TC4鈦合金作為一種典型的 α-β 型兩相鈦合金,密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕耐熱性能好,被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等領(lǐng)域 。 隨著越來越多的鈦產(chǎn)品涌入民用領(lǐng)域,TC4鈦合金開始被廣泛研究。 國內(nèi)多位學(xué)者通過高溫下TC4鈦合金的熱壓變形,研究了變形溫度及變形速率對材料流變應(yīng)力的影響,并結(jié)合微觀組織演變確定了材料最佳變形溫度及變形速率范圍 。 寶鈦集團(tuán)、西部鈦業(yè)等鈦產(chǎn)品生產(chǎn)制造企業(yè)采用不同的軋制工藝及熱處理工藝對TC4鈦合金板坯進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn),通過對試樣進(jìn)行金相分析和力學(xué)性能測試,探究了最優(yōu)軋制工藝。 王牛俊等人對TC4鈦合金進(jìn)行鍛造熱塑性變形加工,然后進(jìn)行多火次換向熱軋變形,研究了其組織演變規(guī)律。 徐勇等人通過多道次軋制制備了高強(qiáng)度TC4鈦合金板材,比較分析了多道次換向軋制和單向軋制的TC4鈦合金室溫力學(xué)性能和微觀組織。 目前研究多圍繞在TC4鈦合金熱變形特性研究及軋制工藝開發(fā)方面,對于熱軋過程板坯溫度變化及其全流程溫度 控制方面研究鮮有報(bào)道。

鈦合金軋制與常規(guī)鋼材軋制不同,其軋制溫度窗口窄,導(dǎo)熱性能差,若開軋溫度過高或軋制變形過大均會導(dǎo)致軋件心部溫度急劇升高,組織出現(xiàn)缺陷、塑性變差,導(dǎo)致軋制變形不均、板帶邊裂等問題;軋制溫度過低,將導(dǎo)致軋制力過大,板形難以控制等問題。 此外,軋制溫度也直接影響軋制力模型的準(zhǔn)確性進(jìn)而影響軋件出口厚度精度。

鈦合金板材熱軋生產(chǎn)目前仍依賴人工經(jīng)驗(yàn),采用“邊看邊軋”方式,其自動化程度相比先進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)具有很大差距。 因此,系統(tǒng)研究多道次熱軋過程鈦合金板材溫度變化及分布規(guī)律,變形及力能參數(shù)變化等對于實(shí)現(xiàn)鈦合金板材生產(chǎn)自動化、提升產(chǎn)品良品率及生產(chǎn)效率至關(guān)重要。

鈦合金板軋制過程中對溫度控制要求較為嚴(yán)格,故本文重點(diǎn)研究軋件心部溫度與表面溫度變化情況。 各道次軋后板坯厚度方向溫度場云圖分布如圖1。 隨著軋制道次的進(jìn)行,鈦板坯溫降在厚度方向上逐漸由表面向心部推移,在板坯厚度較大時,表面溫度不斷降低,在第 7,8 道次由于軋件減薄內(nèi)部熱傳導(dǎo)占據(jù)主要作用,表面溫度小幅升高;而心部溫度經(jīng) 8 道次軋后變化不大。軋后板坯表面和心部平均溫度變化如圖2。

隨著軋制的進(jìn)行,在初始幾個道次軋件較厚時,表面與心部溫差不斷增大,到第 6 道次最大溫差達(dá)到 120℃;而第 7 道次后軋件變薄,軋件內(nèi)部熱傳導(dǎo)占據(jù)主導(dǎo)地位,軋件整體溫度開始趨于均勻,軋件表面溫度與心部溫度的溫差減小。

在鈦合金多道次軋制全流程中,隨著軋制道次的進(jìn)行,軋件表面溫度與心部溫度的溫差呈先增大后較小的變化趨勢,在第6 道次軋件表面溫度與心部溫度的最大溫差可達(dá) 120℃。 表面溫差過大易形成較大熱應(yīng)力從而導(dǎo)致表面開裂。

在各道次軋制時變形區(qū)內(nèi)軋件心部溫度均由于塑性功變形生熱而升高,且心部溫度在前 5 道次不斷溫升,累計(jì)溫升約 20℃。 所以在TC4鈦合金熱軋一火次階段,軋件厚度較大時應(yīng)控制道次壓下率不宜過大,一般不應(yīng)超過 25%,以防板坯心部溫度越過相變點(diǎn),塑性變差。

對比模擬得到的軋件表面溫度、各道次穩(wěn)定軋制力與現(xiàn)場實(shí)測表面溫度、軋制力發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果均在允許誤差范圍內(nèi),說明本文建立的TC4 鈦合金板材多道次軋制有限元模型可靠,其分析結(jié)果對實(shí)際制定鈦合金多道次軋制工藝規(guī)程具有一定的指導(dǎo)意義。

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