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钛棒及钛合金棒丝材轧制工艺研究

钛棒

钛合金是普遍地运用于航空航天技术范畴的高性能资料,其重量轻、强度高、韧性好、耐腐蚀是其最显著的特性。关于制造汽车来说,在众多的金属资料中钛合金是独一同时具有高强度、低密度,极好的抗疲倦和耐腐蚀性能,以及较低的弹性模数的资料,因而它是非常理想地制造汽车的资料。此外钛合金也普遍地应用于医疗器械、化工设备、军工(军用TC4钛棒钛板)及运动器(钛高尔夫球杆)材等范畴。由于加工工艺复杂,所以资料价钱昂贵,这是形成产品价钱较高的主要缘由。钛合金和很多合金金属一样,也是由钛与一些有用的金属成份组成,以满足对资料性能的请求,但其主要成份中钛占到90%以上。在航空航天技术中普遍应用的是两种合金,既Ti6AL4V(6%铝,4%钒,90%钛)和Ti3AL2.5V(3%铝,2.5%钒,94.5%钛)。


TC4钛合金具有良好的室温及高温力学性能,被广泛用于制造航空结构件和航空发动机的风扇、鼓筒等,已占到航空用钛合金总量的50%以上。飞机的诸多承力结构件,尤其是变截面结构件要求原材料钛棒具有很好的缺口应力断裂性能,目的在于保证零件在高应力集中的状态下具有较强的抑制裂纹萌生和扩展的能力,而不致于断裂失效。国内相关技术标准中该类型TC4钛合金棒材规格的上限为(;>220mm。目前,未见国内外关于要求缺口应力断裂性能的TC4钛合金棒材制备工艺研究的公开报道。一般认为,TC4钛合金中的氢含量较高或者组织均匀性较差会降低其室温缺口应力断裂性能⑴。在工业化批量生产中,因工艺不当导致此类棒材的缺口应力断裂性能不合格的现象也较为常见。

当中下辊过料时,轧制力对中辊不断冲击,使斜楔的防松装置迅速失效,中辊固定的稳定状态被破坏;调整好的孔型,随着中辊同定稳定状态被破坏而发生变化,影响钛棒尺寸的稳定性,最终影响成品质量;在轧制过程中,为了防止胶木瓦结构发热磨损,盅要浇注冷却水对胶木乩进行冷却和润滑,冷水往往会喷飕到轧辊表面上,使得坯料表而溢降很快,特别是轧制钛及钛合金时,由于钛及钛合金导热性差,坏料内外温度相差会更大,不利于坯料的均匀变形,轧制精度得不到保证;斜楔侧面固定方式摩擦阻力大,轧制时的电能消粍也大,即便是采用630kW的电机也会经常发生闷车现象,影响生产。250轧机由胶木瓦结构改为轴承结构后轧制的钛及钛合金棒材尺寸稳定,外表面质量提高,成品率提高。

按照现技术标准提供超规格范围的直径350mmTC4钛合金棒材,在保证力学性能指标不变的前提下,要求超声波探伤水平由原较小规格棒材的GB/T5193中的B级提高至A级,因此开展了特殊需求的大规格TC4钛合金棒材制备的相关工艺研究。采用两种工艺制备的<^50mmTC4钛合金棒材锻造态的低倍组织。从图1可以看出,采用工艺1制备的TC4钛合金棒材的低倍组织均匀性较差,呈现从边缘部位的模糊晶逐渐向中心部位的半清晰晶过渡的现象;采用工艺2制备的棒材低倍组织均匀性良好,整个试样均为模糊晶状态。这说明采用工艺1进行锻造,铸锭和中间坯料心部组织被破碎和细化的程度不够,这与其总变形量较小直接相关,由于钛合金变形抗力较大,加之大规格钛棒坯料的体积大,单一直拔变形也很难保证坯料心部变形充分。而工艺2充分利用4500t快锻机的大吨位锻造压力,使大规格坯料在两相区经过镦拔变形,保证了坯料的锻透性,且利用型砧拔长减少了坯料变形“死区”,使坯料不同部位均得到了充分变形,获得了破碎细化良好且一致性较好的组织。
(1)采用p相区开坯和两相区镦拔+直拔的锻造工艺,可制备出组织、性能和探伤水平均满足供货技术要求的杏350mm大规格TC4钛合金棒材。
(2)初生a相等轴化良好的组织有利于提高室温缺口应力断裂性能,方向一致性较强的短棒状a相组织会降低缺口应力断裂性能。

分别在采用两种工艺锻造得到的扣50mmTC4钛合金棒上沿纵向切取长度为75mm的棒材进行两种温度的普通退火处理,退火制度分别为Ml(720尤x2h/AC)和M2(790t:x2h/AC)。用肉眼观察锻后棒材的低倍组织;分别在锻造态和退火处理后的棒衬上1/2半径处沿横向截取金相试样,采用0LMPUS光学显微镜观察其微观组织。在退火处理后的棒材1/2半径处沿纵向线切割得到试样坯,机械加工成符合标准的室温拉伸和缺口应力断裂性能的测试试样,采用lnStron4507拉伸试验机和DN2缺口拉伸试验机对试样进行力学性能测试,观察缺口应力断裂试样缺口区域的显微组织。采用S0NIC-138VFD超声波探伤仪对两种工艺锻造得到的TC4钛合金成品棒材进行超声波无损探伤检测。

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