熔化揮發(fā)，導致氧化皮變成疏松多孔結構。此外氧原子沿著孔洞向內擴散，不僅導致氧化皮更加粗糙，而且促使金屬加速氧化，因此1#卷表面比較粗糙。

2.4   TC4帶卷組織及力學性能

2.4.1   金相組織

對熱軋的TC4鈦合金卷在連續(xù)退火酸洗線上進行退火及酸洗處理，退火溫度860 ℃，退火時間15 min，然后對1#、2#卷分別取樣做金相組織分析，金相組織如圖5所示，從圖5中可以看出部分區(qū)域呈現(xiàn)典型的網籃組織形貌，有向魏氏組織發(fā)展的趨勢，組織以β相為主，還有少量的α相，還可以看出非平衡凝固的柱狀晶區(qū)域，中間部分為混晶區(qū)域，已經有部分針尖狀α相，證明發(fā)生了少量相轉變，中間α相進一步長大，導致表層和芯部呈現(xiàn)出中厚板常有的混晶形貌，通過JmatPro軟件計算的TC4合金平衡相圖如圖6所示。從相圖中可以看出，965 ℃以上均為β相，900 ℃時β相質量分數(shù)51.08%，600 ℃時α相質量分數(shù)95.58%，2種方案的過程溫度曲線如圖7所示，實際生產時由于在熱軋粗軋、精軋過程中的溫度較高，實際粗軋結束溫度均在1000 ℃以上，精軋開始溫度均在900 ℃以上，精軋結束溫度在850 ℃以上，軋制過程溫度如表4所示，從板坯到粗軋、精軋到成卷過程共計用時不超過4 min，熱軋成卷過程較快，TC4鈦合金沒有足夠的時間發(fā)生β→α相大量轉變，因此黑皮卷以大量β組織被保留下來，TC4帶卷后續(xù)經860 ℃退火后組織形貌仍以β組織為主。后續(xù)熱連軋生產帶卷時，在保證設備能力的情況下，通過降低在粗軋、精軋過程中的溫度來改善熱軋鈦合金帶卷及其經連續(xù)退火酸洗后的金相組織。

2.4.2   力學性能

對TC4鈦合金退火態(tài)5 mm帶卷拉伸性能進行測試，檢測結果如表5所示。由表5可知，1#、2# TC4鈦合金5 mm帶卷的橫、縱向拉伸性能均達到GB /T 3621—2022要求。

3.   結論

（1）1#和2#板坯通過不同的粗軋工藝制備的5 mm規(guī)格TC4熱軋卷力學性能均達到了GB /T 3621—2022《鈦及鈦合金板材》標準要求。

（2）軋制工藝對TC4熱軋卷帶的組織及力學性能均可產生影響，粗軋7道次熱軋表面包覆純鈦（2#板坯）的TC4鈦合金卷帶，表面質量更好，后續(xù)熱軋工業(yè)生產時，可降低TC4板坯厚度，改善邊部質量。

（3）TC4鈦合金卷帶經連續(xù)退火后，雖未獲得均勻細小的等軸α+β轉變組織，結合鋼廠設備能力，降低板坯加熱溫度，使得TC4卷經熱連續(xù)退火酸洗線工業(yè)化生產獲得理想組織。

文章來源——金屬世界