鈦及鈦合金因其優(yōu)異的性能廣泛應用于航空、航天、航海、軍用裝備、醫(yī)療器械等尖端科學領域，被譽為“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬” [1] 。TC4合金作為一種典型的 α–β 型兩相鈦合金，密度小、比強度高、耐蝕耐熱性能好，被廣泛應用于航空、航天、軍工等領域 [2] 。隨著越來越多的鈦產(chǎn)品涌入民用領域，TC4鈦合金開始被廣泛研究，部分研究人員對 TC4鈦合金進行鍛造和熱處理，研究了其組織演變規(guī)律 [3-5] 。王小芳等 [6] 對 TC4-DT 鈦合金高溫熱變形行為進行研究，分析了該合金的流變應力行為和微觀組織演變規(guī)律。雷文光等 [7] 利用熱模擬實驗機，對 TC4-DT 高溫壓縮熱變形行為，分析了該合金的流變應力行為以及顯微組織演變規(guī)律，建立了該合金的本構關系模型以及熱加工圖。常見的 TC4加工板加工形式多以單機架可逆式軋機軋制，劉正喬等 [8] 雖采用熱連軋裝備試生產(chǎn)出 TC4卷帶，并測量熱軋卷氧化層厚度和探索了工藝的可行性，但未對寬幅大卷帶做連續(xù)退火工業(yè)化生產(chǎn)實踐。

熱連軋與傳統(tǒng)的單機架可逆式軋機相比，具有生產(chǎn)效率高，能耗低，材料成材率高，批次穩(wěn)定性及尺寸精度高等優(yōu)點，本文通過 2 種不同的板坯及粗軋工藝，通過熱連軋機組制備出表面和邊部質(zhì)量更加優(yōu)異的 TC4帶卷，產(chǎn)品性能滿足 GB/T3621—2022 要求。

1、 實驗材料及過程

1.1 工藝流程介紹

本文研究的生產(chǎn)工藝如下：TC4板坯—步進式加熱爐—四輥可逆粗軋機組—飛剪—8 機架精軋機組—板型儀多功能儀—層流冷卻—表檢儀—卷取機—黑皮打捆噴號—開卷—焊接—退火—拉矯—拋丸—酸洗—質(zhì)檢—白皮成品打包。

1.2 實驗原料

本次熱軋 2 塊 TC4鈦合金板坯，實驗坯選用某公司 3 次真空自耗電極熔煉爐（VAR）熔煉熔鑄、經(jīng)鍛造墩拔后進行扒皮銑面等工序獲得的 TC4板坯，板坯規(guī)格分別是 1 # 7142 mm（長度）×1084 mm（寬度）×185 mm（厚度）和 2 # 7353 mm（長度）×1078 mm（寬度）×185mm（厚度），其中，1 # 為常規(guī)銑面的 TC4鈦合金板坯，2 # 為表面包覆純鈦的 TC4鈦合金板坯，其化學成分如表 1 所示，2 塊板坯照片如圖 1 所示。

1.3 軋制及退火方案

TC4鈦合金板坯在某 1780 熱連軋設備上進行軋制，中間坯厚度為 45 mm，粗軋和精軋壓下分配制度如表 2 和表 3 所示，2 種板坯的粗軋工藝采用不同方案，1 # 板坯粗軋采用 5 道次工藝，2 # 板坯粗軋采用 7 道次工藝，1 # 和 2 # 板坯精軋工藝一致，2 塊板坯的成品規(guī)格均為5.0 mm。熱軋生產(chǎn)的 TC4鈦合金卷（俗稱為黑皮）經(jīng)后續(xù)拋丸退火（退火溫度 860 ℃，保溫時間 15 min）及酸洗，對酸洗后的 TC4鈦合金卷（即白皮）進行表面和邊部質(zhì)量檢查，并測定其金相組織和力學性能。

2、 實驗結果及分析

2.1 TC4帶卷熱軋態(tài)尺寸精度

使用多功能儀及測寬儀對 1 # 、2 # 帶卷測量厚度和寬度如圖 2 所示，從圖 2 可以看出厚度和本體寬度控制較為理想，后續(xù)生產(chǎn)時，需進一步對頭尾寬度進行短行程控制，來進一步改善頭尾失寬現(xiàn)象。

2.2 TC4帶卷熱軋態(tài)外觀質(zhì)量

TC4鈦卷的外觀質(zhì)量如圖 3 所示，從圖 3 可以看出，2 種板坯生產(chǎn)出的 TC4帶卷邊部兩側均有邊裂，邊裂深度 1~3 mm，這是由于 TC4鈦合金導熱性差，帶卷邊部冷卻較快，加之 TC4塑性較差，邊部更容易出現(xiàn)邊裂，后續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)時，可通過粗軋工藝不變的情況下，進一步減少板坯厚度，減少板坯在粗軋每道次絕對壓下量，并嘗試投用立輥，用立輥來改善 TC4合金帶卷邊部溫降，進一步改善邊部質(zhì)量。

2.3 TC4帶卷酸洗后表面質(zhì)量

從熱軋后的表面來看，2 # 卷的表面優(yōu)于 1 # ，1 # 卷表面比較粗糙，2 # 卷表面比較光滑，為了進一步驗證在黑皮卷上的判斷，因此對熱軋的 TC4（黑皮卷）進行退火酸洗處理，來觀察酸洗后的表面質(zhì)量（白皮卷），1 # 、2 # 白皮卷表面照片如圖 4 所示，從圖 4 中可以看出，2 #卷表面質(zhì)量明顯優(yōu)于 1 # 卷，與黑皮判斷完全一致。這是由于 2 # 卷表面包覆了純鈦，加熱時純鈦優(yōu)先氧化形成一層致密的氧化皮，該氧化皮主要有 Ti、O 2 種元素，成分比較簡單，后續(xù)該氧化皮經(jīng)酸洗被除去，因此 2 # 卷表面比較光滑；而沒有包覆純鈦的 1 # 卷氧化皮主要有Ti、O、Al、V 4 種元素。其中 V 元素的氧化物為 V 2 O 5 ，V 2 O 5 在 700~900 ℃開始熔化并且揮發(fā) [9] ，1 # 卷的板坯加熱和熱軋過程中，表面氧化皮 V 2 O 5 熔化揮發(fā)，導致氧化皮變成疏松多孔結構。此外氧原子沿著孔洞向內(nèi)擴散，不僅導致氧化皮更加粗糙，而且促使金屬加速氧化，因此 1 # 卷表面比較粗糙。

2.4 TC4帶卷組織及力學性能

2.4.1 金相組織

對熱軋的 TC4鈦合金卷在連續(xù)退火酸洗線上進行退火及酸洗處理，退火溫度 860 ℃，退火時間 15 min，然后對 1 # 、2 # 卷分別取樣做金相組織分析，金相組織如圖 5 所示，從圖 5中可以看出部分區(qū)域呈現(xiàn)典型的網(wǎng)籃組織形貌，有向魏氏組織發(fā)展的趨勢，組織以 β 相為主，還有少量的 α 相，還可以看出非平衡凝固的柱狀晶區(qū)域，中間部分為混晶區(qū)域，已經(jīng)有部分針尖狀 α 相，證明發(fā)生了少量相轉(zhuǎn)變，中間 α 相進一步長大，導致表層和芯部呈現(xiàn)出中厚板常有的混晶形貌，通過 JmatPro 軟件計算的 TC4合金平衡相圖如圖 6 所示。從相圖中可以看出，965 ℃以上均為 β 相，900 ℃時 β 相質(zhì)量分數(shù) 51.08%，600 ℃時 α 相質(zhì)量分數(shù) 95.58%，2 種方案的過程溫度曲線如圖 7 所示，實際生產(chǎn)時由于在熱軋粗軋、精軋過程中的溫度較高，實際粗軋結束溫度均在 1000 ℃以上，精軋開始溫度均在 920 ℃以上，精軋結束溫度在 850 ℃以上，軋制過程溫度如表 4 所示，從板坯到粗軋、精軋到成卷過程共計用時不超過 4 min，熱軋成卷過程較快，TC4鈦合金沒有足夠的時間發(fā)生 β→α 相大量轉(zhuǎn)變，因此黑皮卷以大量β 組織被保留下來，TC4帶卷后續(xù)經(jīng) 860 ℃退火后組織形貌仍以 β 組織為主。后續(xù)熱連軋生產(chǎn)帶卷時，在保證設備能力的情況下，通過降低在粗軋、精軋過程中的溫度來改善熱軋鈦合金帶卷及其經(jīng)連續(xù)退火酸洗線后的金相組織。

2.4.2 力學性能

對 TC4鈦合金退火態(tài) 5 mm 帶卷拉伸性能進行測試，檢測結果如表 5 所示。由表 5 可知，1 # 、2 # TC4鈦合金 5 mm 帶卷的橫、縱向拉伸性能均達到 GB /T 3621—2022 要求。

3、 結論

（1）1 # 和 2 # 板坯通過不同的粗軋工藝制備的 5 mm 規(guī)格 TC4熱軋卷力學性能均達到了GB /T 3621—2022《鈦及鈦合金板材》標準要求。

（2）軋制工藝對 TC4熱軋卷帶的組織及力學性能均可產(chǎn)生影響，粗軋 7 道次熱軋表面包覆純鈦（2 # 板坯）的 TC4鈦合金卷帶，表面質(zhì)量更好，后續(xù)熱軋工業(yè)生產(chǎn)時，可進一步降低 TC4板坯厚度，進一步來改善邊部質(zhì)量。

（3）TC4鈦合金卷帶經(jīng)連續(xù)退火后，雖未獲得均勻細小的等軸 α+β 轉(zhuǎn)變組織，結合鋼廠設備能力，進一步降低板坯加熱溫度，使得 TC4卷經(jīng)熱連續(xù)退火酸洗線工業(yè)化生產(chǎn)獲得

理想組織。

參考文獻

[1] 安成鋼．異步熱軋及熱處理對鈦及鈦合金組織性能的影響．沈陽：東北大學，2014

[2] 黃旭，朱知壽，王紅紅．先進航空鈦合金材料與應用．北京: 國防工業(yè)出版社，2012

[3]王牛?。甌C4鈦合金板熱軋過程顯微組織研究．機械設計與制造工程，2017，46(6)：81

[4]高飛，雷挺，苗陽，等.齊航熱處理對 TC4鈦合金板材韌性的影響. 金屬世界，2022(3)：36

[5]岳旭，馬龍，李瑞，等.自由鍛工藝及氧含量對 TC4薄壁環(huán)材沖擊韌性的影響. 金屬世界，2018(2)：71

[6]王小芳，陳明和，陳偉，等．TC4-DT 鈦合金高溫熱變形行為研究．航空材料學報，2012，32(1)：30

[7]雷文光，韓棟，張永強，等．TC4-DT 鈦合金熱變形機制及加工圖．鈦工業(yè)進展，2015，32(1)：20

[8]劉正喬，汪凈，蔣孟玲，等．寬幅 TC4鈦合金帶卷的研制．連鑄，2019，44(2)：7

[9]Tomasi A，Gialanella S．Oxidation phenomena in a Ti 3 Al base-alloy．Thermochim Acta, 1995，269/270：133

作者簡介：

周嘉晟（1987—），男，陜西咸陽市人，碩士，工程師，山東盛陽金屬科技股份有限公司。

2012 年畢業(yè)于蘭州理工大學材料學專業(yè)，主要研究方向：鈦及鈦合金材料加工。通信地址：山東省臨沂市羅莊區(qū)傅莊街道土山屯山東盛陽金屬科技股份有限公司；E-mail：459199631@qq.com。

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