钛合金TC4 是一种（α+β）两相型合金，该合金具备高强度、低密度、良好的生物性以及高弹性模量等优异的综合性能，在航天、医疗、电力、化工、体育器械等多个领域中获得了广泛的应用[1]。TC4钛合金的主要半成品是棒材、锻件、厚板、薄板、型材和丝材等。钛合金丝材不仅广泛应用于航空航天等高科技领域，而且由于其耐腐蚀性高、比强度高、非磁性和形态记忆功能，也广泛应用于民用领域[2]。例如，应用于航空航天领域的钛合金丝紧固件不仅可以减轻重量和腐蚀，而且是碳纤维复合材料等结构的必要连接 ；汽车领域中，与钢弹簧相比，钛合金弹簧的重量降低了 60%~70%。医用钛丝因为具有质轻、无毒、生物腐蚀性、生物相容性好等优点而成为医用首选[3]。在海洋领域，钛合金丝制成的水产养殖网在使用十几年后仍然完好无损[4]。近年来，高性能TC4钛合金丝材更是在航空焊接、3D 打印、手机标准件多个领域内发挥关键性作用[5]。

目前，TC4钛合金丝材一般采用辊模和拉拔两种加工方式[6]。由于拉拔工艺的经济性，且采用拉拔工艺能获得更好的组织性能和表面精度[7，8]，更多的采用此工艺。但是，采用 此工艺容易造成在其它物理性能不发生变化的情况下，TC4钛合金丝材屈服强度偏低。钛及钛丝加工技术在国外得到了广泛的应用，目前采用了许多新技术和工艺，国内很少进行 这方面的研究，而且大多采用相对较旧的工艺，限制此工艺下TC4钛合金丝材进入国外高端市场，甚至在制定国家相关标准时，都没有对TC4钛合金丝材的屈服强度进行要求， 从而造成标准要求落后于美标等相关标准[9]。因此，我们要加大对钛合金丝材加工研究的投入，以满足市场需求。

为了分析拉拔工艺下屈服强度波动的原因，本文设计一套试验方案，依据试验结果，确定造成此现象的原因，进一步提出对改进的思路。钛及钛丝加工技术在国外得到了广泛的应用，目前采用了许多新技术和工艺。因此，国外钛合金质量好，规格多。然而，在国家一级很少进行这方面的研究，而且大多使用相对较旧的技术。

1、 原理分析

对金属工件施以拉力，使其通过模具孔以得到与模具孔相同尺寸和孔型的产品的加工方法称为拉拔。分析拉拔工艺，如图 1 所示，在不考虑温度的情况下，控制拉拔主要工艺指标为直径变形量和拉拔速度，而所用变形原动力均是由电机拉拔丝材作用产生的，因此丝材变形就由丝材受拉伸直径变小和受模具挤压变形这两种组成。在模具不变的条件下，拉拔速率就是使得两种变形占比的控制关键。拉拔速率是金属加工生产工艺中的一个关键工艺因素，对于变形金属的性能有较大影响。由于拉伸变形由心部拓展到表面[10], 而挤压由表面变形扩展到心部 , 所以拉拔速率将直接决定丝材表面和心部形变强化的程度。

2、 试验数据

选择经过前期加工轧制到从 Φ9mm 的TC4钛合金棒材进行拉拔加工工艺，TC4钛合金的成分为 Ti-6A1-4V，在实际的生产过程中，随着工艺操作的变化，会出现相对误差。

钛合金元素含量的高低以及杂质的量会对材料的变形性能产生影响。此外，钛合金材料的加工性能也会受到热变形过程中氧化和吸氮吸氢的影响。TC4钛合金坯料热拉伸变形后的化学成分见表 1。通过表 1 结果可以看出，合金化学成分符合 GB/T 3620.1-2007 的要求。

将钛合金棒材分两组经过多次冷拉拔到 Φ5mm 钛合金丝材成品，第一组每道次加工选用现有常规拉拔速率，即快速拉拔，第二组每道次加工选用现有常规一半的拉拔速率，即慢速拉拔。对两组 Φ5mm 钛合金丝材成品的组织分析如图 2、图 3 所示。图 2a，2b 分别为采用常规拉拔速率的组织照片，图 3a，3b 分别为采用常规一半拉拔速率的组织照片， 从图中可以看出，其组织均为 α+β 两相区加工组织，组织良好弥散且符合 GB/T 13810-2007 中附录 A-A1。

对两组成品钛合金丝材进行显微硬度测试，两组钛合金丝材成品自表面维氏显微硬度向心部维氏显微硬度的数据如图 4 所示。

将Φ的钛合金丝材成品利用无心外圆磨，在冷却液条件下分别加工到Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm，分别对以上不同直径的钛合金TC4丝材，使用 5982 电子万能试验机进行抗拉强度和屈服强度的测试，测试结果如图 5 所示。

3 、数据分析

通过图 2 快速拉拔组织，图 3 慢速拉拔组织可知，在保证变形一定的情况下，钛合金TC4 丝材的两组组织能完全均匀弥散化，但是在 1000 倍放大之下，可以明显的观察出快速拉拔下靠近表面组织与心部组织相比较，仍然存在一定的流向性，这主要是相对变形率小造成的[11]，而慢速拉拔下表面组织与心部组织差异不大。

从图 4 中可以看出，慢速拉拔后钛合金丝材的显微硬度变化不大，显微硬度在 305~314HV0.2 之间，而快速拉拔后钛合金丝材硬度在 282~315HV0.2 之间，快速拉拔后的钛合金丝材表面软心部硬，最高硬度和最低硬度相差 33HV0.2。依据拉拔工艺分析可知，丝材在变径过程中会受到拉自心部变形和受模具挤压变形两种影响[12]，由于两种加工后丝材化学成分一致，金相组织类型相同，所以强度改变主要来自形变强化[13]，即拉拔速度过快使得丝材变径中受拉自心部变形为主要变径行为。

依据图 5 力学性能测试结果可知，快速拉拔钛合金TC4丝材的抗拉强度不会随着去除丝材表面层而发生明显变化，Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm钛合金丝材的抗拉强度分别为 1012.2MPa，1009.1MPa，995.5MPa，1010.4MPa，1000.8MPa，屈服强度则随着去除表面层而提高。Φ5mm 钛合金TC4 丝材的屈服强度为780.2MPa，Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm 钛 合 金 丝 材 的 屈 服 强 度 分 别 为 816.5MPa，865.7MPa，902.1MPa，918.4MPa，916.3MPa，分别 4.7%，11.0%，15.6%，17.7% 和 17.4%。这是因为丝材有一定软化层，而当测试屈服强度时，由于拉伸速度较慢 , 依据形变强化原理，丝材表面将先发生变形，而引伸计测量的是丝材表面变形来确定屈服强度，所以就使得测量的屈服强度较低且伴随表层去除而提高[14-15]。

4 、结论

（1）钛合金TC4丝材拉拔速度是左右受拉自心部变形和受模具挤压变形两种的关键因素，且拉拔速度越快，受拉自心部变形占比越大。

（2）TC4钛丝材在保证组织类型相同和抗拉强度一定的前提下，拉拔速度过快，使得丝材心部硬表面软是造成屈服强度过低的主要原因。

参考文献：

[1]于振涛 , 余森 , 程军 , 等 . 新型医用钛合金材料的研发和应用现状 [J].金属学报 ,2017,53(10):1238-1 264.

[2]金和喜 , 魏克湘 , 李建明 , 等航空用钛合金研究进展 [J]. 中国有色金属学报 ,2015,25(2):280-292.

[3]王海波，毛小南，李东，马玉函 . 钛及钛合金丝材制备工艺的研究现状[J]. 热加工技术 ,2008,37(14) ：99-103.

[4]蒋志 .TC4钛合金棒线材冷拉拔加工工艺研究 [D]. 辽宁大连 : 大连理工大学 ,2009.

[5]吴 引 江，罗 建 军，段 庆 文 . 钛 工 业 的 研 究 开 发 现 状 [J]. 钛 工 业 进展 ,2003,20(1):1-4.

[6]王天成，柳家成 . 钛及钛合金丝的辊模拉伸 [J]. 钛工业进展 ,2001,(2) ：19-20.

[7]黄崇高，刘党伟，陆小蕊 .TC4 线材辊模拉拔工艺研究 [J]. 热加工工艺 ,2012,41(11):109-110.

[8]崔文俊 , 郭柏兰 , 崔斌 , 等 .TC4钛合金棒材挤压拉拔的金相组织和力学性能演变过程探究 [J]. 锻压技术，2017,42(10):166-169.

[9]方威 , 况春江 . 超细丝研究及其进展 [J]. 金属材料研究，2002,28(2):21-25.

[10] 夏麒帆，张松，梁益龙，欧梅佳 . 不同拉拔工艺对TC4钛合金组织及性能的影响 [J]. 热加工工艺，2018,47(11):17-21.

[11] 宋 玉 泉，管 志 平，海 锦 涛 . 拉 伸 变 形 应 变 硬 化 指 数 的 力 学 解 析[J],2001,31(2):103-108.

[12] 陈贤忠 . 生产工艺对TC4钛合金丝硬度和抗拉强度的影响 [J].2013,39(2):1-2.

[13] 洪权，戚运莲，赵永庆，杨冠军 . 钛合金丝材加工工艺的新进展 [J]. 钛工业进展，2003(2):1-4.

[14] 王显耀，李峰会，廉茂松，蔡中民 . 常速度拉伸实验惯性效应的实验研究 [J]. 实验力学 ,1995,10(3):1-4.

[15] 周伟，曲恒磊，赵永庆 . 热处理对TC4 合金组织与性能的影响 [J]. 热加工工艺 ,2005,34(8):26-27.

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