TC4钛合金热连轧棒材孔型改进

供稿|黄帆，海敏娜，蒋继新 / HUANG Fan, HAI Min-na, JIANG Ji-xin

内容导读

为了使φ15.5 mmTC4钛合金热连轧棒材组织更加均匀、晶粒更加细小、性能更加优异，优化设计了φ15.5 mm TC4钛合金热连轧预精轧棒材孔型，并对比分析了原孔型和优化孔型轧制的φ15.5 mm TC4钛合金棒材预精轧各道次的变形量、显微组织和力学性能。实验结果表明，优化设计的φ15.5 mm TC4钛合金热连轧预精轧棒材孔型中除预精轧2的道次变形量比原孔型低，其余各道次的变形量几乎都高于原孔型，而且都在20%以上；采用优化孔型轧制的φ15.5 mm TC4钛合金热连轧棒材显微组织中初生α相含量较原孔型轧制的初生α相含量增多，其分布更加均匀、细小；优化孔型轧制的棒材各项力学性能都优于原孔型轧制的棒材。

近几年随着科技发展，TC4钛合金在航空、航天、医疗、军事领域有更广泛的应用，尤其小规格棒材在医疗领域应用日益增加。钛及钛合金小规格棒材一般采用传统的横列式轧机生产，生产效率较低，棒材表面尺寸、平直度等各方面差。为了提高生产效率和产品质量及其稳定性，国内已经开始使用热连轧技术生产小规格钛及钛合金棒材，其优点是可生产产品规格多、外观质量好、生产周期短、成品率高等。

钛及钛合金热连轧棒材生产线采用椭圆-圆孔型系统，其优点是：①轧件在椭圆与圆形孔之间能平滑过渡，避免了不均匀变形产生的局部应力；②椭圆孔与圆形孔轧出的轧件断面无棱角，冷却均匀，消除了温度不均匀引起的轧制裂纹；③易去除轧件表面氧化皮，可在延伸孔型中生产成品圆形钛及钛合金棒材[1]。

钛及钛合金热连轧机组由中轧机组、预精轧机组、精轧机组3部分组成。本实验采用的钛及钛合金热连轧预精轧机组的坯料规格为φ30 mmTC4钛合金棒材，经6道次轧制成规格为φ15.5 mmTC4钛合金棒材。表1是原孔型系统各道次的轧制变形量，由表1可以看出原孔型系统特点是生产的φ15.5 mmTC4钛合金棒材的成品前和成品孔的道次变形量太小，不能达到细化晶粒的目的，因此对预精轧机组孔型系统进行了优化设计。本实验优化设计了钛及钛合金预精轧孔型系统，并对比分析了采用优化孔型和原孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材的显微组织和力学性能。

表1 原孔型系统各道次变形量

孔型优化设计

总延伸及轧制道次的确定

钛及钛合金热连轧棒材预精轧机组是对中轧机组提供的中间坯料进行连续加工变形，既可为精轧机组提供中间坯料也可生产成品钛及钛合金棒材。本实验采用的坯料规格为φ30 mm，轧制成品规格为φ15.5 mm，其总延伸系数为：

由于钛及钛合金形抗力较高，轧制棒材、线材时的道次平均延伸系数都不大。根据经验，TC4钛合金的平均延伸系数一般取μc=1.248[2]，则轧制道次为：n=lgμΣ/ lgμc=lg 3.746/lg 1.248=5.96。考虑到实际孔型的分布形式，取轧制道次n=6。

成品孔(K1)的确定

成品孔的尺寸主要有宽度尺寸bk和高度尺寸hk，因为成品孔垂直方向的温度低于水平方向的温度及宽展条件的变化，为防止成品过充满出现耳子，必须使bk大于hk，宽展尺寸bk值一般按正公差或部分正公差考虑。预精轧允许偏差为±0.25 mm。

式中，Δ+和Δ–分别为成品孔允许的正负偏差，计算中系数取定值。辊缝S=(0.1~0.15)hk=1.5 mm。

采用高精度法绘制成品孔的扩张角<30°，孔型两侧用切线联结的。采用高精度法计算成品孔K1的扩张角θ过程：

其中，α为此孔型咬入角，φ为此孔型的中性角。用高精度法绘制成品孔图K1如图1所示。

成品再前孔(K3)的确定

圆-椭圆-圆孔型系统的成品再前孔为圆孔，孔型尺寸图如图2所示。

基圆直径D3=(1.15~1.28)d0=1.23×15.5 mm=19 mm，计算中系数取定值1.23，孔高hk3=D3，采用切线法进行扩张，取扩张角θ=30°[3]，辊缝S=(0.1~0.15)hk=3 mm，计算中系数取定值。

成品前孔(K2)确定

用绝对宽展系数计算法确定成品前孔，孔型图如图3所示，轧件在椭圆-圆孔型系中的宽展系数如表2所示。

式中：A为成品再前孔K3的圆坯直径；β1为成品孔的绝对宽展系数，见表2；β2为椭圆孔型的绝对宽展系数，见表2；d为成品圆孔K1的圆坯直径。

表2 轧件在椭圆-圆孔型中的宽展系数

由表2取β1=0.4，β2=1.1，则由绝对宽展系数法计算：

原孔型和优化孔型分析

预精轧道次变形量

在钛及钛合金热连轧棒材生产线上分别采用原孔型和优化过孔型轧制φ15.5 mmTC4钛合金棒材，预精轧各道次变形量如图4所示。由图4可以看出优化孔型中(除预精轧2)的道次变形量比原孔型低，其余各道次的变形量几乎都高于原孔型，而且都在20%以上。

轧制φ15.5 mmTC4钛合金显微组织

图5为采用原孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材显微组织形貌，由图5可以看出采用原孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材其显微组织均匀性较差，β基体上分布着等轴初生α和粗大的长条α。这是由于原孔型预精轧道次变形量小，不能使晶粒充分破碎，达到细化晶粒的目的[4]。

图6 为采用优化孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材组织形貌，由图6可以看出采用优化孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材其显微组织为β基体上均匀分布着细小的等轴初生α相。这是由于孔型优化后(除预精轧2)各道次的变形量都有所增加，各道次变形更加均匀，使晶粒破碎更加充分。

轧制φ15.5 mmTC4钛合金力学性能

采用原孔型和优化孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材的力学性能如表3所示。由表3可以看出采用优化孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材的抗拉强度和屈服强度都高于原孔型，延伸率略低于原孔型，断面收缩率变化不明显，且采用优化孔型轧制的棒材力学性能富余量大，其性能均符合GB/T 13810—2007标准及合同订货要求。

结束语

(1) 优化孔型较原孔型预精轧道次变形量增大，增加轧制道次变形量能达到晶粒破碎、细化晶粒的目的。

(2) 优化孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材等轴初生α含量增多，组织更加均匀、晶粒更加细小。

表3 φ15.5 mmTC4钛合金棒材力学性能

(3) 与原孔型相比，采用优化孔型轧制的φ15.5 mmTC4钛合金棒材的各项力学性能更优。