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TC4钛合金板带高温成形性能研究

文字来源：深圳市恒溢钛业有限公司人气：375发布时间：2018-11-29【小中大】

TC4钛合金板带高温成形性能研究
　　金属钛具有轻质、高强度、耐腐蚀和高温性能好等优点，具有重要的应用价值和广阔的应用前景，因而被称为“第三金属”和“21世纪的金属”[1-2].
　　板带材是钛加工材的主要产品，占钛加工材消费量的60%以上，主要应用于国防、军工、航空航天、石油化工、制盐制碱、冶金、船舶制造、海滨电站及医疗和体育等行业.随着经济的发展和科技的进步，钛板带材的市场需求量也在快速提高，这给钛板带加工技术与装备的发展带来了机遇，但同时也对产品的力学性能、尺寸公差、表面质量和使用性价比等提出了更高的要求[3-8].
　　相比于钢铁、铜、铝等金属板带材，钛板带材属应用领域高端和发展前景看好的新型高强度、轻质材料，但其生产技术要求高、工艺难度大，这尤其体现在热轧变形抗力高、加工硬化程度大、热变形温度范围窄等方面.
　　（1）钛的晶体结构为hcp（密排六方），力学性能呈现出显著的各向异性，常温下仅有3个滑移面（基面、棱锥面、棱柱面）和1个滑移方向（钛有两种同质异晶体：882 ℃以下为hcp结构的α钛，882 ℃以上为bcc（体心立方）结构的β钛）.
　　（2）钛在高温下与氧亲和力强，氧元素不断向基体扩散，在钛内部形成硬脆?樱?使其塑性降低.另外，在还原性气氛中加热时，钛的吸氢效应特别强烈，该效应会使氢扩散到金属内部，降低其塑性[9-11].
　　由于以上原因，钛板带材的热轧工艺和热轧机等加工设备需要针对其特性进行专门的开发和设计，而设计必须依据准确的材料性能参数等数据，如钛在不同温度和应变速率下的屈服强度、高温下的热导率、热辐射系数、表面氧化皮的化学成分及厚度、应力应变曲线特征等.
　　1 试验材料与方案
　　1.1 试验材料
　　试验材料选择某企业生产的TC4钛合金锻打坯料，其化学成分见表1.相比于工业纯钛，TC4钛合金的成分为Ti6Al4V，属于（α+β）型钛合金[12-13]，具有良好的综合力学性能，在钛合金品种中的应用最广泛，产品的市场需求量也最大.
　　1.2 试验方案
　　TC4钛合金的高温力学性能主要包括不同温度条件下的屈服强度σs、抗拉强度σb、伸长率δ5、比热值、热导率、热辐射系数等，以及在不同温度和应变条件下的应力应变曲线特征.根据试验要求分别制作所需试样后，在700～1 100 ℃温度下，对TC4合金进行拉伸、温降等试验.同时，制作热模拟试样，在700～1 100 ℃、工程应变20%以及1，5，10，30和50 s-1的应变速率下，进行热力模拟试验.
　　另外，对厚度为8 mm的热轧板以及热轧后再进行退火的TC4合金板材分别进行表面氧化皮成分和厚度的试验测定和分析.
　　2 高温力学参数
　　温度分别为700，800，900，1 000和1 100 ℃条件下的TC4钛合金的应力应变曲线如图1所示.
　　TC4钛合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率等高温力学性能的测试结果见表2.
　　从图1和表2中可以看出，TC4钛合金的屈服强度σs和抗拉强度σb均随温度的升高而降低.温度在700～1 100 ℃时，TC4钛合金的屈强比分别为0.85，0.64，0.45，0.48，0.43，屈强比大致随温度的升高而降低.当温度为900 ℃时，TC4钛合金的伸长率达到最大值，为470%，此时对应的屈服强度σs和抗拉强度σb分别为10 MPa，22 MPa.TC4钛合金的伸长率在700 ℃和1 000 ℃时相对较低，最低值为95%.
　　在700 ℃出现伸长率较低的原因是，温度较低时，TC4钛合金没有达到动态再结晶的温度，动态再结晶不能进行，也无法获得细小等轴的晶粒组织.同时，TC4钛合金在此温度下很难发生αβ的相转变.TC4钛合金的α相为hcp结构，β相是bcc结构，hcp结构的滑移系少于bcc结构的滑移系.因此，hcp结构合金的塑性成形能力较差，伸长率低.当温度为1 000 ℃时，TC4钛合金在变形过程中虽然达到了动态再结晶的温度，但由于变形温度较高，TC4钛合金试样在拉伸过程中其动态再结晶晶粒迅速长大，组织和晶粒粗化严重，造成其塑性成形能力较低.

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