挤压TC4钛合金U型材矫直工艺研究

代春，张平平，王俊琪，李宝霞，谢林均

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西 宝鸡 721014）

目前，钛合金型材作为一种结构件，具有结构效益高的特点，在航空航天中作为承力框架零件使用。钛合金型材成形方法有冷拉成形、热拉弯成形和热挤压成形等加工方法。而挤压成形可生产形式各异、截面复杂的型材，具有生产灵活、加工效率高等特点，并且是复杂断面、空腹、变断面型材的唯一加工方法[1-2]。相对冷拉成形和热拉弯成形，挤压型材的刚度好。因此，钛合金型材挤压制备工艺技术是一种其他成形加工技术无法代替的制备成形加工技术。钛合金挤压型材在俄罗斯和美国已经成功生产和应用了近五十余年[3]。国内个别型号曾经应用了钛合金的挤压型材，但由于国内无法生产，至今该产品一直依赖进口。

由于异型材断面形状复杂，挤压过程中金属流动的不均匀是客观存在的现象。优化模具设计只能做到调节所挤压型材横截面各部位流动的相对均匀，因此挤压型材总会产生一些扭转或者翘曲等不平直的现象。本实验使用的是挤压成形的TC4钛合金U型材，U型材的壁厚范围为10～15mm之间为大断面型材。钛合金型材与普通的钢铁材料相比室温具有高的屈服强度，大的截面系数和低的弹性模量，矫直难度非常大，必须在加热下进行扭转和张力矫直，一般采用电接触热张力矫直。本文着重分析了TC4钛合金U型材采用电接触热张力矫直，其矫直温度、扭转力、拉伸力和降温速率工艺参数对合金型材平直度、弯曲度和扭拧度的影响，为钛合金型材矫直工艺提供一定理论依据。

1 钛合金型材矫直工艺参数的确定

1.1 钛合金U型材制备工艺

钛合金U型材在3150T水压机进行挤压成形（见图1），进行切定尺，表面氧化层处理，并在电阻炉里进行退火处理，在电接触热张力矫直机上进行矫直，具体工艺流程：

型材挤压→切定尺→表面氧化处理→退火→张力矫直→检查

图1 挤压TC4合金U型材

1.2 U型材矫直方案

在金属挤压过程中，型材截面上各处的金属流动速度差异较大，导致金属挤出模孔之后会发生扭拧（见图1）。尽管可以通过优化模具结构改善截面上金属速度场分布状态，钛合金型材仍需在挤出之后进行矫直，并设计相应的矫直方案。

U型材矫直在电接触热张力矫直设备上进行矫直（图2），研究矫直过程中的加热温度、矫直后的降温速率及拉伸力等工艺参数对型材弯曲度及扭拧度的影响，根据热张力矫直理论计算公式（1-1），提出合理的工艺参数值，保证能够获得满足弯曲度及扭拧度指标要求的制品和矫直工艺。其中式中TC4合金不同温度下屈服强度δs见表1[4]，假设U型材断面为均匀断面，K安全系数为1。F为型材断面实际测量值。矫直加热温度分别为600℃、650℃、700℃和720℃，降温速率分别为30℃/min、40℃/min、50℃ /min和60℃/min，具体矫直工艺方案见表1。

热张力矫直施加的拉力P应满足下式[4]：

图2 U型材矫直实物照片

式中：K—考虑断面不均等的安全系数；

δs—金属工件的屈服强度，公斤/毫米2；

F—工件的断面积；

2 U型材热张力矫直影响因素分析

根据表1给出的试验方案，考虑的影响参数分别为：加热温度和降温速率，通过对不同试验方案型材弯曲度测量结果，我们可以发现每个参数的改变都会引起相应变形结果发生一定的变化，为了研究这些参数变化时弯曲度变形变化规律，需要分析单个参数变化时矫直变形的变化规律以及其性能和组织的影响。

2.1 加热温度对型材矫直结果的影响

如图3和4分别为降温速率为30℃/min和40℃/min时，不同加热温度下的矫直变形情况。

从图3和4中可以看出，在相同降温速率条件下，U型材的底面平直度、横向和扭拧度随着矫直温度升高，U型材矫直变形效果更好。当矫直温度为720℃，降温速率为30℃/min和40℃/min时，U型材的底面平直度、横向和扭拧度都满足AMS2245《钛及钛合金挤压条、棒材及型材尺寸公差》的相关要求。这是由于矫直温度升高，合金本身变形抗力会随之减小，挤压冷却过程中产生应力逐渐消除，使合金更加容易变形，所以U型材矫直变形随着矫直温度的升高而增加，考虑到TC4合金退火温度限制以及高温对型材氧化程度，所以热张力矫直温度不能高于退火温度。

表1 U型材矫直工艺匹配试验方案

图3 不同加热温度的矫直变形情况（30℃/min）

图4 不同加热温度的矫直变形情况（40℃/min）

图5 不同降温速率的矫直变形情况（600℃）

图6 不同降温速率的矫直变形情况（720℃）

2.2 降温速率对型材矫直结果的影响

降温速率的大小对U型材矫直变形的影响情况如图5及6所示。

由图5、图6所示可以看出，在相同加热温度条件下，随着降温速率的增加，U型材的矫直变形随之减小。这种变化趋势是在矫直拉伸力不变和加热温度不变的情况下，型材合金由于随着降温速率增加，型材表里温差越大，矫直变形后的回弹性越大，所以U型材矫直变形大小随着温降速率的增加而减小。当降温速率为30℃/min时，型材内外表面的冷却速度差减小，内外表面收缩率速度趋于一致，使得热效应产生的弹性应变回复减小，从而更好的保持了型材高温矫直变形状态。

2.3 矫直工艺对型材组织和性能的影响

矫直工艺对U型材组织和性能的影响情况如图7和8所示。

图7 矫直前后U型材组织形貌

图8 矫直前后U型材的力学性能

图7所示矫直前后U型材组织的变化情况，从图中我们可以看出，矫直前后U型材组织形貌基本没有发生变化，都是典型β单相区热加工组织的基本形貌，原始β晶界整体比较清晰和完整，针状的α相有序排列在晶界上，晶粒呈多边形状且较粗大，长条形α相分布在β晶粒内，由灰白色相间长条α＋β相组成的整个晶粒。这表明型材矫直加热温度和矫直变形产生的热量并没有改变型材原始β加工组织形貌。

图8所示矫直温度对U型材力学性能的影响，从图中我们可以看出不同矫直加热温度的抗拉强度Rm为962～976MPa，屈服强度Rp0.2为865～878MPa，延伸率为12.5%～14.5%，断面收缩率为24%～27%，满足U型材的力学性能抗拉强度Rm≥896MPa，屈服强度Rp0.2≥827MPa，延伸率A≥10%，断面收缩率Z≥20%的技术性能要求。表明矫直加热温度不高于成品退火温度，对U型材的组织和性能影响变化不大。

3 结论

（1）热张力矫直加热温度和降温速率对钛合金U型材矫直变形影响明显，在相同降温速率条件下，随着矫直温度升到，U型材矫直变形效果更好。在相同加热矫直温度条件下，随着降温速率的增大，U型材的矫直变形随之减小；

（2）矫直加热温度720℃和降温速率30℃/min时，矫直后U型材满足产品的使用技术的相关要求。矫直加热温度不高于成品退火温度，矫直加热温度对U型材组织和性能的影响不明显。