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鈦棒及鈦合金棒絲材軋制工藝研究

鈦棒

鈦合金是普遍地運用于航空航天技術范疇的高性能資料,其重量輕、強度高、韌性好、耐腐蝕是其最顯著的特性。關于制造汽車來說,在眾多的金屬資料中鈦合金是獨一同時具有高強度、低密度,極好的抗疲倦和耐腐蝕性能,以及較低的彈性模數的資料,因而它是非常理想地制造汽車的資料。此外鈦合金也普遍地應用于醫療器械、化工設備、軍工(軍用TC4鈦棒鈦板)及運動器(鈦高爾夫球桿)材等范疇。由于加工工藝復雜,所以資料價錢昂貴,這是形成產品價錢較高的主要緣由。鈦合金和很多合金金屬一樣,也是由鈦與一些有用的金屬成份組成,以滿足對資料性能的請求,但其主要成份中鈦占到90%以上。在航空航天技術中普遍應用的是兩種合金,既Ti6AL4V(6%鋁,4%釩,90%鈦)和Ti3AL2.5V(3%鋁,2.5%釩,94.5%鈦)。


TC4鈦合金具有良好的室溫及高溫力學性能,被廣泛用于制造航空結構件和航空發動機的風扇、鼓筒等,已占到航空用鈦合金總量的50%以上。飛機的諸多承力結構件,尤其是變截面結構件要求原材料鈦棒具有很好的缺口應力斷裂性能,目的在于保證零件在高應力集中的狀態下具有較強的抑制裂紋萌生和擴展的能力,而不致于斷裂失效。國內相關技術標準中該類型TC4鈦合金棒材規格的上限為(;>220mm。目前,未見國內外關于要求缺口應力斷裂性能的TC4鈦合金棒材制備工藝研究的公開報道。一般認為,TC4鈦合金中的氫含量較高或者組織均勻性較差會降低其室溫缺口應力斷裂性能⑴。在工業化批量生產中,因工藝不當導致此類棒材的缺口應力斷裂性能不合格的現象也較為常見。

當中下輥過料時,軋制力對中輥不斷沖擊,使斜楔的防松裝置迅速失效,中輥固定的穩定狀態被破壞;調整好的孔型,隨著中輥同定穩定狀態被破壞而發生變化,影響鈦棒尺寸的穩定性,最終影響成品質量;在軋制過程中,為了防止膠木瓦結構發熱磨損,盅要澆注冷卻水對膠木乩進行冷卻和潤滑,冷水往往會噴颼到軋輥表面上,使得坯料表而溢降很快,特別是軋制鈦及鈦合金時,由于鈦及鈦合金導熱性差,壞料內外溫度相差會更大,不利于坯料的均勻變形,軋制精度得不到保證;斜楔側面固定方式摩擦阻力大,軋制時的電能消粍也大,即便是采用630kW的電機也會經常發生悶車現象,影響生產。250軋機由膠木瓦結構改為軸承結構后軋制的鈦及鈦合金棒材尺寸穩定,外表面質量提高,成品率提高。

按照現技術標準提供超規格范圍的直徑350mmTC4鈦合金棒材,在保證力學性能指標不變的前提下,要求超聲波探傷水平由原較小規格棒材的GB/T5193中的B級提高至A級,因此開展了特殊需求的大規格TC4鈦合金棒材制備的相關工藝研究。采用兩種工藝制備的<^50mmTC4鈦合金棒材鍛造態的低倍組織。從圖1可以看出,采用工藝1制備的TC4鈦合金棒材的低倍組織均勻性較差,呈現從邊緣部位的模糊晶逐漸向中心部位的半清晰晶過渡的現象;采用工藝2制備的棒材低倍組織均勻性良好,整個試樣均為模糊晶狀態。這說明采用工藝1進行鍛造,鑄錠和中間坯料心部組織被破碎和細化的程度不夠,這與其總變形量較小直接相關,由于鈦合金變形抗力較大,加之大規格鈦棒坯料的體積大,單一直拔變形也很難保證坯料心部變形充分。而工藝2充分利用4500t快鍛機的大噸位鍛造壓力,使大規格坯料在兩相區經過鐓拔變形,保證了坯料的鍛透性,且利用型砧拔長減少了坯料變形“死區”,使坯料不同部位均得到了充分變形,獲得了破碎細化良好且一致性較好的組織。
(1)采用p相區開坯和兩相區鐓拔+直拔的鍛造工藝,可制備出組織、性能和探傷水平均滿足供貨技術要求的杏350mm大規格TC4鈦合金棒材。
(2)初生a相等軸化良好的組織有利于提高室溫缺口應力斷裂性能,方向一致性較強的短棒狀a相組織會降低缺口應力斷裂性能。

分別在采用兩種工藝鍛造得到的扣50mmTC4鈦合金棒上沿縱向切取長度為75mm的棒材進行兩種溫度的普通退火處理,退火制度分別為Ml(720尤x2h/AC)和M2(790t:x2h/AC)。用肉眼觀察鍛后棒材的低倍組織;分別在鍛造態和退火處理后的棒襯上1/2半徑處沿橫向截取金相試樣,采用0LMPUS光學顯微鏡觀察其微觀組織。在退火處理后的棒材1/2半徑處沿縱向線切割得到試樣坯,機械加工成符合標準的室溫拉伸和缺口應力斷裂性能的測試試樣,采用lnStron4507拉伸試驗機和DN2缺口拉伸試驗機對試樣進行力學性能測試,觀察缺口應力斷裂試樣缺口區域的顯微組織。采用S0NIC-138VFD超聲波探傷儀對兩種工藝鍛造得到的TC4鈦合金成品棒材進行超聲波無損探傷檢測。

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