热轧温度对TC20合金坯料冷轧成形性的影响

罗锦华，朱燕丽,，侯峰起，张铁邦，田 成，李英浩

(1.西部超导材料科技股份有限公司，陕西 西安 710018)(2.西北工业大学材料学院，陕西 西安 710072)

1 前 言

钛合金弹性模量与人体骨接近，耐蚀性优良，是目前已知的生物相容性最好的医用金属之一，在医疗植入物领域有着广阔的应用前景。TC20合金是基于纯钛和Ti6Al4V等第一代生物医用钛合金开发的新型合金，合金中所含Nb元素的5价阳离子细胞毒性非常弱，与人体相容性好，且Nb元素取代V元素后，合金的腐蚀性能没有显著变化，这对临床应用更有利，因此，TC20合金是一种理想的外科植入物用钛合金[1-5]。此外，骨针、骨钉等植入物需要合金良好塑韧性匹配度和相对稳定的塑性指标。据报道，在工业生产条件下，热拉拔得到的TC20丝材，抗拉强度为1020 MPa[6]，为得到抗拉强度大于1200 MPa高强度的TC20丝材，冷加工是比较理想的变形方式。本文通过不同温度下热轧的TC20合金坯料的冷连轧实验，结合组织、室温压缩实验分析，对比分析其冷连轧极限变形能力及影响因素。

2 实 验

本文采用TC20合金为研究对象，通过电极压制、三次真空熔炼等工序完成铸锭制备，金相法测定合金的β转变温度为1010～1015 ℃，化学成分见表1。铸锭扒皮后采用多火次锻造得到等轴组织棒坯。而后分别在1000，940，850 ℃温度下热轧，得到不同组织状态的冷轧坯料。

表1 TC20铸锭化学成分Table 1 Chemical composition of the TC20 ingot (ω/%)

冷轧坯料在西部超导材料科技股份有限公司的90D型冷连轧设备上进行加工，道次减面率为10.5%。在OLYMPUS光学显微镜下分析、比较丝棒材组织。依据GB/T 228-2011和GB/T 7314-2005标准，在Instron万能实验机上进行室温拉伸和压缩实验。变形后的试样经超声清洗后在JEOL JSM-6460扫描电子显微镜下观察断口。

3 结果与讨论

3.1 不同温度热轧得到的冷轧坯料组织与性能

图1为不同温度热轧得到的坯料的横向金相组织。从横向组织来看，随着轧制温度的降低，坯料组织更为细碎，且相比例变化明显。1000 ℃轧制的棒材横向组织(图1a)为大尺寸片层状的初生α相，占比约30%，细小等轴的次生α相呈点状分布在β转变组织中；轧制温度为940 ℃时(图1b)，棒坯组织略微细化，片层状初生α相整体尺寸较小；850 ℃轧制时(图1c)，组织明显更为细碎，初生α相为细条状和椭球状。图2是热轧后的棒材纵向金相组织，图2a显示高温轧制棒材纵向组织中α相呈粗大的纺形，断续分布在β转变组织基体中，且β转变组织含量较高。轧制温度为940 ℃(图2b)，纵向组织中α相含量略有增加，拉长α相的长宽比增加且更为连续。轧制温度降低至850 ℃时，图2c显示α相呈连续纤维状，且相含量最高。

这是由于在高温下进行热轧，片状α相破碎不完全且在动态回复作用下会快速长大，最终保留在组织中。随着轧制温度的降低，α相被细化、拉长，组织明显被破碎。这一结果与文献[7]中热模拟实验数据吻合：在两相区变形，接近相变点比如1000 ℃时，变形的主要是β相，而α相变形困难；在两相区温度范围如850 ℃下变形，α相细化为扭曲薄片和细小片层，球化程度有限[7]。

不同温度下热轧的棒材的室温拉伸性能如表2所示，随着轧制温度的降低，抗拉强度和屈服强度逐渐升高，而延伸率和断面收缩率没有明显变化，塑性水平相当。结合图1和图2组织来看，高温轧制棒材组织中β相含量较高，因此强度较低；而低温轧制获得的具有较高的α相含量的细碎纤维状组织保障了棒材较高强度。

图1 不同温度轧制的TC20坯横向金相组织照片Fig.1 Cross-sectional metallographs of TC20 alloy after being hot rolled at different temperatures: (a) 1000 ℃, (b) 940 ℃, (c) 850 ℃

图2 不同温度轧制的TC20坯纵向金相组织照片Fig.2 Longitudinal metallographs of TC20 alloy after being hot rolled at different temperatures: (a) 1000 ℃, (b) 940 ℃, (c) 850 ℃

表2 不同温度轧制TC20棒材的室温拉伸性能Table 2 Tensile properties of TC20 bars rolled at different temperatures

3.2 不同热轧棒坯的冷连轧成形性能

不同温度下热轧的TC20棒材采用连续冷轧的方法进行冷加工，结果显示，不同坯料的冷加工性能差异较大。3种温度轧制的坯料在进行30%变形时，丝材外观均正常，将丝材横截面放大50倍，未观察到缺陷。850 ℃轧制的棒材，冷加工量到36%时，表面出现了肉眼可见裂纹；加工量为42%时，发生断裂，丝材内部裂纹已贯穿。940 ℃轧制的棒材，变形量到48.6%发生断裂。1000 ℃轧制的棒材，经59%的变形，表面萌生裂纹，发现可视缺陷，变形至63%才发生断裂。比较来看，高温轧制的棒坯，表现出较高的冷连轧变形能力；低温轧制的棒坯，冷连轧时更容易开裂，塑性变形能力较差。

金属热加工过程中，在变形的同时会发生动态回复和动态再结晶，同时伴随有加工硬化和流变软化现象。TC20棒材在相变点附近加热，变形温度较高，棒坯在热轧过程中充分回复，过程中软化作用更显著，畸变能较低，β相含量较高，更有利于其后面冷加工过程塑性变形。而热变形温度低，棒材在热加工过程中组织充分破碎，内部晶体缺陷大量增殖，位错密度增大，在晶界及其附近聚集，运动过程中彼此交截，形成割阶，使位错的可动性减小，许多位错交互作用后，缠结在一起，形成位错缠结，使位错运动变得十分困难，同时，又没有足够的驱动力进行动态回复，变形抗力快速增大，塑性变形能力降低，造成后面冷连轧成形性较差。

1000 ℃热轧坯经45%的冷连轧变形后，横向金相组织(图3a)演变为弥散分布α+β相，并夹杂少量尺寸略大的点状α相，纵向金相组织照片(图3a)显示α相沿轧制方向拉长。与图1a和图2a的坯料组织相比，冷轧后丝材组织在破碎和细化的同时，纵向α相的连续性增强。

表3为1000 ℃热轧坯经45%的冷连轧变形得到的丝材的室温拉伸性能，丝材抗拉强度超过1230 MPa，屈服强度在1000 MPa以上，延伸率达12%，断面收缩率约38%左右，与一般热加工得到的丝棒材抗拉强度≥900 MPa，断面收缩率≥25%相比，冷加工丝材的塑性水平与之相当，没有明显降低，而抗拉强度和屈服强度明显增高，综合力学性能良好。这是因为冷连轧得到的丝材，加工硬化提高了其强度，同时细小均匀的组织可以保证其相对较优的塑性，得到理想的综合性能匹配，可以满足血管内导丝等对强度和塑性要求较高的医疗器械产品。

图3 冷加工态TC20丝材金相组织照片Fig.3 Metallographs of cold-rolled TC20 wire: (a) lateral, (b) longitudinal

表3 冷加工态TC20丝材室温力学性能Table 3 Mechanical properties of cold-rolled TC20 wire

3.3 分析和讨论

为进一步分析坯料组织状态对坯料冷加工成形性能的影响，分别对不同温度轧制的棒材进行了室温压缩实验。图4是不同温度轧制的热加工态TC20合金的室温压缩应力应变曲线。可以看出，1000 ℃热轧的棒材的压缩率最高，在抗压强度超过1160 MPa的情况下，断裂压缩率达到了60%。而850 ℃轧制的棒材的压缩曲线显示，断裂时抗压强度高达1250 MPa，压缩率减至40%，塑性变形能力较低。

结合图5的棒坯压缩试样塑性变形阶段应力-应变曲线来看，高温轧制的棒材，缓慢进入塑性变形阶段，在塑性变形过程中，抗压强度逐渐上升，加工硬化速率较慢，对图5的1000 ℃热轧坯塑性变形阶段应力-应变曲线拟合，近似一条直线，斜率为1.96；对940 ℃热轧坯塑性变形阶段应力-应变曲线拟合，直线斜率为4.25，加工硬化速率提高；低温轧制的棒材，快速进入塑性变形阶段，塑性变形阶段拟合直线的斜率达9.57，抗压强度快速攀升，棒材急速发生加工硬化，并很快产生了断裂。比较来看，高温轧制棒材，加工硬化率较低，可以持续发生塑性变形，维持较大的变形量；而低温轧制的棒材则相反，塑性变形阶段较短，材料快速硬化、失效，抵抗变形能力更强，不利于后期冷轧变形。

图4 不同温度轧制的TC20棒材室温压缩应力应变曲线Fig.4 Stress and strain curves of TC20 rods hot rolled at different temperatures

对不同温度轧制的棒材进行室温压缩实验，断口与试样轴线夹角约为45°，属于剪切断裂。1000 ℃热轧坯及850 ℃热轧坯的室温压缩断口扫描电镜照片分别如图6和图7所示。可以看到，TC20棒坯压缩断裂后均为典型的切应变断口，图6b和图7b显示断口中部断裂区由大大小小的韧窝组成；进一步放大，图6c和图7c是抛物线形剪切韧窝，在切应力作用下，显微空洞沿剪切方向被拉长，图6d和图7d是细长舌状的剪切平面，相对光滑。

图5 不同温度轧制的TC20棒材塑性变形阶段压缩应力应变曲线Fig.5 Stress and strain curves during plastic deformation stage of TC20 rods hot rolled at different temperatures

与1000 ℃热轧坯的压缩断口相比，850 ℃热轧坯压缩断口，光滑的剪切平面占比更大，只有少量的抛物线形的塑性断裂韧窝。说明1000 ℃轧制的TC20棒材，塑韧性更佳。低温轧制的棒材，可能因为位错密度大，成核中心多，间距小，则韧窝更容易相互连接，韧窝浅平，材料的塑性变形能力弱。

图6 1000 ℃热轧坯压缩断口形貌Fig.6 Compression fracture morphology of TC20 bar rolled at 1000 ℃

图7 850 ℃热轧坯压缩断口形貌Fig.7 Compression fracture morphology of TC20 bar rolled at 850 ℃

结合图2坯料纵向组织看，不同的温度下轧制的棒材，纵向微观组织均有加工流线。高温轧制的坯料，纵向α相为纺锤形，流线断断续续，连续性不强，可以维持较大冷变形量；低温轧制的坯料，纵向流线是连续线状，α相比例增加，在冷连轧过程中容易开裂，冷加工成形性不佳。结合文献[8]来看，断续的α相，应力集中概率低，比较不容易被撕裂，可以实现较大的变形[8]。因此，纵向连续纤维状的α相组织的存在对丝材冷连轧变形不利。

金属材料的晶体结构不同，其应变硬化系数也不同[9]。钛合金中α相是密排六方结构，β相是体心立方结构，高温下加工的丝棒材，β相占比较高，因此塑性变形能力更好。

综合而言，高温热轧变形的棒材，变形热可以给予较大的补偿，变形后加工硬化程度弱，缺陷率低，α相含量低且不连续分布在β相基体上，在后续冷连轧加工过程中，可以实现更大程度的变形。

4 结 论

本文研究分析了不同温度热轧的具有不同组织状态的TC20钛合金棒坯的冷成形性能，得到如下结论：

(1) 热轧温度对TC20合金棒坯冷轧成形性影响较大。坯料的显微组织和相组成是影响TC20合金冷轧成形性的关键因素。1000 ℃热轧的TC20棒坯，β相含量较高，α相为纺锤形，不连续，冷轧变形率可达60%。

(2) 冷连轧丝材抗拉强度约1230 MPa，屈服强度在1000 MPa以上，延伸率达12%，断面收缩率约38%，与热拉拔丝材相比，综合力学性能良好。

(3) 室温压缩性能可直观表征棒坯的冷轧成形性能，室温压缩实验过程中，1000 ℃热轧的棒材断裂压缩率较高，塑性变形阶段硬化较慢，冷轧成形性更好。