TC4钛合金拉拔工艺探索

TC4钛合金拉拔工艺探索

摘要：通过对TC4钛合金棒线材冷拉拔加工过程展开研究，选择合理的冷拉拔加工工艺参数，实现了TC4钛合金室温下的冷拉拔生产。

关键词：TC4钛合金冷拉拔加工工艺参数

前言：钛合金具有的良好的耐蚀、比强度、无磁性及高低温性能等特点成为令人瞩目的高性能新材料，二十世纪五十年代以后在军用和民用领域应用都极具活力。在航空航天领域，钛和其合金主要用于航空航天和军事工业上面，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右：在民用方面，高尔夫球头、民用自行车、各种钛制容器（压力容器，化学、电镀液槽）等也进入了人们的生活：医学领域，医用钛合金无毒质轻、比强度高。具有的极好的生物相容性和耐腐蚀性，也是较为理想的医用金属材料、可用于作植入人体的植入物等。此外，建筑行业、农业和畜牧业、核工业、军械方面、汽车行业都出现了良好的发展势头。

TC4（Ti-6Al-4V)钛合金是上世纪五十年代发展起来的一种中等强度α+β两相型钛合金，它含有6%α稳定元素铝和4%β稳定元素钒。该合金凭借其高强度、高的比强度和良好的高温蠕变性等优异的的综合性能，成为航空航天工业中重要的结构材料。这种合金不仅室温抗拉强度极高，而且在高温下也具有较高的抗拉强度。TC4（Ti-6Al-4V)钛合金是各种钛合材料中应用最广泛的一种双相型钛合金，它具有优良的综合性能、良好的工艺塑性、超塑性和耐腐蚀性，适用于各种压力加工成形及各种方式的焊接和机械加工，同时对热应力也存在一定的敏感性TC4钛合金的室温强度高，在150-350℃间具有较好的耐热性。此外，还具有良好的焊接性，焊后不作任何处理即可使用，也可以通过焊后固溶处理和时效处理进一步获得强化。TC4钛合金连接件作为钛合金应用的重要手段，有着简化部件整体加工工序、提高材料利用率、降低成本、减轻结构重量、提高生产效率等方面的优势。在汽车领域中用钛丝制成的弹簧可减重50% ；钛合金线材制成的铆钉连接件已普遍应用于航空航天飞机上；在海水养殖方面，用钛丝织成的养殖网使用15年后仍毫无损坏，且无毒不污染环境；在工具、连接件方面，钛丝用作钛屋顶连接用螺丝、穿孔螺栓

的大量应用，其线材作为焊丝的应用领域也进一步扩大，近年在国内已形成一个稳定的市场，此外还广泛应用于食品化工、舰艇、移动电话天线及饰品等领域。综上所述，钛合金棒线材有巨大的市场潜力，研究钛合金棒线材生产加工有很广阔的发展前景。

一、TC4（Ti-6Al-4V)钛合金的化学成分及其特点

TC4含钛(Ti) 余量,铁(Fe)≤0.30,碳(C)≤0.10,氮(N)≤0.05,氢(H)≤0.015,氧(O)≤0.20,铝(Al)5.5～6.8,钒(V)3.5～4.5

TC4钛合金的名义成分为Ti-6Al-4V，实际生产中随着工艺操作的变动会有所误差，合金元素的高低及杂质含量多少都会影响材料的变形性能，此外材料在热变形过程中的氧化和吸氢吸氮也会影响材料的加工性能。对经热拉拔变形后的TC4钛合金坯料进行成分分析，大多的TC4拉拔坯料成分中，Al、V元素含量比名义成分偏高，其中Al元素作为唯一有效的α型稳定元素，在高低温都起到强化基体的作用，同时还可以降低合金的比重，其含量的提高可以是材料强度提高。Si元素则易在位错附近偏聚，从而有效阻止位错攀移，提高合金的抗蠕变性。合金成分中未发现H、O等被视为有害的元素，证明材料的成分良好，有利于成形加工。

二、钛合金棒线材的生产方式

钛合金棒线材的生产方式有多种，归纳起来有：旋锻、轧制、拉拔。采用旋锻和轧制虽然生产率可以得到一定提高，但这两种工艺在进行成加工时难以保证产品的尺寸精度和表面质量，并且线材细化到一定程度后，采用拉拔工艺能获得更好的组织性能和表面精度。在日本，钛加工材的生产则是采用钢铁加工设备进行，根据钛材固有的特性，在设备、工艺上不断改进，以提高生产率，改善加工钛材的尺寸精度及表面质量，满足不同用途的使用要求，但钢铁加工设备复杂，生产缺少了灵活性，不符合钛合金棒线材生产批量小品种多的特点；国内一些学者提出了辊模拉拔法。其原理是靠施加在金属上的拉拔力带动轧辊转动来实现金属变形，主要特征

面质量相对较差。进一步提高拉轧线材的质量，则需要采用拉拔工艺，使材料在两向压应力单向拉应力状态下实现均匀连续的变形；Weiss和Kot在1969年提出了无模线拉拔的概念，其后有许多学者对此展开了研究工作，其原理是在材料的临界温度下变形从而减少材料变形的回弹量，提高尺寸稳定性，也避免了材料与模具之间剧烈的摩擦。M.D.Naughton和P.Tieman前两年研究了无模线拉拔系统所要满足的工艺条件，不幸的是无模线拉拔所要求的材料具有良好的塑性，这与钛合金的变形特点相矛盾，且该方法的拉线速度太小、精度难以控制而不能满足工业生产的需求。实际生产中一般采用的生产工艺流程为：

盘条精整→检验→固溶处理→浸沾润滑涂层→烘干→拉拔→酸洗→精整→检验→固溶处理→浸沾润滑涂层→烘干→拉拔→酸洗→固溶处理→检验→包装→入库。根据生产实践经验，在上述生产过程中，影响丝线材表面质量的关键工序是拉拔。

为了获得良好的钛合金线材质量，人们针对钛合金拉拔开展了大量的研究。

（一）改进加工工艺通过不断改进、完善钛合金线材的加工工艺，并采用各种新兴技术扩展钛合金丝线材产品的规格品种。通过调整常规拉拔中拉模形状、模角ａ、道次压缩率、反拉力和润滑条件，对改善金属拉拔时出现裂纹、断裂等情况有一定作用；采用锟模拉伸可增加道次加工率、降低加工硬化程度，减少了退火次数，然而其线材尺寸不够细化；无模拉伸不需要拉模和润滑剂，变形率大，效率高，缺点是成品尺寸均匀性差，质量不稳定。到目前为止人们还在努力寻找高效节能质优的钛合金线材生产工艺。

（二）改善组织目前大多数金属都可以通过细化晶粒增加强度、提高塑性，晶粒细化使材料的内界面增加，提高了晶界滑动、界内位错运动及扩散运动的能力，变形更加均匀协调，低温、高速变形条件下晶界滑动也能较大比例。钛合金的超塑变形行为强烈依赖于晶粒尺寸，晶粒尺寸减小可使材料获得最佳的应变速率提高或变形温度降低，同时还可使材料在常温下具有优异的力学性能。晶粒越细小，其比表面积越大，为晶界滑移提供了大量晶界，与此伴生的应力集中也增多，它们集中在晶界及其附近，从而导致晶内位错滑移也集中在晶界及其附近，起到了协调晶界滑移的作用；同时，晶粒越细小，等轴性越好，产生的空洞尺寸也越小、晶粒的滑