工业纯钛热加工图的建立和板材热轧工艺路线的优化

马蕊侠，王艺超，罗　伟

(1.西部金属材料股份有限公司，陕西　西安　710201) (2.西安建筑科技大学，陕西　西安　710055)(3.西部钛业有限责任公司，陕西　西安　710201)



工业纯钛热加工图的建立和板材热轧工艺路线的优化

马蕊侠1，王艺超2,3，罗伟3

(1.西部金属材料股份有限公司，陕西西安710201) (2.西安建筑科技大学，陕西西安710055)(3.西部钛业有限责任公司，陕西西安710201)

利用Gleeble-3800热模拟试验机进行多道次平面应变压缩实验，建立了TA1工业纯钛的热加工图，并以此确定了板材的可加工区域。在区域内选择3条工艺路线，利用2 800 mm四辊可逆轧机制备出TA1工业纯钛板材。通过对板材显微组织和力学性能的分析得出，采用开轧温度700～750 ℃，应变速率5 s-1，道次变形量不低于25%的工艺路线，可以获得满足使用要求的板材，且提高了成材率，降低了生产成本。

工业纯钛; 热模拟；热加工图; 热轧工艺

0　引　言

钛及钛合金具有强度高、密度低和耐蚀性能优异等特点，在航空航天、生物医疗和石油化工等领域得到广泛应用[1-2]。西部金属材料股份有限公司的2 800 mm四辊可逆式板材热轧机于2009年正式投入生产，轧制速率最大可达5 m/s，用来生产钛及钛合金热轧板材。由于该设备加工能力强，若批次生产量小，会导致钛板材的加工成本提高。为降低西部金属材料股份有限公司2 800 mm热轧机的使用成本，欲将不同要求的同质板材采用相同的工艺生产。如将复合板用的TA1工业纯钛板和化工用的TA1工业纯钛板同批次生产，这就需要探索一条能够兼顾不同要求的板材热轧工艺路线。

本研究利用Gleeble-3800热力模拟试验机模拟实际多道次平面热轧，根据实验数据得到的流变曲线绘制出热加工图，并制定热轧试制工艺路线。通过对轧制后板型、微观组织以及力学性能的分析研究，对现有工艺路线进行优化。

1　TA1工业纯钛热加工图的建立

1.1热模拟实验

实验材料为15 mm厚的TA1工业纯钛板材，由西部钛业有限责任公司板带厂提供，化学成分为：O<0.073%，Fe<0.014%，C<0.008%，基体为Ti。板材经700 ℃×35 min/AC退火后，平均晶粒尺寸约为60 μm。

利用水砂切割机将板材切割成15 mm×15 mm×20 mm的试样块，在Gleeble-3800热力模拟实验机上进行平面应变压缩实验，变形温度为650、700、750 ℃,应变速率为1、5、10、20 s-1，压下规程为15 mm→11 mm→7 mm→5 mm，道次变形量不低于25%，真应变为1.05。

图1为通过平面应变压缩实验得到的TA1工业纯钛的真应力-真应变曲线。

图1　TA1工业纯钛不同应变速率和变形温度下的真应力-真应变曲线Fig.1　True stress-strain curves of TA1 commercial pure titanium with different rolling temperatures and strain rates

1.2热加工图的绘制

根据图1绘制出TA1工业纯钛真应变为0.5时应力与应变速率及变形温度的关系图，求出应变速率敏感性指数m。

通过下式计算出不同变形温度和应变速率下TA1工业纯钛的功率耗散率η：

(1)

利用η建立功率耗散图。Prasad等人[3]根据最大熵产生率原理[4]提出材料失稳准则：

(2)

图2　TA1工业纯钛的热加工图(ε=0.5)Fig.2　Processing map of TA1 commercial pure titanium

从图中可以看出，TA1工业纯钛的热加工图分为两个区域，分别为白色的有效可加工区域和黑色的失稳区。当应变速率较低时，轧制时间拉长，导致轧件温降快，变形抗力过大，使得晶粒的破碎不充分，也会增大轧机负荷。因此，除去黑色的加工失稳区、轧机能力范围之外的区域并在保证板型的情况下，加热温度在650～750 ℃、应变速率为5～10 s-1的区域都是良好的可加工区域。最佳热加工路线为加热温度在700 ℃左右，应变速率为5 s-1，该区域的耗散功率最大，为45%。

2　工艺路线的优化

2.1优化实验

以西部钛业有限责任公司板带厂提供的990 mm×15 mm×800 mmTA1工业纯 钛板坯(化学成分和热处理制度与热模拟实验材料相同)为原料进行工艺路线优化实验。

目前复合板用钛板的工艺路线为开轧温度780 ℃，应变速率4 s-1，道次变形量16%～18%；而化工用钛板的工艺路线为开轧温度760 ℃，应变速率6 s-1，道次变形量约22%。根据热加工图得到的可加工区域，选择了3条热轧工艺路线。分别以700、750、780 ℃为开轧温度，应变速率为5 s-1，将15 mm厚的半成品板材，经三道次轧制(15 mm→11 mm→7 mm→5 mm)，得到5 mm厚的成品板材。

2.2优化实验结果

2.2.1板型

不同开轧温度的热轧态成品板材照片如图3所示。从图中可以看出，成品板材板型均良好，无波浪，表面光洁，无裂纹和凹坑等缺陷。

图3　不同温度轧制的TA1工业纯钛成品板Fig.3　TA1 commercial pure titanium sheets with different rolling temperatures

2.2.2显微组织

不同开轧温度的热轧态成品板材的金相组织见图4。从图中可以看出，粗大的原始晶粒经热轧后被拉长破碎充分，轧制之后经放置空冷，晶粒的长大速度大于形核速度，无法通过金相组织图片判断晶粒的大小。为了分析开轧温度对晶粒大小的影响，对3种轧制制度的TA1工业纯钛热轧板，均进行了700 ℃×60 min/AC退火处理，金相组织如图5所示。

图4　不同温度轧制TA1工业纯钛板热轧态的金相组织Fig.4　Microstructures of TA1 commercial pure titanium sheets with different rolling temperatures

图5　不同温度轧制TA1工业纯钛板退火态的金相组织Fig.5　Microstructures of TA1 commercial pure titanium sheets with different rolling temperatures

从图中可以看出，3种轧制制度对应的板材均发生了完全再结晶，形成了等轴组织，700 ℃轧制的板材晶粒尺寸约为28 μm， 750 ℃轧制的板材晶粒尺寸约为35 μm,780 ℃轧制的板材晶粒尺寸约为40 μm。随着轧制温度的升高，退火后晶粒尺寸随之增大。

2.2.3室温力学性能

根据GB/T 3621—2010钛及钛合金室温拉伸性能标准要求，在试验板横纵向各取了两组试样进行室温拉伸实验，结果如表1所示。从表1可以看出，同一制度的板材横纵向力学性能差值较小，板材各向异性小，强塑性匹配良好。3种轧制制度比较来看：随着开轧温度的降低，强度均有所提升，且保持着良好的塑性。这是由于700 ℃轧制时显微组织更加细小，细晶强化作用明显。综合比较来看，采用开轧温度700～750 ℃，应变速率5 s-1，道次变形率不低于25%的工艺路线可以生产出满足复合板和化工用板要求的TA1工业纯钛板，使成材率由48%提高至52%，降低了生产成本。

表1　TA1工业纯钛板退火后的室温力学性能

3　结　论

(1)根据TA1工业纯钛热模拟实验数据绘制出热加工图，能够确定工业纯钛的可加工区域范围。

(2)经过试验板的试制和显微组织及力学性能分析，得出工业纯钛的轧制工艺参数及合适的控制范围为：开轧温度700～750 ℃，应变速率5 s-1，道次变形量不低于25%。

(3)通过优化现有热轧工艺路线，可以将不同要求的板材同批次热轧，提高了钛材的成材率(由48%提高到52%)，降低了生产成本，为公司带来了一定的经济效益。

[1] Brunette D M，Tengvall P，Textor M，et al.Titanium in medicine : material science, surface science, engineering, biological responses and medical applications[M].Berlin:Springer Berlin Heidelberg, 2009.

[2] 钛锆铪分会. 2014年中国钛工业发展报告[J].钛工业进展, 2015, 32(2): 1-6.

[3] Prasad Y, Gegel H L, Doraivelu S M, et al. Modeling of dynamic material behavior in hot deformation: forging of Ti-6242[J].Metallurgical Transactions A, 1984, 15(10): 1883-1892.

[4] Ziegler H. Some extremum principles in irreversible thermodynamics with application to continuum mechanics[M]//Sneddon I N, Hill R.Progress in Solid Mechanics:Volume Ⅳ.Amsterdam: North-Holland Publishing Company, 1963: 93.

[5] 李妮, 赵飞, 叶萃,等. 锻态TB6钛合金的热变形行为和热加工图[J].热加工工艺, 2015, 44(2): 41-43.

[6] Abdulhay B, Bourouga B, Dessain C, et al. Experimental study of heat transfer in hot stamping process[J].International Journal of Material Forming, 2009, 2(1): 255-257.

Processing Map Establishment and Hot Rolling Process Optimization of Commercial Pure Titanium

Ma Ruixia1, Wang Yichao2,3, Luo Wei3

(1.Western Metal Materials Corp., Xi’an 710201, China)(2.Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055, China)(3.Western Titanium Co., Ltd.,Xi’an 710201, China)

The multi-pass plane strain compression was carried out on Gleeble-3800 thermal simulation machine, hot processing map was established, and the region of workability was found. Three rolling processes were developed according to the hot processing map.TA1 commercial pure titanium sheets were hot rolled by three rolling processes with 2 800 mm four reversing hot mill. The microstructures and mechanical properties were analyzed. The results show that, the sheets which can meet the standards could be obtained under the rolling temperature of 700～750 ℃ and strain rate of 5 s-1with no less than 25% deformation rate. The rolling yield could be improved and production costs could also be reduced.

commercial pure titanium; thermal simulation;processing map; hot rolling

2016-02-26

王艺超(1992—)，男，硕士研究生。

TG337.6

A

1009-9964(2016)02-0029-04