引言

TC4(Ti-6Al-4V)钛合金综合性能优异,已广泛应用于航空航天、海洋工程和生物医疗等领域,是目前应用最广泛的钛合金[1-3],其占钛合金应用总量的50%以上[4]。TC4钛合金属于典型的难加工材料,其成形困难,常采用热加工方式获取半成品或成品[5-6]。常见的钛合金热加工方式包括:锻造、轧制及挤压等,其中轧制是高效生产钛合金板、带、管及棒等的主要方式。当前,较多学者基于理论分析、实验研究及有限元模拟研究了TC4钛合金热变形行为、组织演变及工艺参数影响,但研究工艺多集中在锻造领域。针对TC4钛合金热轧制的研究较离散,关于TC4钛合金热轧制工艺对轧件组织、性能及缺陷等研究也亟需系统性的梳理。

因此,本文以TC4钛合金为研究对象,综合评述了该合金在热轧过程中组织演变及性能控制机理,展望了该合金热轧制技术的发展方向。首先基于TC4钛合金轧件特点,分别阐述了板带箔及管棒材轧制的工艺特点。归纳了该合金热轧时组织演变机理,考虑了轧制工艺参数对组织和性能的显著影响,同时关注了TC4钛合金热轧时缺陷形成机理,进而论述了数值模拟在热轧工艺研究中的重要应用。

1、TC4钛合金热轧件分类及加工工艺

基于TC4钛合金热轧件特点,将该合金半成品或成品分为两大类:板带箔材和管棒材,分别归纳两大类轧件的热轧工艺技术特点和应用优势。

1.1板带箔轧制

TC4钛合金热轧加工可以获得各种板带箔材产品,以下介绍几种常见的板带箔热轧工艺:单向轧制、交叉轧制、异步轧制和包覆叠轧。

1.1.1单向轧制和交叉轧制

常见的单向轧制(图1a)是沿着板材的一个方向完成多道次轧制工艺,单向轧制的轧件由于晶粒的择优取向容易形成基面织构,导致板材呈现强烈的各向异性[7-8]。交叉轧制如图1b所示,在每道次轧制完之后改变轧向90°进行间隔轧制,或是在完成一个方向的多道次轧制后转向90°再进行一轮轧制[9]。多项实验[10-12]证明交叉轧制工艺相较于单向轧制能够有效得弱化钛材轧制织构,显著改善合金的各向异性。

赵帅[11]研究了单向轧制和交叉轧制两种热轧方式对TC4钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,单向轧制(图2a)下钛合金板材在<0001>方向呈现择优取向,表现出强烈的各向异性;交叉轧制(图2b)后板材晶粒取向更均匀,其各向异性明显降低。虽然交叉一次后TC4钛合金力学性能略有下降,但当交叉次数达到两次时,该合金性能得到改善。RD方向的抗拉强度较接近TD方向,而TD方向的屈服强度明显高于RD方向。虽然文献[11]中反映了交叉轧制和单向轧制的异同点,但其忽略了实际生产中,尤其是多火次轧制成形时,交叉次数多高于两次,应当进一步提升交叉换向的次数,研究其组织和性能演变的规律。

1.1.2异步轧制

轧制力不对等是异步轧制最显著的特征[13],上下工作辊表面线速度或辊径不等,在变形区会形成搓轧区,从而增加变形区域的剪切变形量。根据穿带形式的不同,异步轧制常分为4种,如图3所示。

异步轧制所需要的轧制力明显低于同步轧制[14],在轧制精度上也远远高于同步轧制,适用于板带,尤其是极薄带材的生产。异步轧制中的剪切应变更容易激活TC4钛合金潜在的滑移系,从而有利于改善合金的塑性变形能力,同时剪切应变有利于晶粒破碎获得细晶粒,从而通过晶粒细化的方式提高合金的力学性能[15]。

LIJP等[12]研究了不同辊速比的异步热轧对TC4钛合金组织和力学性能的影响,结果表明辊速比为1.0时,轧后板材晶粒呈带状,并平行于轧制方向,如图4a所示;当辊速比提高至1.1和1.2时,晶粒呈等轴状,为典型的再结晶晶粒形貌,如图4b和4c所示。此外,白小雷等[16]采用与LIJP等[12]相同的辊速比进行异步轧制,发现随着辊速比的增加,晶粒变得更加均匀细小,性能显著增加,如图4d所示。综合考虑,TC4钛合金采用辊速比为1.1时的异步轧制,其组织与性能匹配相对最优。

1.1.3包覆叠轧

包覆叠轧是将单层或多层轧制板材用同种或其他金属包覆(图5),通过热轧加工成薄板的轧制工艺[17]。该轧制方式可以有效改善钛合金板材加工时受力不均的现象,提高轧件的火次加工效率和组织性能[18]。TC4钛合金在一火或多火大压下量热轧时,易出现边裂等质量缺陷,而采用包覆叠轧工艺能有效减弱边裂现象,从而提高产品质量。通常,采用钢板或纯钛板作为TC4钛合金包覆叠轧的包覆层[19]。

张国霞等[20]通过3种不同轧制方式获得TC4钛合金薄板,并研究了其室/高温性能。与另外两种轧制方式对比,经包覆钢板多片叠轧的板材组织更加细匀,如图6所示,其室/高温性能明显优异。尤其是,该方式下所获得的TC4钛合金板材在920℃下进行高温拉伸时,可进入超塑性状态,伸长率可达1120%。因此,实际生产中可以尝试借鉴超塑性成形生产TC4钛合金薄板,不仅可避免钛合金板材开裂情况,而且能获得组织和性能匹配性较优的产品。

1.2管棒材轧制

与钢铁等金属材料相比,钛合金耐蚀性较强,在石油开采、盐碱工业、海洋工程等领域已受到广泛应用[21]。考虑产品服役周期和经济价值,钛合金管具有更高的应用价值,如国内外已在石油开采等领域使用TC4钛合金无缝管。钻孔挤压和斜轧穿孔是生产钛合金无缝管的主要方式[22]。李宝霞等[23]通过斜轧穿孔+热轧的方式生产大规格TC4钛合金管材,如图7所示。其中,观察距离外管壁20~25mm处纵向和横向断面组织,发现管材不同方向组织均匀,热轧组织是网篮组织与魏氏体结合体。通常,相较于挤压+机械加工生产大规格钛合金管材,采用斜轧穿孔+热轧的方式可以大幅度提高材料的利用率。

传统横列式轧机生产的钛合金棒材成品质量和规格有限,生产效率偏低[24]。为了稳定产品质量和加速产品生产周期,国内外目前普遍采用热连轧方式来生产小规格钛合金棒材,采用大变形量加工技术制备钛及钛合金棒材也是实际生产中采用最多的办法,在保障材料力学性能的前提下,尽可能采用大的道次变形量制备钛的棒材,从而减少加工道次,提高材料利用率,降低钛合金棒材的加工成本。黄帆等[24]对热连轧机组中的预精轧机组孔型系统进行了优化设计,优化孔型较原孔型生产的TC4钛合金热连轧棒材显微组织更加均匀、晶粒尺度更细小,力学性能优势明显。LOPATINNV[25]采用有限元方法模拟和实验分析,研究了螺旋轧制对TC4钛合金显微组织演变的影响,结果表明球状晶粒的尺寸在表面点和轴心点分别为10和13μm左右,加工后的棒材中晶粒尺寸明显增加,球化过程与晶粒增长同时发生(图8)。热连轧技术相对于传统横列式轧机具有多方面显著优势,包括提高生产效率,改善产品质量,减少加工道次,适应多样化需求以及节能环保。连续性的轧制工艺不仅可以缩短生产周期,降低成本,而且可以保持产品一致性,减少废品率,使其成为制备小规格钛合金棒材等领域的首选方法。

2、TC4钛合金在热轧过程中的组织演变

在TC4钛合金的热轧工艺中,组织结构的质量直接决定了材料的力学性能、耐腐蚀性及疲劳寿命。

因此,深入研究TC4钛合金在热轧过程中的组织演变规律尤为重要,涵盖了晶粒生长、取向分布和相变等多个方面。为了在热轧过程中获得更高质量的TC4钛合金轧件,仍需进一步探索如何实现晶粒细化、提升力学性能以及有效控制相变。

2.1晶粒细化

金属和合金的微观结构细化是提高材料综合性能的有效方法[26],晶粒尺寸较小的金属和合金比粗晶粒对应物在强度和塑韧性方面具有明显优势[27]。在超细晶粒TC4钛合金的研究中,剧烈塑性变形(SeverePlasticDeformation,SPD)技术已经成为近十多年的研究热点,但高压扭转[28]、等通道角挤压[29]、多向锻造[30]和异步轧制等SPD技术在工业化量产TC4钛合金成品件方面仍存在诸多技术挑战。目前,大变形轧制仍然是生产超细晶粒TC4钛合金的有效工业化量产手段[31],大变形热轧工艺在塑造钛材形状的同时,也能有效地细化晶粒,研究表明[32]动态再结晶(DynamicRecrystallization,DRX)在TC4钛合金晶粒细化中发挥着重要作用,动态加工过程中,大量位错在晶界处缠结形成亚晶,从而形成新的细小晶粒,而连续动态再结晶在晶胞内部通过形核长大形成新的细小晶粒,从而达到细晶强化的效果。WANGX等[33]研究了TC4钛合金热加工过程中动态再结晶对组织细化的作用。如图9所示,当应变小于1.01时,α相的形貌没有太大变化,而当应变增加到2.43时,残留的原始α相颗粒呈现拉长状,再结晶晶粒增多。这表明单一的变形方式下,TC4钛合金虽然会发生动态再结晶,但微观组织仍处于不均匀状态。因此,在考虑实际生产时,复杂路径下的变形方式可能是促进晶粒均匀细化的有效方式。

2.2织构演变

织构特征能定量反映材料在塑性变形过程中显微组织结构的演变规律[34],与铝和钢不同,钛合金具有明显的各向异性[35]。室温下,TC4钛合金大部分由α相(密排六方,HCP结构)组成,因而TC4钛合金各向异性显著,在变形过程中易形成织构[36],最常见的两类织构是α晶粒的c轴(晶向<0001>)集中趋向平行于轧制板材横向TD的T型织构和α晶粒的c轴集中趋向平行于轧制板材法向ND的B型织构[37]。在微观上,当单独的α晶粒c轴与应力轴平行或垂直时,晶粒内部可动滑移系的施密特因子较小,此时晶粒的变形难度最大,因而TC4钛合金在轧制过程中容易于形成T型和B型织构(图10)。

OBASIG等[38]分别在800和950℃温度下对TC4钛合金进行热轧实验,研究发现在这两个温度下单向热制过程中形成的晶体织构通常会产生两种主要类型:在800℃轧制条件下,形成Β/T型织构,而950℃时转向T型织构,这主要与两种温度下TC4钛合金的α和β组织比例不同有关。王伟等[39]观察到类似现象,当变形量增加到90%时,TC4钛合金随着变形温度的升高,显微组织由B织构转化为T织构和锥面织构,塑性变形由基面滑移转化为柱面滑移,显微组织中α相尺寸减小而β相含量增大,合金的抗拉强度和伸长率均增大。SABATR等[40]通过研究TC4板材在600和800℃温度轧制过程中织构的演变机理,实验将4mm厚的钛板经过3次轧制,变形量分别为50%、70%和90%,图11中ODF图的φ2=0°和30°截面表明最大强度的纹理分量接近基底纤维区域,这些纹理沿φ1部分延展。在压下率为90%时,两种轧制温度下都观察到占优势的基础纤维。然而,观察到基础纤维的强度在较低的轧制温度下比在较高的轧制温度下更高。一般情况下,轧制温度越低,TC4钛合金出现织构聚集的现象越严重,而考虑到在实际生产时,终轧温度常超过800℃,故研究高温状态下织构演变具有更强的实际意义。

2.3相组分再分配

TC4钛合金热轧时处于复杂的温度场中,随着轧制的进行,板材温度呈降低趋势,该过程中会从基体中持续不断地析出次生α相[41],导致相组分一直处于再分配状态。与体心立方结构的β相相比,α相是密排六方结构,塑性及变形能力较弱。故轧制过程更加困难,容易导致应力集中和变形不均匀,从而引发裂纹和其他缺陷的形成。TC4钛合金作为双相合金,相组分再分配对热轧工艺过程中合金组织演变和力学性能有着重要的影响。

李瑞等[42]研究了3种不同温度下热轧工艺对TC4ELI钛合金板材显微组织的影响。轧制温度由高到低时TC4ELI钛合金板材显微组织分别是魏氏组织、网篮组织和等轴组织,这是由于轧制温度靠近相变点,显微组织发生了相组分再分配。SUNSD等[43]研究发现热加工温度对相组成存在明显影响。

从图12a中可以看出650℃时相界仍旧清晰,750℃时位错明显增多,在高温(950℃)下,通过XRD检测到TC4钛合金中β相含量较高,表明TC4钛合金中α相中元素转移到β相中,发生相组分再分配。相组分再分配的规律对生产TC4钛合金板材十分重要,尤其是考虑跨相变点轧制,不仅能获得更加细小的理想组织,而且能破碎原始组织。

3、热轧工艺参数对TC4钛合金组织和性能的影响

TC4钛合金通过采用合适的热轧工艺来控制轧件组织结构,使轧件达到理想的强度-塑性-韧性要求。通常,由于热轧温度、应变量、应变速率和冷却速率等工艺参数的复杂影响,热轧过程中存在的加工硬化和动态软化过程,轧件的织构、组织和力学性能会发生相应的变化。

3.1热轧温度

从微观角度来看,热轧温度对TC4钛合金的显微组织具有显著的影响[44],热轧过程中高温促使的动态软化是典型的热激活过程,合金中原子运动频率随着热轧温度的升高逐渐加剧,原子扩散更加容易,位错滑移的临界分切应力降低,可开动的滑移系增多,从而使晶粒之间的变形协调性增加,动态软化效应得以加强。从工艺角度来说,钛及钛合金比热容小,高温活性强,轧制温度过高会导致轧件中心与表层温度分布不均,轧件表面开裂、氧化和析氢腐蚀等缺陷问题[45];热轧温度过低,则会由于TC钛合金塑性加工性能差,增大轧制难度,因而热轧温度的选择在钛及钛合金热轧生产过程显得尤为关键。

TC4钛合金属于双相钛合金,轧制过程中涉及到固态相变,工程上TC4钛合金的初轧温度通常在相变点以上,二火次及后续的火次在相变点以下。在轧制温度对TC4钛合金中厚板显微组织和力学性能的影响规律研究中,任万波[46]研究结果表明在(α+β)两相区,随着轧制温度降低,TC4钛合金中厚板的晶粒尺寸不断减小,强度、塑性和韧性不断增加,但过低的轧制温度常常伴随着轧件的质量问题,如板形不良和边部裂纹等。LUOYM等[45]将锻造的等轴TC4钛合金分别在840、870、900和930℃(图13a~图13d)下进行轧制,热轧温度对显微组织的影响可描述为:轧制温度低于900℃时,α晶粒沿轧制方向伸长,没有观察到明显的动态再结晶和相变行为;当轧制温度大于900℃时,晶粒发生再结晶和相变,拉长的初始α晶粒的比例随着轧制温度的升高而降低,而再结晶的等轴α晶粒和层状αs+β组合的比例增加;当轧制温度达到930℃时,由于动态再结晶和相变行为,轧件呈现典型的双峰组织结构。图13e~图13g表明轧制温度对TC4钛合金的动态力学性能也有很大影响,动态力学性能各向异性的趋势随轧制温度变化而变化,RD方向上热轧温度对TC4轧件的伸长率影响明显,TD方向上热轧温度为930℃时流变应力明显增高。

合适的轧制温度的选择不仅会影响TC4钛合金板材的组织和性能,还会涉及到加工工序的简易程度。

3.2变形量

TC4钛合金变形抗力大、热加工区间窄,针对不同轧件产品,轧制时的应变量(压下量)控制十分重要[47]。当应变量较小时,晶粒破碎不完全[48]。

然而,由于钛合金的变形抗力较大,如果在较大的变形量下进行轧制实验,虽然会促进晶粒破碎完全,细化组织,增强轧件力学性能,但是也容易引起轧件内部应力集中,从而增加了裂纹形成的风险并且变形量较大,也需要更大的轧制力,这也影响轧辊的使用寿命。

赵冰等[49]在800~950℃范围内,将60%、70%、80%和90%共4种应变量作为变量条件,研究TC4钛合金热轧过程中显微组织的演变,结果表明低变形量下合金组织以网篮状为主,存在少量的再结晶等轴组织。但当变形量达到90%时,网篮状组织厚度明显减小,片层的排布呈现一定的规律性,等轴组织的晶粒规格也显著减小。姚学峰等[48]研究发现在不同变形量热轧后TC4钛合金的显微组织和力学性能变化规律(图14),随着变形量的增加,TC4钛合金中得超细晶粒数量明显增加,位错缠结程度增加,亚晶的数量增多,TC4钛合金的屈服强度和抗拉强度明显增加,伸长率在60%变形量之前增加,而后明显减小。轧制过程中应变量对钛及钛合金终态产品的组织形态具有较大影响,工程上通过调控火次之间的变形量来控制轧件的组织形态。

3.3应变速率

钛及钛合金的轧制速率较钢材低,热轧工艺中应变速率对钛合金轧件显微组织有着显著影响,随着应变速率的增加位错积累速率较高,而动态回复引起的位错湮灭速率较低,因此钛合金轧件中位错密度迅速积累到较高水平,位错之间相互作用形成位错缠结等,塑性变形能力受限,因而轧件的变形抗力较大,轧件的流变应力明显升高。位错和晶界等晶体缺陷会为二次α相提供较大的异质形核位点。因此,作为二次α相的异质形核位点的晶体缺陷随着应变速率的增加而急剧增加,导致二次α相在晶体缺陷处析出,分布不规则[50],这对轧件的最终质量会产生影响。因而合适的应变速率对改善轧件质量起到关键作用。

LUOYM等[45]研究发现应变速率对TC4钛合金组织的影响取决于变形温度:实验测得合金的β转变温度为1263K,初生α相的晶粒尺寸在1203K以上随应变速率的增加而减小,但在1203K以下则呈现振荡趋势;在1223K以上,随着应变率的增加,体积分数曲线呈振荡趋势,但在1223K以下,初生α相的体积分数减小。YANGLQ等[51]研究了初始等轴组织TC4钛合金在850~930℃温度范围、0.01~1s^-1应变速率范围和70%应变量条件下显微组织演变和力学性能变化规律。图15a~图15c白色箭头所指区域是拉长的α晶粒之间动态再结晶形核区域,在高应变速率下合金没有足够的时间释放畸变能,动态再结晶形核数量明显增多。从图15d的真应力-真应变曲线可以看出高应变速率的应力值较低应变速率应力值更高,造成该现象主要是由于随应变速率升高,一方面激发位错增值速率,加工硬化效应明显,另一方面合金动态再结晶软化没有足够时间发生,塑性变形无法充分完成,动态软化效应减弱。钛及钛合金具有相对较低的热导率,无法有效地传递和分散轧制过程中产生的热量,高速轧制过程中热量聚集,温度梯度上升,增加塑性流动失稳的可能性。

3.4冷却速率

TC4钛合金的相变行为随着冷却速度的增加依次经历扩散相变、块状相变和马氏体相变[52]。当冷却速度较快时,固溶原子没有足够的时间扩散,会形成过饱和的固溶α′马氏体[53]。冷却过程中,根据冷却速度不同,可能发生的相变有α′、a″马氏体相变、无热ω相变和等温α相变。常见的淬火过程的主要相变有α′、a″马氏体相变和无热ω相变,选择合适的冷却速度和冷却方式对提升钛材产品质量起到明显的促进作用。

梁爽等[54]在TC4钛合金完成热轧工艺之后,采用3种冷却方式:空冷、层流冷却和水冷,研究结果表明,空冷条件下,部分α相被拉长,轧件的抗拉强度呈现各向异性,塑韧性均不高,综合性能较层流冷却和水冷要差;层流冷却条件下,被拉长的α相数量明显增加,轧件的各向抗拉强度较高;水冷条件下,轧件的抗拉强度各向异性得到明显的改善,断面收缩率及伸长率均较高,综合性在3种冷却方式中最佳。欧梅桂等[55]对TC4钛合金进行0.1~80℃·s^-1不同冷却速度处理,分析冷却速度对合金显微组织和力学性能的影响。当冷却速度为0.1℃·s^-1时,TC4钛合金的显微组织呈现为片层状β转变组织(图16a),冷却速度达到0.5℃·s^-1时,层状β转变组织明显细化(图16b)。冷却速度的提升使得β片层厚度减小,提高了TC4钛合金的强度(表1),这主要是由于增多的相界面阻碍了位错运动。冷却速度过大时TC4钛合金组织转变的六方晶格的过饱和固溶马氏体,使得合金的伸长率和断面收缩率降低(表1)。通常情况下,钛合金冷却时具有很强的尺寸效应,在相关研究中,应考虑到轧件尺寸,设计更宽泛的冷速范围或充足的冷速形式。

4、热轧过程中缺陷形成机理

与钢、铝等合金相比,钛合金加工温度窗口窄、工艺参数敏感性强,从而容易出现一系列宏微观问题,如裂纹、组织不均匀等缺陷。本节针对TC4钛合金热轧时出现的表面裂纹、塑性流动及绝热剪切带进行分析,以期研究上述缺陷的形成机理,为优化TC4钛合金轧制工艺提供参考。

4.1热轧裂纹

TC4钛合金的导热系数通常比普通钢要低,开轧温度过高轧件表面和中心区域的温差将会急剧升高,伴随着相变将会导致轧件变形不均,轧件出现组织缺陷,如板带边裂(图17a)、表面裂纹(图17b)等问题[56]。钛合金在热轧热轧过程中,氧元素与轧件表面的钛亲和力强,不断往基体里面扩散,在轧件表面形成富氧层,容易出现裂纹,对轧件的塑性和韧性产生伤害[57],相关研究表明TC4钛合金轧件裂纹处氧、氮元素含量异常偏高,加剧轧件加工性能恶化[57]。崔岩等[58]研究了TC4钛合金和纯钛在热轧工艺中轧件吸氧形成富氧层的现象,结果发现TC4钛合金相较于纯钛在结构上更为疏松多孔,表明TC4轧件吸氧速率和总量明显多于纯钛。

进一步从图18可以看出,TC4钛合金的富氧层明显大于纯钛,其表面裂纹较纯钛严重。虽然TC4钛合金现存热轧工艺中设计了防氧化措施,如涂敷防氧化材料,但这些材料较注重防氧化,而未过多重视其热塑性。TC4钛合金在轧制后仍存在大量裂纹,经分析后发现这些裂纹周边较多的富氧层。因此,亟需开发出钛合金轧制专用的、具有一定热塑性的防护剂。同时,在热轧过程中需要设定合适的热轧参数,尤其在道次之间重视抢温工作。

4.2局部流动失稳

钛合金在热轧工艺中,组织中的加工硬化和动态软化同时发生,在加工硬化的塑性做功和诱发动态软化的高温热量共同作用下,钛材局部区域将会出现温升过快的现象,导致局部组织软化,而塑性变形会率先集中在此区域。局部和整体的变形不均匀导致组织演变差异,即产生局部流动失稳现象[59]。TC4钛合金的比热容较钢材等金属要低得多,热轧过程中的产生的热量散布不均,局部区域的温升和软化较为突出,因此,常常可以观察到局部塑性流动失稳现象的发生[60]。

刘诚等[61]在TC4-DT钛合金热变形实验中,研究了轧件局部流动失稳区域组织形貌形成机理(图19),晶粒变形的均匀性明显较低。分析发现这是由于在1s^-1和10s^-1的高应变速率下,极短时间内完成的塑性做工的能量在轧件中无法迅速散去,造成局部组织区域的温度上升过快,动态软化作用明显,发生局部流动失稳现象。研究结果表明高应变速率下TC4钛合金更容易发生局部流动失稳,流变应力不易达到稳态。局部流动塑性失稳导致TC4钛合金的裂纹形成、力学性能下降和变形能力减小,降低了材料的负荷能力和寿命,通过调整轧制工艺和方式能够有效减弱流动塑性失稳的发生。

4.3绝热剪切带

高速冲击、装甲侵彻和轧制成形等高应变速率下[62],材料容易发生严重的塑性变形行为,即绝热剪切现象[63]。“绝热”[64]是指仅仅几十微秒的变形过程中,塑性功转化的热量无法有效散去,轧件中出现绝热区域,该区域被称为绝热剪切带(Adia-baticShearBand,ΑSΒ)。绝热剪切与局部流动失稳的形成机理相似,但是相较于局部流动失稳,ASB经历快速升温-急剧冷却过程,狭长带状的、剪切变形高度局部化的变形区域甚至能够穿越整个轧件,对轧件的质量会造成严重破坏。TC4钛合金具有较低的比热容和热传导系数[65],且α相的滑移系较少,在剪切变形中呈现出对温度和应变率的高敏感性[66]。

LUOYM等[67]研究了应力状态(包括动态剪切和单轴动态压缩)对热轧TC4钛合金绝热剪切带的影响。结果表明:单轴压缩时TC4钛合金热轧板横向试样的绝热剪切敏感性最高,轧制方向的试样绝热剪切敏感性最低,而在动态剪切条件下,轧件的绝热剪切敏感性的各向异性则表现出与之相反的趋势。EL-MΑGDE等[68]通过对比TC4钛合金、Al合金和Mg合金在不同应变速率下的流动行为和延展性,发现TC4钛合金板材绝热剪切带的生成,对应变速率具有较高的敏感性。杨柳青等[65]通过研究TC4钛合金绝热剪切带中显微组织演变,发现轧件ASB区域主要由基体、过渡区和ASB组成(图20),从基体到ASB区域显微组织的演变规律为:等轴α晶粒和间隙β晶粒逐渐被拉长,小角度晶界逐渐成长为大角度晶界,并伴随着亚晶和再结晶晶粒数量的增长,ASB区域由于发生动态再结晶,晶粒尺寸较小,且没有明显的织构取向。

5、热轧过程数值模拟

科学实验、理论推导和数值模拟已经成为当今材料研究领域3种主要研究手段,热轧过程中轧件的应力场、温度场以及微观组织演变的准确预测和精确控制,对于通过热加工和热处理获得钛合金所需的机械性能非常重要。随着计算能力的快速发展以及对数值模拟机理的深入理解,有限元模拟及介观组织模拟等模拟方法已经被开发出来并成功地应用于模拟钛合金热轧工艺流程。

5.1有限元模拟

有限元法是基于连续介质假设,对连续体进行离散计算的一种方法[69]。目前,有限元法多用于宏观尺度的模拟,众多商业有限元软件如ANSYS、Abaqus、MSC.Marc和Procast等在模拟的精准性上取得了巨大的成功[70]。在钛合金热轧工艺研究过程中发现,轧件质量缺陷问题,如表面裂纹、板凸度差及边部裂纹等,多是由于热轧工艺参数选择不当导致的。钛合金具有相对较低的导热系数,热轧中的板坯中心与表面、中部与边缘存在明显温度差,温度不均进一步引发不连续的塑性变形,从而诱发轧制质量缺陷。徐森等[47]利用有限元软件MSC.Marc建立TC4钛合金热轧模型,研究热轧工艺过程中板坯温度变化规律,研究发现轧件表面与中心达到最大温度差120℃时,由于温差过大,轧件表面出现开裂缺陷,模拟结果与现场实测值符合(图21)。SHIJ等[71]采用有限元热力耦合法和Abaqus软件对TC4钛合金半成品管进行研究,分析开轧温度和轧制速度对TC4钛合金温度、轧制力和功率的影响,研究了900℃和2.93m·s^-1输送速度下的TC4轧件温度场、应力场和应变场情况(图22)。

最终通过实际热轧测试结果验证了TC4钛合金无缝管轧制过程的模拟精准性,管道形状与仿真结果吻合良好。有限元模拟结果分析为实际TC4钛合金轧制过程工艺参数的制定提供了有效指导,有效改善了轧件的轧制质量缺陷。

5.2介观组织模拟

钛合金在热轧工艺过程中,显微组织在加工硬化和动态软化的共同作用下会发生显著的变化,对介观显微组织变化的模拟,常见的有几何法[72]、蒙特卡罗(Monte

Carlo,MC)法[73]和元胞自动机(CellularAutomaton,CA)法[74]。目前CA法在模拟TC4钛合金的微观组织演变方面应用广泛,尤其是在回复、再结晶、晶粒长大、相变

和凝固等组织演变方面的研究已经取得重要的研究成果。

在钛合金的热轧过程中,晶粒变形、再结晶形核及长大的动态再结晶行为普遍发生,刘诚等[75]建立了TC4-DT钛合金热加工过程中动态再结晶的元胞自动机模型,模拟结果表明TC4-DT在热变形过程中显微组织的变化规律,并用动态再结晶理论进行了解释,根据模拟条件进行了相应的热加工实验,结果表明CA模拟与实验结吻合度良好(图23)。

HANF等[76]基于位错驱动形核和晶粒生长动力学理论,建立了模拟动态再结晶的元胞自动机模型,以分析TC4钛合金在热压缩变形过程中的显微组织演变,模拟结果表明:随着应变的增加、应变速率的降低和变形温度的升高,再结晶体积分数和再结晶平均晶粒尺寸稳步增加(图24a)。将模拟的流动应力-应变曲线与实验得到的应力-应变曲线进行对比,验证了元胞自动机模型的合理性和准确性(图24b)。

6、展望

TC4钛合金综合性能优异,已成功应用于航空航天、海洋工程、石油化工及生物医疗等领域,其占所有钛及钛合金应用总量的50%以上。本文通过阐述国内外关于TC4钛合金热轧过程中组织演变和性能控制机理的研究,发现该合金在热轧时仍存在较多问题,文中虽提出一些改进、优化该合金热轧工艺的方法及措施,但关于TC4钛合金轧制技术的进一步发展仍需要持续完善。对TC4钛合金轧制提出以下3点展望。

(1)微观组织的精细控制:TC4钛合金的热轧过程中,显微组织与力学性能的复杂变化密切关联。微观结构的演变不仅直接影响材料的流变行为,还在很大程度上决定了其力学性能。因此,借助深入的变形机理研究,有必要深刻理解钛合金组织演变的规律。通过深入的组织控制研究,优化加工参数,可以精细地调控钛合金的微观结构,从而显著提升材料的质量与性能。

(2)工艺参数的智能调控:TC4钛合金对于热轧工艺参数,如轧制温度、应变量以及应变速率,表现出高度的敏感性。只有在适宜的热轧温度区间内,才能获得均匀的组织、细小的晶粒以及卓越的力学性能。同时,智能调控工艺参数有助于实现协调变形,从而避免在轧制过程中引发缺陷的隐忧。

(3)融合实验与数值模拟的深度研究:当前TC4热轧工艺研究,正处于实验数据与数值模拟技术融合的重要阶段。结合实验数据,可以深入了解轧件的宏观变形以及微观组织的演变规律。通过精准的数值模拟,能够更好地解析材料在复杂工艺条件下的行为。这一深度研究路径,不仅有助于提升国内TC4钛合金轧件的质量,还将有力地推动其在高端应用领域的拓展。

综上所述,TC4钛合金在热轧工艺中的研究具有重要的理论和实践意义。通过精细组织控制、智能工艺调控以及实验与数值模拟的深度融合,可以为提升合金质量、拓展高端应用领域打下坚实基础,进一步促进我国在钛合金领域的创新与发展。

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