TC4鈦合金板帶高溫成形試驗(yàn)材料、力學(xué)參數(shù)、表面氧化皮分析

以TC4鈦合金板帶為研究對象，重點(diǎn)對其高溫下的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率以及表面氧化皮等進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析.TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度以及屈強(qiáng)比均隨溫度的升高而降低.所測合金的比熱容范圍為0.61～1.14 J/（kg?K），熱輻射系數(shù)為0.58.TC4合金表面氧化缺陷層主要由外側(cè)含氧量較高的氧化皮和內(nèi)側(cè)的富氧層組成.隨加熱溫度的升高和保溫時(shí)間的延長，富氧層會(huì)向合金基體延伸使其氧化層厚度增加.在較高的應(yīng)變速率和較低的變形溫度下，TC4合金的變形抗力增加明顯.應(yīng)力應(yīng)變曲線隨應(yīng)變速率的降低由加工硬化型向動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型轉(zhuǎn)變，變形溫度越高其發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界變形量越小。

金屬鈦具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐腐蝕和高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，因而被稱為“第三金屬”和“21世紀(jì)的金屬”[1-2].

板帶材是鈦加工材的主要產(chǎn)品，占鈦加工材消費(fèi)量的60%以上，主要應(yīng)用于國防、軍工、航空航天、石油化工、制鹽制堿、冶金、船舶制造、海濱電站及醫(yī)療和體育等行業(yè).隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，鈦板帶材的市場需求量也在快速提高，這給鈦板帶加工技術(shù)與裝備的發(fā)展帶來了機(jī)遇，但同時(shí)也對產(chǎn)品的力學(xué)性能、尺寸公差、表面質(zhì)量和使用性價(jià)比等提出了更高的要求[3-8].

相比于鋼鐵、銅、鋁等金屬板帶材，鈦板帶材屬應(yīng)用領(lǐng)域高端和發(fā)展前景看好的新型高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料，但其生產(chǎn)技術(shù)要求高、工藝難度大，這尤其體現(xiàn)在熱軋變形抗力高、加工硬化程度大、熱變形溫度范圍窄等方面。

（1） 鈦的晶體結(jié)構(gòu)為hcp（密排六方），力學(xué)性能呈現(xiàn)出顯著的各向異性，常溫下僅有3個(gè)滑移面（基面、棱錐面、棱柱面）和1個(gè)滑移方向（鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882 ℃以下為hcp結(jié)構(gòu)的α鈦，882 ℃以上為bcc（體心立方）結(jié)構(gòu)的β鈦）。

（2） 鈦在高溫下與氧親和力強(qiáng)，氧元素不斷向基體擴(kuò)散，在鈦內(nèi)部形成硬脆?櫻?使其塑性降低.另外，在還原性氣氛中加熱時(shí)，鈦的吸氫效應(yīng)特別強(qiáng)烈，該效應(yīng)會(huì)使氫擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，降低其塑性[9-11]。

由于以上原因，鈦板帶材的熱軋工藝和熱軋機(jī)等加工設(shè)備需要針對其特性進(jìn)行專門的開發(fā)和設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)必須依據(jù)準(zhǔn)確的材料性能參數(shù)等數(shù)據(jù)，如鈦在不同溫度和應(yīng)變速率下的屈服強(qiáng)度、高溫下的熱導(dǎo)率、熱輻射系數(shù)、表面氧化皮的化學(xué)成分及厚度、應(yīng)力應(yīng)變曲線特征等。

1、試驗(yàn)材料與方案

1.1、試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選擇某企業(yè)生產(chǎn)的TC4鈦合金鍛打坯料，其化學(xué)成分見表1.相比于工業(yè)純鈦，TC4鈦合金的成分為Ti6Al4V，屬于（α+β）型鈦合金[12-13]，具有良好的綜合力學(xué)性能，在鈦合金品種中的應(yīng)用最廣泛，產(chǎn)品的市場需求量也最大。

1.2、試驗(yàn)方案

TC4鈦合金的高溫力學(xué)性能主要包括不同溫度條件下的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、伸長率δ5、比熱值、熱導(dǎo)率、熱輻射系數(shù)等，以及在不同溫度和應(yīng)變條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征.根據(jù)試驗(yàn)要求分別制作所需試樣后，在700～1 100 ℃溫度下，對TC4合金進(jìn)行拉伸、溫降等試驗(yàn).同時(shí)，制作熱模擬試樣，在700～1 100 ℃、工程應(yīng)變20%以及1，5，10，30和50 s-1的應(yīng)變速率下，進(jìn)行熱力模擬試驗(yàn).

另外，對厚度為8 mm的熱軋板以及熱軋后再進(jìn)行退火的TC4合金板材分別進(jìn)行表面氧化皮成分和厚度的試驗(yàn)測定和分析.

2、高溫力學(xué)參數(shù)

溫度分別為700，800，900，1 000和1 100 ℃條件下的TC4鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示.

TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率等高溫力學(xué)性能的測試結(jié)果見表2.

從圖1和表2中可以看出，TC4鈦合金的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb均隨溫度的升高而降低.溫度在700～1 100 ℃時(shí)，TC4鈦合金的屈強(qiáng)比分別為0.85，0.64，0.45，0.48，0.43，屈強(qiáng)比大致隨溫度的升高而降低.當(dāng)溫度為900 ℃時(shí)，TC4鈦合金的伸長率達(dá)到最大值，為470%，此時(shí)對應(yīng)的屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb分別為10 MPa，22 MPa.TC4鈦合金的伸長率在700 ℃和1 000 ℃時(shí)相對較低，最低值為95%.

在700 ℃出現(xiàn)伸長率較低的原因是，溫度較低時(shí)，TC4鈦合金沒有達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不能進(jìn)行，也無法獲得細(xì)小等軸的晶粒組織.同時(shí)，TC4鈦合金在此溫度下很難發(fā)生αβ的相轉(zhuǎn)變.TC4鈦合金的α相為hcp結(jié)構(gòu)，β相是bcc結(jié)構(gòu)，hcp結(jié)構(gòu)的滑移系少于bcc結(jié)構(gòu)的滑移系.因此，hcp結(jié)構(gòu)合金的塑性成形能力較差，伸長率低.當(dāng)溫度為1 000 ℃時(shí)，TC4鈦合金在變形過程中雖然達(dá)到了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的溫度，但由于變形溫度較高，TC4鈦合金試樣在拉伸過程中其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒迅速長大，組織和晶粒粗化嚴(yán)重，造成其塑性成形能力較低。

對TC4鈦合金鍛坯取樣，進(jìn)行溫降試驗(yàn)，試樣規(guī)格為8 mm×100 mm×200 mm.在溫度為380.2～1 232.6 K時(shí)，TC4鈦合金的比熱容為0.61～1.14 J/（kg?K）.其中在380.2～1 160.7 K時(shí)，TC4鈦合金的比熱容隨溫度的升高而增大；在1 160.7～1 232.6 K時(shí)，比熱容隨溫度的升高而降低.

另外，在溫度為429.6～1 378.8 K時(shí)，TC4鈦合金的熱導(dǎo)率為5.8～19.7 W/（m?K），且隨著溫度的升高而持續(xù)增大.所測得的TC4鈦合金的熱輻射系數(shù)為0.58.

3、表面氧化皮分析

對TC4鈦合金坯料進(jìn)行軋制試驗(yàn)，進(jìn)而對其表面氧化皮的成分和厚度進(jìn)行分析.試樣在960 ℃進(jìn)行始軋，終軋溫度為480 ℃，軋制總壓下率為95.6%.對8 mm厚的熱軋板進(jìn)行750 ℃×1.5 h退火.分別對TC4鈦合金軋制板和熱軋后的退火板進(jìn)行試驗(yàn)分析，其表面生成的氧化皮形貌的SEM照片如圖2所示. 　　經(jīng)測定，圖2（a）中TC4鈦合金熱軋板的表面氧化皮厚度為15.9 μm；圖2（b）中經(jīng)熱軋和退火后的板材表面氧化皮厚度為17.5 μm.分別進(jìn)行能譜分析可知，兩者氧化皮中主要含C，N，O，Al，Ti等元素，具體的化學(xué)元素及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3.

對各元素進(jìn)行線掃描，并結(jié)合金屬和非金屬元素的相圖進(jìn)行分析，TC4鈦合金表面氧化物主要為TiO2，TiO，Al2O3，同時(shí)也含有少量的Ti2O，Ti3O，Ti6O等低價(jià)鈦的氧化物.TC4鈦合金表面氧化層的組成示意圖見圖3.

與鋼鐵、銅板帶等金屬相似，TC4鈦合金加熱后的氧化缺陷層主要由兩部分構(gòu)成：外側(cè)含氧量較高的氧化皮，以及基體與表面氧化皮之間的富氧層.由于TC4鈦合金板坯外表面直接受到熱源輻射，且完全處于含氧氣氛中，因而其表面氧化皮中氧原子與金屬原子的數(shù)量比達(dá)1～2.Al2O3相比TiO2，致密性更好，能夠較好地阻擋氧向內(nèi)層擴(kuò)散和滲透，因而富氧層中，氧原子與金屬原子的數(shù)量比。