供稿|黃帆，海敏娜，蔣繼新 / HUANG Fan, HAI Min-na, JIANG Ji-xin

內(nèi)容導(dǎo)讀

為了使φ15.5 mmTC4鈦合金熱連軋棒材組織更加均勻、晶粒更加細(xì)小、性能更加優(yōu)異，優(yōu)化設(shè)計(jì)了φ15.5 mm TC4鈦合金熱連軋預(yù)精軋棒材孔型，并對(duì)比分析了原孔型和優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mm TC4鈦合金棒材預(yù)精軋各道次的變形量、顯微組織和力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的φ15.5 mm TC4鈦合金熱連軋預(yù)精軋棒材孔型中除預(yù)精軋2的道次變形量比原孔型低，其余各道次的變形量幾乎都高于原孔型，而且都在20%以上；采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mm TC4鈦合金熱連軋棒材顯微組織中初生α相含量較原孔型軋制的初生α相含量增多，其分布更加均勻、細(xì)??；優(yōu)化孔型軋制的棒材各項(xiàng)力學(xué)性能都優(yōu)于原孔型軋制的棒材。

近幾年隨著科技發(fā)展，TC4鈦合金在航空、航天、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用，尤其小規(guī)格棒材在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用日益增加。鈦及鈦合金小規(guī)格棒材一般采用傳統(tǒng)的橫列式軋機(jī)生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較低，棒材表面尺寸、平直度等各方面差。為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量及其穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始使用熱連軋技術(shù)生產(chǎn)小規(guī)格鈦及鈦合金棒材，其優(yōu)點(diǎn)是可生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格多、外觀質(zhì)量好、生產(chǎn)周期短、成品率高等。

鈦及鈦合金熱連軋棒材生產(chǎn)線采用橢圓-圓孔型系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是：①軋件在橢圓與圓形孔之間能平滑過(guò)渡，避免了不均勻變形產(chǎn)生的局部應(yīng)力；②橢圓孔與圓形孔軋出的軋件斷面無(wú)棱角，冷卻均勻，消除了溫度不均勻引起的軋制裂紋；③易去除軋件表面氧化皮，可在延伸孔型中生產(chǎn)成品圓形鈦及鈦合金棒材[1]。

鈦及鈦合金熱連軋機(jī)組由中軋機(jī)組、預(yù)精軋機(jī)組、精軋機(jī)組3部分組成。本實(shí)驗(yàn)采用的鈦及鈦合金熱連軋預(yù)精軋機(jī)組的坯料規(guī)格為φ30 mmTC4鈦合金棒材，經(jīng)6道次軋制成規(guī)格為φ15.5 mmTC4鈦合金棒材。表1是原孔型系統(tǒng)各道次的軋制變形量，由表1可以看出原孔型系統(tǒng)特點(diǎn)是生產(chǎn)的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的成品前和成品孔的道次變形量太小，不能達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，因此對(duì)預(yù)精軋機(jī)組孔型系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)了鈦及鈦合金預(yù)精軋孔型系統(tǒng)，并對(duì)比分析了采用優(yōu)化孔型和原孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的顯微組織和力學(xué)性能。

表1 原孔型系統(tǒng)各道次變形量

孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)

總延伸及軋制道次的確定

鈦及鈦合金熱連軋棒材預(yù)精軋機(jī)組是對(duì)中軋機(jī)組提供的中間坯料進(jìn)行連續(xù)加工變形，既可為精軋機(jī)組提供中間坯料也可生產(chǎn)成品鈦及鈦合金棒材。本實(shí)驗(yàn)采用的坯料規(guī)格為φ30 mm，軋制成品規(guī)格為φ15.5 mm，其總延伸系數(shù)為：

由于鈦及鈦合金形抗力較高，軋制棒材、線材時(shí)的道次平均延伸系數(shù)都不大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，TC4鈦合金的平均延伸系數(shù)一般取μc=1.248[2]，則軋制道次為：n=lgμΣ/ lgμc=lg 3.746/lg 1.248=5.96?？紤]到實(shí)際孔型的分布形式，取軋制道次n=6。

成品孔(K1)的確定

成品孔的尺寸主要有寬度尺寸bk和高度尺寸hk，因?yàn)槌善房状怪狈较虻臏囟鹊陀谒椒较虻臏囟燃皩捳箺l件的變化，為防止成品過(guò)充滿出現(xiàn)耳子，必須使bk大于hk，寬展尺寸bk值一般按正公差或部分正公差考慮。預(yù)精軋?jiān)试S偏差為±0.25 mm。

式中，Δ+和Δ–分別為成品孔允許的正負(fù)偏差，計(jì)算中系數(shù)取定值。輥縫S=(0.1~0.15)hk=1.5 mm。

采用高精度法繪制成品孔的擴(kuò)張角<30°，孔型兩側(cè)用切線聯(lián)結(jié)的。采用高精度法計(jì)算成品孔K1的擴(kuò)張角θ過(guò)程：

其中，α為此孔型咬入角，φ為此孔型的中性角。用高精度法繪制成品孔圖K1如圖1所示。

成品再前孔(K3)的確定

圓-橢圓-圓孔型系統(tǒng)的成品再前孔為圓孔，孔型尺寸圖如圖2所示。

基圓直徑D3=(1.15~1.28)d0=1.23×15.5 mm=19 mm，計(jì)算中系數(shù)取定值1.23，孔高h(yuǎn)k3=D3，采用切線法進(jìn)行擴(kuò)張，取擴(kuò)張角θ=30°[3]，輥縫S=(0.1~0.15)hk=3 mm，計(jì)算中系數(shù)取定值。

成品前孔(K2)確定

用絕對(duì)寬展系數(shù)計(jì)算法確定成品前孔，孔型圖如圖3所示，軋件在橢圓-圓孔型系中的寬展系數(shù)如表2所示。

式中：A為成品再前孔K3的圓坯直徑；β1為成品孔的絕對(duì)寬展系數(shù)，見(jiàn)表2；β2為橢圓孔型的絕對(duì)寬展系數(shù)，見(jiàn)表2；d為成品圓孔K1的圓坯直徑。

表2 軋件在橢圓-圓孔型中的寬展系數(shù)

由表2取β1=0.4，β2=1.1，則由絕對(duì)寬展系數(shù)法計(jì)算：

原孔型和優(yōu)化孔型分析

預(yù)精軋道次變形量

在鈦及鈦合金熱連軋棒材生產(chǎn)線上分別采用原孔型和優(yōu)化過(guò)孔型軋制φ15.5 mmTC4鈦合金棒材，預(yù)精軋各道次變形量如圖4所示。由圖4可以看出優(yōu)化孔型中(除預(yù)精軋2)的道次變形量比原孔型低，其余各道次的變形量幾乎都高于原孔型，而且都在20%以上。

軋制φ15.5 mmTC4鈦合金顯微組織

圖5為采用原孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材顯微組織形貌，由圖5可以看出采用原孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材其顯微組織均勻性較差，β基體上分布著等軸初生α和粗大的長(zhǎng)條α。這是由于原孔型預(yù)精軋道次變形量小，不能使晶粒充分破碎，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的[4]。

圖6 為采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材組織形貌，由圖6可以看出采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材其顯微組織為β基體上均勻分布著細(xì)小的等軸初生α相。這是由于孔型優(yōu)化后(除預(yù)精軋2)各道次的變形量都有所增加，各道次變形更加均勻，使晶粒破碎更加充分。

軋制φ15.5 mmTC4鈦合金力學(xué)性能

采用原孔型和優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的力學(xué)性能如表3所示。由表3可以看出采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都高于原孔型，延伸率略低于原孔型，斷面收縮率變化不明顯，且采用優(yōu)化孔型軋制的棒材力學(xué)性能富余量大，其性能均符合GB/T 13810—2007標(biāo)準(zhǔn)及合同訂貨要求。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 優(yōu)化孔型較原孔型預(yù)精軋道次變形量增大，增加軋制道次變形量能達(dá)到晶粒破碎、細(xì)化晶粒的目的。

(2) 優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材等軸初生α含量增多，組織更加均勻、晶粒更加細(xì)小。

表3 φ15.5 mmTC4鈦合金棒材力學(xué)性能

(3) 與原孔型相比，采用優(yōu)化孔型軋制的φ15.5 mmTC4鈦合金棒材的各項(xiàng)力學(xué)性能更優(yōu)。