引言

TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金綜合性能優(yōu)異,已廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程和生物醫(yī)療等領(lǐng)域,是目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金[1-3],其占鈦合金應(yīng)用總量的50%以上[4]。TC4鈦合金屬于典型的難加工材料,其成形困難,常采用熱加工方式獲取半成品或成品[5-6]。常見的鈦合金熱加工方式包括:鍛造、軋制及擠壓等,其中軋制是高效生產(chǎn)鈦合金板、帶、管及棒等的主要方式。當(dāng)前,較多學(xué)者基于理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及有限元模擬研究了TC4鈦合金熱變形行為、組織演變及工藝參數(shù)影響,但研究工藝多集中在鍛造領(lǐng)域。針對(duì)TC4鈦合金熱軋制的研究較離散,關(guān)于TC4鈦合金熱軋制工藝對(duì)軋件組織、性能及缺陷等研究也亟需系統(tǒng)性的梳理。

因此,本文以TC4鈦合金為研究對(duì)象,綜合評(píng)述了該合金在熱軋過程中組織演變及性能控制機(jī)理,展望了該合金熱軋制技術(shù)的發(fā)展方向。首先基于TC4鈦合金軋件特點(diǎn),分別闡述了板帶箔及管棒材軋制的工藝特點(diǎn)。歸納了該合金熱軋時(shí)組織演變機(jī)理,考慮了軋制工藝參數(shù)對(duì)組織和性能的顯著影響,同時(shí)關(guān)注了TC4鈦合金熱軋時(shí)缺陷形成機(jī)理,進(jìn)而論述了數(shù)值模擬在熱軋工藝研究中的重要應(yīng)用。

1、TC4鈦合金熱軋件分類及加工工藝

基于TC4鈦合金熱軋件特點(diǎn),將該合金半成品或成品分為兩大類:板帶箔材和管棒材,分別歸納兩大類軋件的熱軋工藝技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1.1板帶箔軋制

TC4鈦合金熱軋加工可以獲得各種板帶箔材產(chǎn)品,以下介紹幾種常見的板帶箔熱軋工藝:單向軋制、交叉軋制、異步軋制和包覆疊軋。

1.1.1單向軋制和交叉軋制

常見的單向軋制(圖1a)是沿著板材的一個(gè)方向完成多道次軋制工藝,單向軋制的軋件由于晶粒的擇優(yōu)取向容易形成基面織構(gòu),導(dǎo)致板材呈現(xiàn)強(qiáng)烈的各向異性[7-8]。交叉軋制如圖1b所示,在每道次軋制完之后改變軋向90°進(jìn)行間隔軋制,或是在完成一個(gè)方向的多道次軋制后轉(zhuǎn)向90°再進(jìn)行一輪軋制[9]。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)[10-12]證明交叉軋制工藝相較于單向軋制能夠有效得弱化鈦材軋制織構(gòu),顯著改善合金的各向異性。

趙帥[11]研究了單向軋制和交叉軋制兩種熱軋方式對(duì)TC4鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,單向軋制(圖2a)下鈦合金板材在<0001>方向呈現(xiàn)擇優(yōu)取向,表現(xiàn)出強(qiáng)烈的各向異性;交叉軋制(圖2b)后板材晶粒取向更均勻,其各向異性明顯降低。雖然交叉一次后TC4鈦合金力學(xué)性能略有下降,但當(dāng)交叉次數(shù)達(dá)到兩次時(shí),該合金性能得到改善。RD方向的抗拉強(qiáng)度較接近TD方向,而TD方向的屈服強(qiáng)度明顯高于RD方向。雖然文獻(xiàn)[11]中反映了交叉軋制和單向軋制的異同點(diǎn),但其忽略了實(shí)際生產(chǎn)中,尤其是多火次軋制成形時(shí),交叉次數(shù)多高于兩次,應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提升交叉換向的次數(shù),研究其組織和性能演變的規(guī)律。

1.1.2異步軋制

軋制力不對(duì)等是異步軋制最顯著的特征[13],上下工作輥表面線速度或輥徑不等,在變形區(qū)會(huì)形成搓軋區(qū),從而增加變形區(qū)域的剪切變形量。根據(jù)穿帶形式的不同,異步軋制常分為4種,如圖3所示。

異步軋制所需要的軋制力明顯低于同步軋制[14],在軋制精度上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同步軋制,適用于板帶,尤其是極薄帶材的生產(chǎn)。異步軋制中的剪切應(yīng)變更容易激活TC4鈦合金潛在的滑移系,從而有利于改善合金的塑性變形能力,同時(shí)剪切應(yīng)變有利于晶粒破碎獲得細(xì)晶粒,從而通過晶粒細(xì)化的方式提高合金的力學(xué)性能[15]。

LIJP等[12]研究了不同輥速比的異步熱軋對(duì)TC4鈦合金組織和力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明輥速比為1.0時(shí),軋后板材晶粒呈帶狀,并平行于軋制方向,如圖4a所示;當(dāng)輥速比提高至1.1和1.2時(shí),晶粒呈等軸狀,為典型的再結(jié)晶晶粒形貌,如圖4b和4c所示。此外,白小雷等[16]采用與LIJP等[12]相同的輥速比進(jìn)行異步軋制,發(fā)現(xiàn)隨著輥速比的增加,晶粒變得更加均勻細(xì)小,性能顯著增加,如圖4d所示。綜合考慮,TC4鈦合金采用輥速比為1.1時(shí)的異步軋制,其組織與性能匹配相對(duì)最優(yōu)。

1.1.3包覆疊軋

包覆疊軋是將單層或多層軋制板材用同種或其他金屬包覆(圖5),通過熱軋加工成薄板的軋制工藝[17]。該軋制方式可以有效改善鈦合金板材加工時(shí)受力不均的現(xiàn)象,提高軋件的火次加工效率和組織性能[18]。TC4鈦合金在一火或多火大壓下量熱軋時(shí),易出現(xiàn)邊裂等質(zhì)量缺陷,而采用包覆疊軋工藝能有效減弱邊裂現(xiàn)象,從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。通常,采用鋼板或純鈦板作為TC4鈦合金包覆疊軋的包覆層[19]。

張國(guó)霞等[20]通過3種不同軋制方式獲得TC4鈦合金薄板,并研究了其室/高溫性能。與另外兩種軋制方式對(duì)比,經(jīng)包覆鋼板多片疊軋的板材組織更加細(xì)勻,如圖6所示,其室/高溫性能明顯優(yōu)異。尤其是,該方式下所獲得的TC4鈦合金板材在920℃下進(jìn)行高溫拉伸時(shí),可進(jìn)入超塑性狀態(tài),伸長(zhǎng)率可達(dá)1120%。因此,實(shí)際生產(chǎn)中可以嘗試借鑒超塑性成形生產(chǎn)TC4鈦合金薄板,不僅可避免鈦合金板材開裂情況,而且能獲得組織和性能匹配性較優(yōu)的產(chǎn)品。

1.2管棒材軋制

與鋼鐵等金屬材料相比,鈦合金耐蝕性較強(qiáng),在石油開采、鹽堿工業(yè)、海洋工程等領(lǐng)域已受到廣泛應(yīng)用[21]。考慮產(chǎn)品服役周期和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,鈦合金管具有更高的應(yīng)用價(jià)值,如國(guó)內(nèi)外已在石油開采等領(lǐng)域使用TC4鈦合金無(wú)縫管。鉆孔擠壓和斜軋穿孔是生產(chǎn)鈦合金無(wú)縫管的主要方式[22]。李寶霞等[23]通過斜軋穿孔+熱軋的方式生產(chǎn)大規(guī)格TC4鈦合金管材,如圖7所示。其中,觀察距離外管壁20~25mm處縱向和橫向斷面組織,發(fā)現(xiàn)管材不同方向組織均勻,熱軋組織是網(wǎng)籃組織與魏氏體結(jié)合體。通常,相較于擠壓+機(jī)械加工生產(chǎn)大規(guī)格鈦合金管材,采用斜軋穿孔+熱軋的方式可以大幅度提高材料的利用率。

傳統(tǒng)橫列式軋機(jī)生產(chǎn)的鈦合金棒材成品質(zhì)量和規(guī)格有限,生產(chǎn)效率偏低[24]。為了穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和加速產(chǎn)品生產(chǎn)周期,國(guó)內(nèi)外目前普遍采用熱連軋方式來(lái)生產(chǎn)小規(guī)格鈦合金棒材,采用大變形量加工技術(shù)制備鈦及鈦合金棒材也是實(shí)際生產(chǎn)中采用最多的辦法,在保障材料力學(xué)性能的前提下,盡可能采用大的道次變形量制備鈦的棒材,從而減少加工道次,提高材料利用率,降低鈦合金棒材的加工成本。黃帆等[24]對(duì)熱連軋機(jī)組中的預(yù)精軋機(jī)組孔型系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)化孔型較原孔型生產(chǎn)的TC4鈦合金熱連軋棒材顯微組織更加均勻、晶粒尺度更細(xì)小,力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)明顯。LOPATINNV[25]采用有限元方法模擬和實(shí)驗(yàn)分析,研究了螺旋軋制對(duì)TC4鈦合金顯微組織演變的影響,結(jié)果表明球狀晶粒的尺寸在表面點(diǎn)和軸心點(diǎn)分別為10和13μm左右,加工后的棒材中晶粒尺寸明顯增加,球化過程與晶粒增長(zhǎng)同時(shí)發(fā)生(圖8)。熱連軋技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)橫列式軋機(jī)具有多方面顯著優(yōu)勢(shì),包括提高生產(chǎn)效率,改善產(chǎn)品質(zhì)量,減少加工道次,適應(yīng)多樣化需求以及節(jié)能環(huán)保。連續(xù)性的軋制工藝不僅可以縮短生產(chǎn)周期,降低成本,而且可以保持產(chǎn)品一致性,減少?gòu)U品率,使其成為制備小規(guī)格鈦合金棒材等領(lǐng)域的首選方法。

2、TC4鈦合金在熱軋過程中的組織演變

在TC4鈦合金的熱軋工藝中,組織結(jié)構(gòu)的質(zhì)量直接決定了材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性及疲勞壽命。

因此,深入研究TC4鈦合金在熱軋過程中的組織演變規(guī)律尤為重要,涵蓋了晶粒生長(zhǎng)、取向分布和相變等多個(gè)方面。為了在熱軋過程中獲得更高質(zhì)量的TC4鈦合金軋件,仍需進(jìn)一步探索如何實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化、提升力學(xué)性能以及有效控制相變。

2.1晶粒細(xì)化

金屬和合金的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化是提高材料綜合性能的有效方法[26],晶粒尺寸較小的金屬和合金比粗晶粒對(duì)應(yīng)物在強(qiáng)度和塑韌性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[27]。在超細(xì)晶粒TC4鈦合金的研究中,劇烈塑性變形(SeverePlasticDeformation,SPD)技術(shù)已經(jīng)成為近十多年的研究熱點(diǎn),但高壓扭轉(zhuǎn)[28]、等通道角擠壓[29]、多向鍛造[30]和異步軋制等SPD技術(shù)在工業(yè)化量產(chǎn)TC4鈦合金成品件方面仍存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。目前,大變形軋制仍然是生產(chǎn)超細(xì)晶粒TC4鈦合金的有效工業(yè)化量產(chǎn)手段[31],大變形熱軋工藝在塑造鈦材形狀的同時(shí),也能有效地細(xì)化晶粒,研究表明[32]動(dòng)態(tài)再結(jié)晶(DynamicRecrystallization,DRX)在TC4鈦合金晶粒細(xì)化中發(fā)揮著重要作用,動(dòng)態(tài)加工過程中,大量位錯(cuò)在晶界處纏結(jié)形成亞晶,從而形成新的細(xì)小晶粒,而連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶在晶胞內(nèi)部通過形核長(zhǎng)大形成新的細(xì)小晶粒,從而達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的效果。WANGX等[33]研究了TC4鈦合金熱加工過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)組織細(xì)化的作用。如圖9所示,當(dāng)應(yīng)變小于1.01時(shí),α相的形貌沒有太大變化,而當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥?.43時(shí),殘留的原始α相顆粒呈現(xiàn)拉長(zhǎng)狀,再結(jié)晶晶粒增多。這表明單一的變形方式下,TC4鈦合金雖然會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,但微觀組織仍處于不均勻狀態(tài)。因此,在考慮實(shí)際生產(chǎn)時(shí),復(fù)雜路徑下的變形方式可能是促進(jìn)晶粒均勻細(xì)化的有效方式。

2.2織構(gòu)演變

織構(gòu)特征能定量反映材料在塑性變形過程中顯微組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律[34],與鋁和鋼不同,鈦合金具有明顯的各向異性[35]。室溫下,TC4鈦合金大部分由α相(密排六方,HCP結(jié)構(gòu))組成,因而TC4鈦合金各向異性顯著,在變形過程中易形成織構(gòu)[36],最常見的兩類織構(gòu)是α晶粒的c軸(晶向<0001>)集中趨向平行于軋制板材橫向TD的T型織構(gòu)和α晶粒的c軸集中趨向平行于軋制板材法向ND的B型織構(gòu)[37]。在微觀上,當(dāng)單獨(dú)的α晶粒c軸與應(yīng)力軸平行或垂直時(shí),晶粒內(nèi)部可動(dòng)滑移系的施密特因子較小,此時(shí)晶粒的變形難度最大,因而TC4鈦合金在軋制過程中容易于形成T型和B型織構(gòu)(圖10)。

OBASIG等[38]分別在800和950℃溫度下對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行熱軋實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)溫度下單向熱制過程中形成的晶體織構(gòu)通常會(huì)產(chǎn)生兩種主要類型:在800℃軋制條件下,形成Β/T型織構(gòu),而950℃時(shí)轉(zhuǎn)向T型織構(gòu),這主要與兩種溫度下TC4鈦合金的α和β組織比例不同有關(guān)。王偉等[39]觀察到類似現(xiàn)象,當(dāng)變形量增加到90%時(shí),TC4鈦合金隨著變形溫度的升高,顯微組織由B織構(gòu)轉(zhuǎn)化為T織構(gòu)和錐面織構(gòu),塑性變形由基面滑移轉(zhuǎn)化為柱面滑移,顯微組織中α相尺寸減小而β相含量增大,合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均增大。SABATR等[40]通過研究TC4板材在600和800℃溫度軋制過程中織構(gòu)的演變機(jī)理,實(shí)驗(yàn)將4mm厚的鈦板經(jīng)過3次軋制,變形量分別為50%、70%和90%,圖11中ODF圖的φ2=0°和30°截面表明最大強(qiáng)度的紋理分量接近基底纖維區(qū)域,這些紋理沿φ1部分延展。在壓下率為90%時(shí),兩種軋制溫度下都觀察到占優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)纖維。然而,觀察到基礎(chǔ)纖維的強(qiáng)度在較低的軋制溫度下比在較高的軋制溫度下更高。一般情況下,軋制溫度越低,TC4鈦合金出現(xiàn)織構(gòu)聚集的現(xiàn)象越嚴(yán)重,而考慮到在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),終軋溫度常超過800℃,故研究高溫狀態(tài)下織構(gòu)演變具有更強(qiáng)的實(shí)際意義。

2.3相組分再分配

TC4鈦合金熱軋時(shí)處于復(fù)雜的溫度場(chǎng)中,隨著軋制的進(jìn)行,板材溫度呈降低趨勢(shì),該過程中會(huì)從基體中持續(xù)不斷地析出次生α相[41],導(dǎo)致相組分一直處于再分配狀態(tài)。與體心立方結(jié)構(gòu)的β相相比,α相是密排六方結(jié)構(gòu),塑性及變形能力較弱。故軋制過程更加困難,容易導(dǎo)致應(yīng)力集中和變形不均勻,從而引發(fā)裂紋和其他缺陷的形成。TC4鈦合金作為雙相合金,相組分再分配對(duì)熱軋工藝過程中合金組織演變和力學(xué)性能有著重要的影響。

李瑞等[42]研究了3種不同溫度下熱軋工藝對(duì)TC4ELI鈦合金板材顯微組織的影響。軋制溫度由高到低時(shí)TC4ELI鈦合金板材顯微組織分別是魏氏組織、網(wǎng)籃組織和等軸組織,這是由于軋制溫度靠近相變點(diǎn),顯微組織發(fā)生了相組分再分配。SUNSD等[43]研究發(fā)現(xiàn)熱加工溫度對(duì)相組成存在明顯影響。

從圖12a中可以看出650℃時(shí)相界仍舊清晰,750℃時(shí)位錯(cuò)明顯增多,在高溫(950℃)下,通過XRD檢測(cè)到TC4鈦合金中β相含量較高,表明TC4鈦合金中α相中元素轉(zhuǎn)移到β相中,發(fā)生相組分再分配。相組分再分配的規(guī)律對(duì)生產(chǎn)TC4鈦合金板材十分重要,尤其是考慮跨相變點(diǎn)軋制,不僅能獲得更加細(xì)小的理想組織,而且能破碎原始組織。

3、熱軋工藝參數(shù)對(duì)TC4鈦合金組織和性能的影響

TC4鈦合金通過采用合適的熱軋工藝來(lái)控制軋件組織結(jié)構(gòu),使軋件達(dá)到理想的強(qiáng)度-塑性-韌性要求。通常,由于熱軋溫度、應(yīng)變量、應(yīng)變速率和冷卻速率等工藝參數(shù)的復(fù)雜影響,熱軋過程中存在的加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化過程,軋件的織構(gòu)、組織和力學(xué)性能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

3.1熱軋溫度

從微觀角度來(lái)看,熱軋溫度對(duì)TC4鈦合金的顯微組織具有顯著的影響[44],熱軋過程中高溫促使的動(dòng)態(tài)軟化是典型的熱激活過程,合金中原子運(yùn)動(dòng)頻率隨著熱軋溫度的升高逐漸加劇,原子擴(kuò)散更加容易,位錯(cuò)滑移的臨界分切應(yīng)力降低,可開動(dòng)的滑移系增多,從而使晶粒之間的變形協(xié)調(diào)性增加,動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)得以加強(qiáng)。從工藝角度來(lái)說,鈦及鈦合金比熱容小,高溫活性強(qiáng),軋制溫度過高會(huì)導(dǎo)致軋件中心與表層溫度分布不均,軋件表面開裂、氧化和析氫腐蝕等缺陷問題[45];熱軋溫度過低,則會(huì)由于TC鈦合金塑性加工性能差,增大軋制難度,因而熱軋溫度的選擇在鈦及鈦合金熱軋生產(chǎn)過程顯得尤為關(guān)鍵。

TC4鈦合金屬于雙相鈦合金,軋制過程中涉及到固態(tài)相變,工程上TC4鈦合金的初軋溫度通常在相變點(diǎn)以上,二火次及后續(xù)的火次在相變點(diǎn)以下。在軋制溫度對(duì)TC4鈦合金中厚板顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律研究中,任萬(wàn)波[46]研究結(jié)果表明在(α+β)兩相區(qū),隨著軋制溫度降低,TC4鈦合金中厚板的晶粒尺寸不斷減小,強(qiáng)度、塑性和韌性不斷增加,但過低的軋制溫度常常伴隨著軋件的質(zhì)量問題,如板形不良和邊部裂紋等。LUOYM等[45]將鍛造的等軸TC4鈦合金分別在840、870、900和930℃(圖13a~圖13d)下進(jìn)行軋制,熱軋溫度對(duì)顯微組織的影響可描述為:軋制溫度低于900℃時(shí),α晶粒沿軋制方向伸長(zhǎng),沒有觀察到明顯的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和相變行為;當(dāng)軋制溫度大于900℃時(shí),晶粒發(fā)生再結(jié)晶和相變,拉長(zhǎng)的初始α晶粒的比例隨著軋制溫度的升高而降低,而再結(jié)晶的等軸α晶粒和層狀αs+β組合的比例增加;當(dāng)軋制溫度達(dá)到930℃時(shí),由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和相變行為,軋件呈現(xiàn)典型的雙峰組織結(jié)構(gòu)。圖13e~圖13g表明軋制溫度對(duì)TC4鈦合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也有很大影響,動(dòng)態(tài)力學(xué)性能各向異性的趨勢(shì)隨軋制溫度變化而變化,RD方向上熱軋溫度對(duì)TC4軋件的伸長(zhǎng)率影響明顯,TD方向上熱軋溫度為930℃時(shí)流變應(yīng)力明顯增高。

合適的軋制溫度的選擇不僅會(huì)影響TC4鈦合金板材的組織和性能,還會(huì)涉及到加工工序的簡(jiǎn)易程度。

3.2變形量

TC4鈦合金變形抗力大、熱加工區(qū)間窄,針對(duì)不同軋件產(chǎn)品,軋制時(shí)的應(yīng)變量(壓下量)控制十分重要[47]。當(dāng)應(yīng)變量較小時(shí),晶粒破碎不完全[48]。

然而,由于鈦合金的變形抗力較大,如果在較大的變形量下進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn),雖然會(huì)促進(jìn)晶粒破碎完全,細(xì)化組織,增強(qiáng)軋件力學(xué)性能,但是也容易引起軋件內(nèi)部應(yīng)力集中,從而增加了裂紋形成的風(fēng)險(xiǎn)并且變形量較大,也需要更大的軋制力,這也影響軋輥的使用壽命。

趙冰等[49]在800~950℃范圍內(nèi),將60%、70%、80%和90%共4種應(yīng)變量作為變量條件,研究TC4鈦合金熱軋過程中顯微組織的演變,結(jié)果表明低變形量下合金組織以網(wǎng)籃狀為主,存在少量的再結(jié)晶等軸組織。但當(dāng)變形量達(dá)到90%時(shí),網(wǎng)籃狀組織厚度明顯減小,片層的排布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,等軸組織的晶粒規(guī)格也顯著減小。姚學(xué)峰等[48]研究發(fā)現(xiàn)在不同變形量熱軋后TC4鈦合金的顯微組織和力學(xué)性能變化規(guī)律(圖14),隨著變形量的增加,TC4鈦合金中得超細(xì)晶粒數(shù)量明顯增加,位錯(cuò)纏結(jié)程度增加,亞晶的數(shù)量增多,TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯增加,伸長(zhǎng)率在60%變形量之前增加,而后明顯減小。軋制過程中應(yīng)變量對(duì)鈦及鈦合金終態(tài)產(chǎn)品的組織形態(tài)具有較大影響,工程上通過調(diào)控火次之間的變形量來(lái)控制軋件的組織形態(tài)。

3.3應(yīng)變速率

鈦及鈦合金的軋制速率較鋼材低,熱軋工藝中應(yīng)變速率對(duì)鈦合金軋件顯微組織有著顯著影響,隨著應(yīng)變速率的增加位錯(cuò)積累速率較高,而動(dòng)態(tài)回復(fù)引起的位錯(cuò)湮滅速率較低,因此鈦合金軋件中位錯(cuò)密度迅速積累到較高水平,位錯(cuò)之間相互作用形成位錯(cuò)纏結(jié)等,塑性變形能力受限,因而軋件的變形抗力較大,軋件的流變應(yīng)力明顯升高。位錯(cuò)和晶界等晶體缺陷會(huì)為二次α相提供較大的異質(zhì)形核位點(diǎn)。因此,作為二次α相的異質(zhì)形核位點(diǎn)的晶體缺陷隨著應(yīng)變速率的增加而急劇增加,導(dǎo)致二次α相在晶體缺陷處析出,分布不規(guī)則[50],這對(duì)軋件的最終質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生影響。因而合適的應(yīng)變速率對(duì)改善軋件質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。

LUOYM等[45]研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率對(duì)TC4鈦合金組織的影響取決于變形溫度:實(shí)驗(yàn)測(cè)得合金的β轉(zhuǎn)變溫度為1263K,初生α相的晶粒尺寸在1203K以上隨應(yīng)變速率的增加而減小,但在1203K以下則呈現(xiàn)振蕩趨勢(shì);在1223K以上,隨著應(yīng)變率的增加,體積分?jǐn)?shù)曲線呈振蕩趨勢(shì),但在1223K以下,初生α相的體積分?jǐn)?shù)減小。YANGLQ等[51]研究了初始等軸組織TC4鈦合金在850~930℃溫度范圍、0.01~1s^-1應(yīng)變速率范圍和70%應(yīng)變量條件下顯微組織演變和力學(xué)性能變化規(guī)律。圖15a~圖15c白色箭頭所指區(qū)域是拉長(zhǎng)的α晶粒之間動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核區(qū)域,在高應(yīng)變速率下合金沒有足夠的時(shí)間釋放畸變能,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形核數(shù)量明顯增多。從圖15d的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線可以看出高應(yīng)變速率的應(yīng)力值較低應(yīng)變速率應(yīng)力值更高,造成該現(xiàn)象主要是由于隨應(yīng)變速率升高,一方面激發(fā)位錯(cuò)增值速率,加工硬化效應(yīng)明顯,另一方面合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化沒有足夠時(shí)間發(fā)生,塑性變形無(wú)法充分完成,動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)減弱。鈦及鈦合金具有相對(duì)較低的熱導(dǎo)率,無(wú)法有效地傳遞和分散軋制過程中產(chǎn)生的熱量,高速軋制過程中熱量聚集,溫度梯度上升,增加塑性流動(dòng)失穩(wěn)的可能性。

3.4冷卻速率

TC4鈦合金的相變行為隨著冷卻速度的增加依次經(jīng)歷擴(kuò)散相變、塊狀相變和馬氏體相變[52]。當(dāng)冷卻速度較快時(shí),固溶原子沒有足夠的時(shí)間擴(kuò)散,會(huì)形成過飽和的固溶α′馬氏體[53]。冷卻過程中,根據(jù)冷卻速度不同,可能發(fā)生的相變有α′、a″馬氏體相變、無(wú)熱ω相變和等溫α相變。常見的淬火過程的主要相變有α′、a″馬氏體相變和無(wú)熱ω相變,選擇合適的冷卻速度和冷卻方式對(duì)提升鈦材產(chǎn)品質(zhì)量起到明顯的促進(jìn)作用。

梁爽等[54]在TC4鈦合金完成熱軋工藝之后,采用3種冷卻方式:空冷、層流冷卻和水冷,研究結(jié)果表明,空冷條件下,部分α相被拉長(zhǎng),軋件的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)各向異性,塑韌性均不高,綜合性能較層流冷卻和水冷要差;層流冷卻條件下,被拉長(zhǎng)的α相數(shù)量明顯增加,軋件的各向抗拉強(qiáng)度較高;水冷條件下,軋件的抗拉強(qiáng)度各向異性得到明顯的改善,斷面收縮率及伸長(zhǎng)率均較高,綜合性在3種冷卻方式中最佳。歐梅桂等[55]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行0.1~80℃·s^-1不同冷卻速度處理,分析冷卻速度對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。當(dāng)冷卻速度為0.1℃·s^-1時(shí),TC4鈦合金的顯微組織呈現(xiàn)為片層狀β轉(zhuǎn)變組織(圖16a),冷卻速度達(dá)到0.5℃·s^-1時(shí),層狀β轉(zhuǎn)變組織明顯細(xì)化(圖16b)。冷卻速度的提升使得β片層厚度減小,提高了TC4鈦合金的強(qiáng)度(表1),這主要是由于增多的相界面阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。冷卻速度過大時(shí)TC4鈦合金組織轉(zhuǎn)變的六方晶格的過飽和固溶馬氏體,使得合金的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率降低(表1)。通常情況下,鈦合金冷卻時(shí)具有很強(qiáng)的尺寸效應(yīng),在相關(guān)研究中,應(yīng)考慮到軋件尺寸,設(shè)計(jì)更寬泛的冷速范圍或充足的冷速形式。

4、熱軋過程中缺陷形成機(jī)理

與鋼、鋁等合金相比,鈦合金加工溫度窗口窄、工藝參數(shù)敏感性強(qiáng),從而容易出現(xiàn)一系列宏微觀問題,如裂紋、組織不均勻等缺陷。本節(jié)針對(duì)TC4鈦合金熱軋時(shí)出現(xiàn)的表面裂紋、塑性流動(dòng)及絕熱剪切帶進(jìn)行分析,以期研究上述缺陷的形成機(jī)理,為優(yōu)化TC4鈦合金軋制工藝提供參考。

4.1熱軋裂紋

TC4鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)通常比普通鋼要低,開軋溫度過高軋件表面和中心區(qū)域的溫差將會(huì)急劇升高,伴隨著相變將會(huì)導(dǎo)致軋件變形不均,軋件出現(xiàn)組織缺陷,如板帶邊裂(圖17a)、表面裂紋(圖17b)等問題[56]。鈦合金在熱軋熱軋過程中,氧元素與軋件表面的鈦親和力強(qiáng),不斷往基體里面擴(kuò)散,在軋件表面形成富氧層,容易出現(xiàn)裂紋,對(duì)軋件的塑性和韌性產(chǎn)生傷害[57],相關(guān)研究表明TC4鈦合金軋件裂紋處氧、氮元素含量異常偏高,加劇軋件加工性能惡化[57]。崔巖等[58]研究了TC4鈦合金和純鈦在熱軋工藝中軋件吸氧形成富氧層的現(xiàn)象,結(jié)果發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金相較于純鈦在結(jié)構(gòu)上更為疏松多孔,表明TC4軋件吸氧速率和總量明顯多于純鈦。

進(jìn)一步從圖18可以看出,TC4鈦合金的富氧層明顯大于純鈦,其表面裂紋較純鈦嚴(yán)重。雖然TC4鈦合金現(xiàn)存熱軋工藝中設(shè)計(jì)了防氧化措施,如涂敷防氧化材料,但這些材料較注重防氧化,而未過多重視其熱塑性。TC4鈦合金在軋制后仍存在大量裂紋,經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)這些裂紋周邊較多的富氧層。因此,亟需開發(fā)出鈦合金軋制專用的、具有一定熱塑性的防護(hù)劑。同時(shí),在熱軋過程中需要設(shè)定合適的熱軋參數(shù),尤其在道次之間重視搶溫工作。

4.2局部流動(dòng)失穩(wěn)

鈦合金在熱軋工藝中,組織中的加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化同時(shí)發(fā)生,在加工硬化的塑性做功和誘發(fā)動(dòng)態(tài)軟化的高溫?zé)崃抗餐饔孟?鈦材局部區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)溫升過快的現(xiàn)象,導(dǎo)致局部組織軟化,而塑性變形會(huì)率先集中在此區(qū)域。局部和整體的變形不均勻?qū)е陆M織演變差異,即產(chǎn)生局部流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象[59]。TC4鈦合金的比熱容較鋼材等金屬要低得多,熱軋過程中的產(chǎn)生的熱量散布不均,局部區(qū)域的溫升和軟化較為突出,因此,常常可以觀察到局部塑性流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生[60]。

劉誠(chéng)等[61]在TC4-DT鈦合金熱變形實(shí)驗(yàn)中,研究了軋件局部流動(dòng)失穩(wěn)區(qū)域組織形貌形成機(jī)理(圖19),晶粒變形的均勻性明顯較低。分析發(fā)現(xiàn)這是由于在1s^-1和10s^-1的高應(yīng)變速率下,極短時(shí)間內(nèi)完成的塑性做工的能量在軋件中無(wú)法迅速散去,造成局部組織區(qū)域的溫度上升過快,動(dòng)態(tài)軟化作用明顯,發(fā)生局部流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。研究結(jié)果表明高應(yīng)變速率下TC4鈦合金更容易發(fā)生局部流動(dòng)失穩(wěn),流變應(yīng)力不易達(dá)到穩(wěn)態(tài)。局部流動(dòng)塑性失穩(wěn)導(dǎo)致TC4鈦合金的裂紋形成、力學(xué)性能下降和變形能力減小,降低了材料的負(fù)荷能力和壽命,通過調(diào)整軋制工藝和方式能夠有效減弱流動(dòng)塑性失穩(wěn)的發(fā)生。

4.3絕熱剪切帶

高速?zèng)_擊、裝甲侵徹和軋制成形等高應(yīng)變速率下[62],材料容易發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形行為,即絕熱剪切現(xiàn)象[63]。“絕熱”[64]是指僅僅幾十微秒的變形過程中,塑性功轉(zhuǎn)化的熱量無(wú)法有效散去,軋件中出現(xiàn)絕熱區(qū)域,該區(qū)域被稱為絕熱剪切帶(Adia-baticShearBand,ΑSΒ)。絕熱剪切與局部流動(dòng)失穩(wěn)的形成機(jī)理相似,但是相較于局部流動(dòng)失穩(wěn),ASB經(jīng)歷快速升溫-急劇冷卻過程,狹長(zhǎng)帶狀的、剪切變形高度局部化的變形區(qū)域甚至能夠穿越整個(gè)軋件,對(duì)軋件的質(zhì)量會(huì)造成嚴(yán)重破壞。TC4鈦合金具有較低的比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)[65],且α相的滑移系較少,在剪切變形中呈現(xiàn)出對(duì)溫度和應(yīng)變率的高敏感性[66]。

LUOYM等[67]研究了應(yīng)力狀態(tài)(包括動(dòng)態(tài)剪切和單軸動(dòng)態(tài)壓縮)對(duì)熱軋TC4鈦合金絕熱剪切帶的影響。結(jié)果表明:單軸壓縮時(shí)TC4鈦合金熱軋板橫向試樣的絕熱剪切敏感性最高,軋制方向的試樣絕熱剪切敏感性最低,而在動(dòng)態(tài)剪切條件下,軋件的絕熱剪切敏感性的各向異性則表現(xiàn)出與之相反的趨勢(shì)。EL-MΑGDE等[68]通過對(duì)比TC4鈦合金、Al合金和Mg合金在不同應(yīng)變速率下的流動(dòng)行為和延展性,發(fā)現(xiàn)TC4鈦合金板材絕熱剪切帶的生成,對(duì)應(yīng)變速率具有較高的敏感性。楊柳青等[65]通過研究TC4鈦合金絕熱剪切帶中顯微組織演變,發(fā)現(xiàn)軋件ASB區(qū)域主要由基體、過渡區(qū)和ASB組成(圖20),從基體到ASB區(qū)域顯微組織的演變規(guī)律為:等軸α晶粒和間隙β晶粒逐漸被拉長(zhǎng),小角度晶界逐漸成長(zhǎng)為大角度晶界,并伴隨著亞晶和再結(jié)晶晶粒數(shù)量的增長(zhǎng),ASB區(qū)域由于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,晶粒尺寸較小,且沒有明顯的織構(gòu)取向。

5、熱軋過程數(shù)值模擬

科學(xué)實(shí)驗(yàn)、理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬已經(jīng)成為當(dāng)今材料研究領(lǐng)域3種主要研究手段,熱軋過程中軋件的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及微觀組織演變的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和精確控制,對(duì)于通過熱加工和熱處理獲得鈦合金所需的機(jī)械性能非常重要。隨著計(jì)算能力的快速發(fā)展以及對(duì)數(shù)值模擬機(jī)理的深入理解,有限元模擬及介觀組織模擬等模擬方法已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)并成功地應(yīng)用于模擬鈦合金熱軋工藝流程。

5.1有限元模擬

有限元法是基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè),對(duì)連續(xù)體進(jìn)行離散計(jì)算的一種方法[69]。目前,有限元法多用于宏觀尺度的模擬,眾多商業(yè)有限元軟件如ANSYS、Abaqus、MSC.Marc和Procast等在模擬的精準(zhǔn)性上取得了巨大的成功[70]。在鈦合金熱軋工藝研究過程中發(fā)現(xiàn),軋件質(zhì)量缺陷問題,如表面裂紋、板凸度差及邊部裂紋等,多是由于熱軋工藝參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致的。鈦合金具有相對(duì)較低的導(dǎo)熱系數(shù),熱軋中的板坯中心與表面、中部與邊緣存在明顯溫度差,溫度不均進(jìn)一步引發(fā)不連續(xù)的塑性變形,從而誘發(fā)軋制質(zhì)量缺陷。徐森等[47]利用有限元軟件MSC.Marc建立TC4鈦合金熱軋模型,研究熱軋工藝過程中板坯溫度變化規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)軋件表面與中心達(dá)到最大溫度差120℃時(shí),由于溫差過大,軋件表面出現(xiàn)開裂缺陷,模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值符合(圖21)。SHIJ等[71]采用有限元熱力耦合法和Abaqus軟件對(duì)TC4鈦合金半成品管進(jìn)行研究,分析開軋溫度和軋制速度對(duì)TC4鈦合金溫度、軋制力和功率的影響,研究了900℃和2.93m·s^-1輸送速度下的TC4軋件溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)情況(圖22)。

最終通過實(shí)際熱軋測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了TC4鈦合金無(wú)縫管軋制過程的模擬精準(zhǔn)性,管道形狀與仿真結(jié)果吻合良好。有限元模擬結(jié)果分析為實(shí)際TC4鈦合金軋制過程工藝參數(shù)的制定提供了有效指導(dǎo),有效改善了軋件的軋制質(zhì)量缺陷。

5.2介觀組織模擬

鈦合金在熱軋工藝過程中,顯微組織在加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化的共同作用下會(huì)發(fā)生顯著的變化,對(duì)介觀顯微組織變化的模擬,常見的有幾何法[72]、蒙特卡羅(Monte

Carlo,MC)法[73]和元胞自動(dòng)機(jī)(CellularAutomaton,CA)法[74]。目前CA法在模擬TC4鈦合金的微觀組織演變方面應(yīng)用廣泛,尤其是在回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大、相變

和凝固等組織演變方面的研究已經(jīng)取得重要的研究成果。

在鈦合金的熱軋過程中,晶粒變形、再結(jié)晶形核及長(zhǎng)大的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為普遍發(fā)生,劉誠(chéng)等[75]建立了TC4-DT鈦合金熱加工過程中動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的元胞自動(dòng)機(jī)模型,模擬結(jié)果表明TC4-DT在熱變形過程中顯微組織的變化規(guī)律,并用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶理論進(jìn)行了解釋,根據(jù)模擬條件進(jìn)行了相應(yīng)的熱加工實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明CA模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)吻合度良好(圖23)。

HANF等[76]基于位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)形核和晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)理論,建立了模擬動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的元胞自動(dòng)機(jī)模型,以分析TC4鈦合金在熱壓縮變形過程中的顯微組織演變,模擬結(jié)果表明:隨著應(yīng)變的增加、應(yīng)變速率的降低和變形溫度的升高,再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和再結(jié)晶平均晶粒尺寸穩(wěn)步增加(圖24a)。將模擬的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了元胞自動(dòng)機(jī)模型的合理性和準(zhǔn)確性(圖24b)。

6、展望

TC4鈦合金綜合性能優(yōu)異,已成功應(yīng)用于航空航天、海洋工程、石油化工及生物醫(yī)療等領(lǐng)域,其占所有鈦及鈦合金應(yīng)用總量的50%以上。本文通過闡述國(guó)內(nèi)外關(guān)于TC4鈦合金熱軋過程中組織演變和性能控制機(jī)理的研究,發(fā)現(xiàn)該合金在熱軋時(shí)仍存在較多問題,文中雖提出一些改進(jìn)、優(yōu)化該合金熱軋工藝的方法及措施,但關(guān)于TC4鈦合金軋制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展仍需要持續(xù)完善。對(duì)TC4鈦合金軋制提出以下3點(diǎn)展望。

(1)微觀組織的精細(xì)控制:TC4鈦合金的熱軋過程中,顯微組織與力學(xué)性能的復(fù)雜變化密切關(guān)聯(lián)。微觀結(jié)構(gòu)的演變不僅直接影響材料的流變行為,還在很大程度上決定了其力學(xué)性能。因此,借助深入的變形機(jī)理研究,有必要深刻理解鈦合金組織演變的規(guī)律。通過深入的組織控制研究,優(yōu)化加工參數(shù),可以精細(xì)地調(diào)控鈦合金的微觀結(jié)構(gòu),從而顯著提升材料的質(zhì)量與性能。

(2)工藝參數(shù)的智能調(diào)控:TC4鈦合金對(duì)于熱軋工藝參數(shù),如軋制溫度、應(yīng)變量以及應(yīng)變速率,表現(xiàn)出高度的敏感性。只有在適宜的熱軋溫度區(qū)間內(nèi),才能獲得均勻的組織、細(xì)小的晶粒以及卓越的力學(xué)性能。同時(shí),智能調(diào)控工藝參數(shù)有助于實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形,從而避免在軋制過程中引發(fā)缺陷的隱憂。

(3)融合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的深度研究:當(dāng)前TC4熱軋工藝研究,正處于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬技術(shù)融合的重要階段。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以深入了解軋件的宏觀變形以及微觀組織的演變規(guī)律。通過精準(zhǔn)的數(shù)值模擬,能夠更好地解析材料在復(fù)雜工藝條件下的行為。這一深度研究路徑,不僅有助于提升國(guó)內(nèi)TC4鈦合金軋件的質(zhì)量,還將有力地推動(dòng)其在高端應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

綜上所述,TC4鈦合金在熱軋工藝中的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。通過精細(xì)組織控制、智能工藝調(diào)控以及實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的深度融合,可以為提升合金質(zhì)量、拓展高端應(yīng)用領(lǐng)域打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)在鈦合金領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展。

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