TC4钛合金板带高温成形性能研究

孙付涛+韩晨

摘要： 以TC4钛合金板带为研究对象，重点对其高温下的强度和热导率以及表面氧化皮等进行试验研究和分析.TC4钛合金的屈服强度和抗拉强度以及屈强比均随温度的升高而降低.所测合金的比热容范围为0.61～1.14 J/（kg·K），热辐射系数为0.58.TC4合金表面氧化缺陷层主要由外侧含氧量较高的氧化皮和内侧的富氧层组成.随加热温度的升高和保温时间的延长，富氧层会向合金基体延伸使其氧化层厚度增加.在较高的应变速率和较低的变形温度下，TC4合金的变形抗力增加明显.应力应变曲线随应变速率的降低由加工硬化型向动态再结晶型转变，变形温度越高其发生动态再结晶的临界变形量越小.

关键词： 热轧； 板带； TC4钛合金； 高温性能； 氧化皮； 变形抗力

中图分类号： TG 146.2+3 文献标志码： A

金属钛具有轻质、高强度、耐腐蚀和高温性能好等优点，具有重要的应用价值和广阔的应用前景，因而被称为“第三金属”和“21世纪的金属”[1-2].

板带材是钛加工材的主要产品，占钛加工材消费量的60%以上，主要应用于国防、军工、航空航天、石油化工、制盐制碱、冶金、船舶制造、海滨电站及医疗和体育等行业.随着经济的发展和科技的进步，钛板带材的市场需求量也在快速提高，这给钛板带加工技术与装备的发展带来了机遇，但同时也对产品的力学性能、尺寸公差、表面质量和使用性价比等提出了更高的要求[3-8].

相比于钢铁、铜、铝等金属板带材，钛板带材属应用领域高端和发展前景看好的新型高强度、轻质材料，但其生产技术要求高、工艺难度大，这尤其体现在热轧变形抗力高、加工硬化程度大、热变形温度范围窄等方面.

（1） 钛的晶体结构为hcp（密排六方），力学性能呈现出显著的各向异性，常温下仅有3个滑移面（基面、棱锥面、棱柱面）和1个滑移方向（钛有两种同质异晶体：882 ℃以下为hcp结构的α钛，882 ℃以上为bcc（体心立方）结构的β钛）.

（2） 钛在高温下与氧亲和力强，氧元素不断向基体扩散，在钛内部形成硬脆層，使其塑性降低.另外，在还原性气氛中加热时，钛的吸氢效应特别强烈，该效应会使氢扩散到金属内部，降低其塑性[9-11].

由于以上原因，钛板带材的热轧工艺和热轧机等加工设备需要针对其特性进行专门的开发和设计，而设计必须依据准确的材料性能参数等数据，如钛在不同温度和应变速率下的屈服强度、高温下的热导率、热辐射系数、表面氧化皮的化学成分及厚度、应力应变曲线特征等.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验材料选择某企业生产的TC4钛合金锻打坯料，其化学成分见表1.相比于工业纯钛，TC4钛合金的成分为Ti6Al4V，属于（α+β）型钛合金[12-13]，具有良好的综合力学性能，在钛合金品种中的应用最广泛，产品的市场需求量也最大.

1.2 试验方案

TC4钛合金的高温力学性能主要包括不同温度条件下的屈服强度σs、抗拉强度σb、伸长率δ5、比热值、热导率、热辐射系数等，以及在不同温度和应变条件下的应力应变曲线特征.根据试验要求分别制作所需试样后，在700～1 100 ℃温度下，对TC4合金进行拉伸、温降等试验.同时，制作热模拟试样，在700～1 100 ℃、工程应变20%以及1，5，10，30和50 s-1的应变速率下，进行热力模拟试验.

另外，对厚度为8 mm的热轧板以及热轧后再进行退火的TC4合金板材分别进行表面氧化皮成分和厚度的试验测定和分析.

2 高温力学参数

温度分别为700，800，900，1 000和1 100 ℃条件下的TC4钛合金的应力应变曲线如图1所示.

TC4钛合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率等高温力学性能的测试结果见表2.

从图1和表2中可以看出，TC4钛合金的屈服强度σs和抗拉强度σb均随温度的升高而降低.温度在700～1 100 ℃时，TC4钛合金的屈强比分别为0.85，0.64，0.45，0.48，0.43，屈强比大致随温度的升高而降低.当温度为900 ℃时，TC4钛合金的伸长率达到最大值，为470%，此时对应的屈服强度σs和抗拉强度σb分别为10 MPa，22 MPa.TC4钛合金的伸长率在700 ℃和1 000 ℃时相对较低，最低值为95%.

在700 ℃出现伸长率较低的原因是，温度较低时，TC4钛合金没有达到动态再结晶的温度，动态再结晶不能进行，也无法获得细小等轴的晶粒组织.同时，TC4钛合金在此温度下很难发生αβ的相转变.TC4钛合金的α相为hcp结构，β相是bcc结构，hcp结构的滑移系少于bcc结构的滑移系.因此，hcp结构合金的塑性成形能力较差，伸长率低.当温度为1 000 ℃时，TC4钛合金在变形过程中虽然达到了动态再结晶的温度，但由于变形温度较高，TC4钛合金试样在拉伸过程中其动态再结晶晶粒迅速长大，组织和晶粒粗化严重，造成其塑性成形能力较低.

对TC4钛合金锻坯取样，进行温降试验，试样规格为8 mm×100 mm×200 mm.在温度为380.2～1 232.6 K时，TC4钛合金的比热容为0.61～1.14 J/（kg·K）.其中在380.2～1 160.7 K时，TC4钛合金的比热容随温度的升高而增大；在1 160.7～1 232.6 K时，比热容随温度的升高而降低.

另外，在温度为429.6～1 378.8 K时，TC4钛合金的热导率为5.8～19.7 W/（m·K），且随着温度的升高而持续增大.所测得的TC4钛合金的热辐射系数为0.58.

3 表面氧化皮分析

对TC4钛合金坯料进行轧制试验，进而对其表面氧化皮的成分和厚度进行分析.试样在960 ℃进行始轧，终轧温度为480 ℃，轧制总压下率为95.6%.对8 mm厚的热轧板进行750 ℃×1.5 h退火.分别对TC4钛合金轧制板和热轧后的退火板进行试验分析，其表面生成的氧化皮形貌的SEM照片如图2所示.endprint

经测定，图2（a）中TC4钛合金热轧板的表面氧化皮厚度为15.9 μm；图2（b）中经热轧和退火后的板材表面氧化皮厚度为17.5 μm.分别进行能谱分析可知，两者氧化皮中主要含C，N，O，Al，Ti等元素，具体的化学元素及其质量分数见表3.

对各元素进行线扫描，并结合金属和非金属元素的相图进行分析，TC4钛合金表面氧化物主要为TiO2，TiO，Al2O3，同时也含有少量的Ti2O，Ti3O，Ti6O等低价钛的氧化物.TC4钛合金表面氧化层的组成示意图见图3.

与钢铁、铜板带等金属相似，TC4钛合金加热后的氧化缺陷层主要由两部分构成：外侧含氧量较高的氧化皮，以及基体与表面氧化皮之间的富氧层.由于TC4钛合金板坯外表面直接受到热源辐射，且完全处于含氧气氛中，因而其表面氧化皮中氧原子与金属原子的数量比达1～2.Al2O3相比TiO2，致密性更好，能够较好地阻挡氧向内层扩散和渗透，因而富氧层中，氧原子与金属原子的数量比<0.5.

含氧量较高的表面氧化皮一般为多孔疏松状，在热轧生产中可采用10～18 MPa的一次高压水对表面氧化皮进行去除（TC4钛合金板坯出炉后和热轧前）.富氧层为氧原子溶入钛基体的固溶体，组织相对氧化皮致密，与基体的结合比较紧密且不易剥落.同时，与铝及铝合金热轧板带表面氧化层类似，TC4钛合金富氧层的存在能够对钛基体形成保护作用，减少氧元素的入侵及生长.但随着加热或退火温度的升高和保温时间的延长，富氧层会向TC4钛合金基体延伸，同时外侧的富氧层逐渐疏松多孔，成为含氧量较高的表面氧化皮的一部分.因而，在TC4钛合金板带材热轧生产中，除了进行大压下破碎富氧层外，还采用20～25 MPa，机架内二次高压水对氧化富氧层进行去除.

4 应力应变曲线分析

图4温度为800 ℃，平均变形程度为20%的TC4钛合金应力应变曲线，应变速率分别为1，5，10，30和50 s-1.从图4中可以看出，TC4钛合金应力应变曲线在试验应变速率下，均出现了峰值变形抗力.其中，在应变速率5，10，30和50 s-1下的变形抗力峰值分别为：470，550，620和760 MPa.以上4种应变速率状态下的应力应变曲线在变形抗力达到最大值后，曲线基本保持平衡稳定.这说明TC4钛合金在一定应变速率下达到相应的变形量时，其加工所产生的硬化与动态变形产生的软化程度大体相当，达到了一种动态平衡.因而，变形抗力不再随变形量的增加而增大.但是，当应变速率为1 s-1时，TC4钛合金的应力应变曲线在峰值变形抗力达到405 MPa后，却随变形量的增加而下降.这说明在应变速率为1 s-1时，TC4钛合金的动态变形软化程度超过了加工硬化程度，金属进而发生了显著的动态再结晶.因而，在温度为800 ℃，平均变形程度为20%的条件下，随着应变速率的降低，TC4钛合金的应力应变曲线由加工硬化型向动态再结晶型发生了转变.

进一步对应变速率为5 s-1、平均变形程度为10%的TC4钛合金的应力应变曲线进行研究，分别选择600～1 000 ℃内的7个应变温度值进行试验.结果表明，在变形温度为600 ℃和700 ℃时，TC4钛合金只发生了加工硬化和动态回复，没有发生动态再结晶.当变形温度为800，850，880，900和1 000 ℃時，应力应变曲线上出现了应力峰值和应力平稳阶段，表明TC4钛合金发生了动态再结晶.在试验变形温度范围内，TC4钛合金的变形抗力在变形起始阶段随着变形量的增加而快速增大，当变形量达到某一数值时，TC4钛合金的变形抗力达到最大值.当提高TC4钛合金的变形温度时，金属的峰值变形抗力减小，且峰值变形抗力所对应的变形量也进一步降低.以上试验结果表明，变形温度对TC4钛合金动态再结晶发生时临界变形量的影响为变形温度越高，发生动态再结晶的临界变形量越小.另外，在相变点附近，由于TC4钛合金发生了αβ的相转变，使金属在变形过程中出现了明显的动态软化特征，表现为变形抗力的逐步下降.总之，在较高应变速率和较低的变形温度下，TC4钛合金均呈现出变形抗力明显增大的现象，而在相变点附近则表现出了良好的塑性.

5 结 论

（1） TC4钛合金屈服强度、抗拉强度和屈强比均随温度的升高而降低.

（2） TC4钛合金比热值为0.61～1.14 J/（kg·K），而且先随温度的升高而增大，而后随温度的升高而减小.所测TC4钛合金的热辐射系数为0.58.

（3） TC4钛合金加热后的氧化缺陷层主要由两部分构成，即外侧含氧量较高的氧化膜（TiO）和氧化皮（TiO2），以及基体与表面氧化皮之间的富氧层.

（4） 在较高的应变速率和较低的变形温度下，TC4钛合金的变形抗力均增加明显.

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