發布日期：2020-11-28 11:27:10
鈦合金比強度高、耐腐蝕性強、無磁、機械性能好，是一種優質輕型結構材料、新型功能材料和重要生物工程材料。當前鈦合金板帶材市場需求較大，約占鈦加工材的 1/3。但鈦板軋制溫度窗口窄，導熱性能差，開軋溫度過高或軋制變形過大均會導致軋件中心區域溫度急劇升高，使板坯溫度分布不均，厚度方向出現組織差異，進而導致塑性變差，軋制變形不均、邊裂等問題；軋制溫度低，軋件加工硬化嚴重，導致軋制力過大，增加鈦合金板軋制難度，故鈦板軋制生產過程中板坯溫度控制極為關鍵。本文圍繞典型 TC4鈦合金熱軋生產工藝，從控溫軋制角度出發，結合某廠鈦合金板材現場生產工藝，對TC4鈦合金板材多道次軋制開展實驗研究及有限元仿真分析，為制定鈦合金板帶熱軋工藝規程提供了理論依據。
利用 Gleeble-3800 熱模擬試驗機測定 TC4 鈦合金材料高溫流變應力，分析溫度和變形速率對流變應力的影響規律，并利用熱加工圖研究 TC4 鈦合金的熱加工范圍。通過熱軋實驗研究了橫縱軋道次壓下率分配對 TC4鈦合金板各向異性的影響，發現當橫縱軋道次壓下率分配為 1:1 時，材料各向異性基本消除。
開展TC4鈦合金板換熱實驗與軋制實驗，測定試樣指定位置多點溫度變化，并建立實驗工況有限元仿真模型，通過反傳熱計算及正向模擬驗證確定 TC4 鈦合金板與空氣間的綜合換熱系數、與軋輥間接觸換熱系數。
建立TC4鈦合金板帶熱軋有限元模型并利用工業現場數據驗證了有限元模型可靠性，進而對不同軋制工藝參數及多參數耦合軋制工況進行了仿真分析。結果表明影響熱軋板坯溫度分布的主要因素為軋制速度與道次壓下率。結合某廠 TC4 鈦合金典型軋制生產規程建立三維全流程軋制仿真模型，對各道次鈦合金板軋后溫度分布、板坯寬展變形規律與寬向溫度均勻性進行了研究。結果表明板寬邊部 50mm 范圍內，軋件溫降明顯，與軋件內部最大溫差超過 50℃，溫度分布不均是導致軋件邊部變形不均及開裂的主要原因。軋件較厚時，沿厚度方向邊部寬展變形呈近似“雙鼓”形，隨著軋制道次的進行，后呈“凸”形，且寬展量隨板厚減小而減小。
在有限元模擬基礎上確定了熱軋 TC4 鈦合金軋制溫度窗口，給出了鈦合金板帶軋制工藝制度指導性原則，并結合現場實際軋制工藝開發了鈦合金熱軋工藝規程軟件。通過控制軋制工藝參數，實現對鈦合金板坯溫度的全流程調控。
通過對不同軋制工藝參數及熱軋溫度、壓下率、軋制速度、入口板厚等多參數耦合的不同軋制工況 TC4 鈦合金板熱軋仿真模擬分析，定量化研究軋制過程中板坯表面及心部溫度變化，分析了影響板坯表面及心部溫度的主要因素。為制定 TC4 熱軋工藝規程提供了軋制窗口范圍，本章將根據某廠鈦合金熱軋生產工藝制定鈦合金板熱軋工藝規程并編制開發軋制工藝規程軟件。
鈦合金板材軋制工藝規程制定
依據軋機設備情況、生產量及對產品質量的要求，多數鈦材生產企業采取的鈦合金板帶的生產工藝流程為：初軋或鍛造板坯—表面處理—熱軋—退火—酸洗—軋制—真空退火—成品剪切—鈦板或鈦卷。其中熱軋階段多采用多火次多道次可逆軋制。該階段工藝制度的制定主要包括坯料設計、壓下制度、速度制度、溫度制度等幾個方面。
1）坯料準備
純鈦及低合金化合金牌號可用模鍛、軋坯或扁錠形式供坯，高合金化合金牌號仍需進行自由鍛。板坯厚度由成品厚度及軋制工序所要求的總壓下率及軋機能力、開口度等確定，板坯寬度取決于成品寬度，板坯長度受熔煉、鍛造設備及加熱爐等限制。
由于鈦板各向異性明顯，目前只能通過換向軋制來減小各向異性，同時換向軋制也能改善板坯的熱軋性能。對于多個火次軋制過程，換向一般在火次之間、分切板坯后進行。換向軋制亦可以在火次內進行，即采用橫縱軋形式進行軋制，但軋制過程需要進行兩次轉坯，影響軋制節奏及溫降，如圖 1 所示。
2）坯料設計
坯料設計分為兩個階段：母板設計和板坯設計。母板設計是要在符合生產工藝設備約束前提下，考慮剪切損失和切損最優化原則，確定母板規格及其各訂單子板組合方式，常見母板組合方式有一維組合和二維組合，如圖2 所示。板坯設計應綜合考慮展寬比、壓縮比等相關約束為母板選擇合適板坯斷面，以滿足需求并提高成材率。
鈦合金板主要以小批量、多品種規格生產為主，且由于軋制溫度窗口窄，其軋制過程往往需要 2~3 個火次（最多不超過 4 個火次）來完成，各火次完成后需進行剪切和分切處理，中斷后的中間坯在后續生產中采用寬變長來進行下一火次軋制，如圖3，因此熱軋鈦合金坯料設計相比傳統板帶鋼較復雜。
目前鈦合金板材軋制生產加工尚處于訂單式生產階段，鈦合金母板、坯料設計與訂單情況及庫存板坯供應情況密切相關，坯料設計主要由工藝設計員完成，即人工決定各訂單子板的組合方式、母板和板坯規格等，每一火次進行一次板坯設計。
再將該火次坯料作為子板來設計上一火次母板和坯料。
3）工藝制度
目前鈦合金板帶生產多采用可逆軋制，而可逆軋制工藝制度制訂的內容主要包括壓下制度、速度制度及溫度制度。由于鈦合金流變應力和組織對溫度和應變速率非常敏感，在制定壓下制度、速度制度及溫度制度時要綜合考慮材料特性、壓下率、軋制速度及軋制溫度的耦合作用。
3.1、壓下制度
壓下制度的內容包括軋制火次、軋制方式、各火次軋制道次數及道次壓下量（率）等。由于鈦合金軋制溫度窗口窄，其軋制過程往往需要 2~3 個火次（最多不超過 4個火次）來完成。軋制火次數主要根據母板及坯料尺寸，軋制材料所允許的總加工率確定。
(1)總加工率：影響總加工率的有金屬塑性、板坯質量和軋機能力等，通常情況下，應盡量采用較大的總加工率。TC4 一個火次總變形率一般不超過 75%。
(2)道次壓下率：純鈦具有較好的工藝塑性，最大道次壓下率可達 40%，而 TC4等高合金化板坯工藝塑性較差，道次壓下率一般不應超過 30%。
(3)軋制方式：目前在鈦合金生產中，通過換向軋制來改善板坯熱軋性能、控制產品橫縱向力學性能差異。各向異性軋制實驗表明，橫軋與縱軋階段總壓下率相當時，產品各向異性控制地比較理想。故建議橫軋階段加工率占總加工率的 30%~50%。對于一個火次內采用橫縱軋方式生產時，橫軋一般安排在前 3個道次。
(4)道次壓下率分配：道次壓下量分配的總體原則是由小變大，由大再變小。厚板坯（180mm 以上）在咬入階段，壓下率一般不超過 20%。為了控制成品尺寸精度，最后幾個道次一般采取小壓下率。因此在咬入條件限制消除后，在溫升不超過相變點的前提下應盡量提高壓下率，為最后幾個道次提供充足的調整空間和工藝溫度。
采用軋機能力越大，道次壓下率越大，但必須限制在板坯塑性允許范圍內。
3.2、溫度制度
溫度制度包括開軋溫度、道次軋制溫度、終軋溫度等，也包括軋制延續時間、間隙時間等。
從相變和再結晶角度，TC4 的熱軋最大溫度范圍為 750~990℃，結合工圖其熱軋溫度范圍盡量保持在 800~950℃之間。在實現軋機輥縫調整、軋機反向啟動、軋件回送等動作的前提下，道次間隙時間一般盡量短，然而在變形量大、軋件心部溫升較大、表面心部溫差較大時，可通過適當延長道次間隙時間，使軋件溫度趨于均勻。
3.3、速度制度
速度制度包括各道次軋制時的咬入速度、拋出速度、穩定軋制速度等。開軋階段，為防止咬入造成悶車、斷輥等事故，同時避免變形溫升過大，一般采用低速1~1.5m/s。在中間軋制階段，隨著軋件的減薄可提高軋制速度，但軋制速度一般不超過 3m/s。某廠 1200mm 四輥可逆式熱軋機軋制鈦及鈦合金板材時，所采用的軋制速度見表1。
3.4 軋制規程制定
根據軋機機組配置情況可對軋制力、軋制力矩、電機功率、軋制速度上限等條件進行判斷。軋制初始溫度、終軋溫度、壓下率等工藝參數的確定與材料特性密切相關。表2為TC4 鈦合金的壓下量/壓下率的約束條件。表3給出 TC4 鈦合金的軋制溫度范圍及推薦的溫度制度。
