钛合金轧制新工艺

钛合金精密轧制新工艺摘要：随着我国经济的飞速发展以及科学技术的不断进步，我国钛合金材料以其独特的优势特点，广泛地应用到了军事、医疗等各个领域，对于推动我国的发展做出了重要的贡献。本文通过对钛合金性能特点、研究现状和生产过程技术的难点出发，对钛合金轧制的先进加工工艺进行了简要介绍。关键词：钛合金；精密轧制；新工艺。0、引言：金属钛作为一种稀有金属，是优质的耐蚀轻型结构材料、新型的功能材料和重要的生物工程材料，这些优点使钛被称为继钢铁、铝之后崛起的“第三金属”和“战略金属”。目前钛合金的研究正向着高性能化、低成本化方向发展，但钛合金轧制加工技术还不是很成熟，其产品难以满足高端市场的需求。为了制造满足性能要求的钛或钛合金可用部件，半成品必须加工成最终形状。这要求采用与其它常用金属相似但又具有自身特点的加工成型方法。由于钛产品的初期成本已经相对较高，而人们又试图最大限度地降低加工成本，并同时希望达到其最佳性能。因此，精心选择加工路线和开发加工工艺特别重要。因此，针对钛合金轧制成型特点，论述了通过改进轧制工艺提高钛合金综合性能的方法，并指出了钛合金轧制存在的问题和今后的发展方向。1、钛合金性能特点钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构。钛，882℃以上为体心立方的日钛。钛合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：α钛合金，β钛合金和α+β钛合金。由于合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，是航空业。医疗业等行业的重要原材料。钛合金性能特点主要表现在：（1）强度高、热强度高、耐蚀性好钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60%，但钛合金的比强度（强度、密度）远大于其他金属结构材料。其次，钛合金热稳定性好，在中等温度下仍能保持所要求的强度，在300℃～500℃条性下，仍有很高的比强度，约为铝合金的3～4倍。钛合金对应力腐蚀的抵抗力特别强，且表面形成的致密的氧化膜对酸、碱、氯化物、氯的有机物品具有优良的抗蚀能力。因此在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等方面都有对钛合金使用。（2）导热性能差钛的导热系数入=15.24W/(m.k)约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%，因而散热慢，不利于热均衡，特别是在钻削加工过程中，散热和冷却效果更差，在切削区易形成高温。（3）钛及其合金化学活性高钛及其合金能与空气中的0、N、H、C0、CO2、水蒸气等产生化学反应，在钛合金表而形成TiC及TiN硬化层，使得脆性加大，塑性下降；在高温高压下加工，与刀具材料起反应，形成溶敷，扩散而成合金，不利于轧制加工。2、钛合金实现精密轧制技术难点目前，在钛合金轧制生产中，由于单批次需求较小，较多地采用无张力精密轧制。然而，钛合金精密轧制却具有较多的技术难点：（1）钛合金塑性差，道次变形量小，不利于细化组织，降低了力学性能，在轧制过程中只发生动态回复；（2）一些品种的钛合金强度高（如TC（4Ti-6Al-4V），退火后σs≥900MPa），并且由于钛具有各向异性，使无张力轧制变形抗力大，同时钛的弹性模量较小、弹性回复大，这些都使得钛合金轧制负荷大、相对压下率小、轧程多、轧制道次多；（3）为避免轧辊与轧件之间的烧附现象导致轧件表面光泽度降低，也需要减小压下率与轧制速度，增加轧制道次；（4）在钛合金板带钢生产过程中，单张板无张力轧制不同于成卷轧制（板带钢），缺乏在线厚度、轧制板形自动调节，板厚、轧制板形质量的保证极为依赖设定模型精度；（5）轧制过程需要多次退火。在开放的轧制环境中，合金和空气、轧辊等的传热使轧件表面温度下降很快，轧件心部温度由于变形生热的原因，温度反而上升，表面与中心形成较大的温度梯度，在轧制过程中容易产生表面裂纹；（6）由于缺乏张力的内在调节机制，轧制极容易发生内应力过大导致的屈曲失稳，形成表观轧制板形缺陷。目前，无张力精密轧制变形抗力大、轧制道次多，是轧制精度最难保证的轧制生产方式，而自动化闭环控制条件的缺乏，使其极为依赖设定值的计算精度。然而，现有国内钛合金轧制生产线过程自动化系统的开发相对滞后，缺乏精确的设定模型，在生产现场，往往采用以下方法来保证轧制形状：设定辊缝后每轧制一道次，保持辊缝不变，再往复轧制几道次来稳定轧制板形。但这样做会影响生产效率，且容易由于人工操作失误降低产品轧制板形质量。3、钛合金轧制生产技术研究现状由于钛合金轧制过程控制模型研究涉及多个学科，其中，轧制变形机理研究属于材料压力加工领域，轧机轧制板形调控性能分析与轧机的机械特性研究密切相关，过程控制系统开发则需要充实的控制理论及应用基础，为保证模型计算精度进行基于生产实测数据的统计建模，则需要将应用数学领域的先进成果进行移植。结合我国目前钢铁板带材生产技术相对成熟的现状，自主开发钛合金轧制工艺可以充分学习和借鉴我国在钢铁轧制工艺和过程控制模型开发方面的成熟经验和技术，从而起到事半功倍的效果。目前，在钛合金板带轧制工艺开发领域的研究主要集中在以下几个方面。3.1钛合金轧制设备及工艺研究钛合金按照亚稳状态相组成可分为α型、近α型、α+β型、近β型、亚稳定β型和β型6类；按照退火后的组织特点分为α型、β型、α+β型共3类。我国的钛合金牌号用TA、TB、TC（分别对应α、β、α+β型合金）后跟一个代表合金顺序的数字表示[1]。其中，α型钛合金室温强度相对较低，高温性能好，组织稳定，焊接性和热稳定性好，典型牌号如TA1（99.2％Ti，也即工业纯钛）、TA2（99.1％Ti）。α+β型钛合金具有良好的综合性能，可热处理强化，强度比α型合金高，热加工性能好，耐热性能和焊接性能较好，但组织不够稳定，典型牌号如TC（4Ti-6Al-4V）。钛及钛合金板带的生产依据设备条件、生产量及对产品质量的要求各有特色，较为普遍的生产流程为：海绵钛—压实—一次熔炼—二次熔炼—锻压钛毛坯—热轧板坯—表面处理—热轧—退火—酸洗—轧制—真空退火—成品剪切—钛板或钛卷。其中“冷轧-真空退火”工艺可根据总厚度压下率分为多个轧程，根据不同的合金牌号每轧程压下率在25%～60%之间。钛及钛合金板带轧制设备以4辊、6辊单机架可逆轧机以及20辊森吉米尔轧机为主[4]。小批量的单张板无张力轧制是与带卷轧制长期并存的轧制方式，然而由于加工工艺的缺陷，目前其板厚、轧制板形精度均依赖人工操作经验，基本采用“边看边轧、反复擀平”的生产方式。因此，开发高精度的板厚、轧制板形设定模型是极为迫切的需要。3.2轧制规范优化设计的研究对于钛合金多道次轧制来说，设定控制的首要问题是轧制变形规程的设计问题。目前，生产现场大多根据生产经验制定轧制规范系数，按照规范系数求得压下率分配，然后用数学模型计算力能参数，并以设备和工艺限制条件进行校核后得出辊缝、速度等控制系统设定值。轧制规范的内容包括多个道次的相对压下率、相对轧制力、相对功率以及单个道次的绝对轧制力、绝对功率等，用以描述道次压下率的相对与绝对分配关系。钛合金无张力轧制具有批次产量小、规格多变的特点，传统的按照厚度、宽度规格离散化保存相对压下率、相对轧制力等规范数据的方式是缺乏适应性的。为此，北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心（以下简称“国家板带中心”）提出一种新型的轧制规范设计方法，即找到道次压下率分配中的本质属性，能够依据一定的轧制规范优化目标、依据轧制道次的变动灵活调整轧制规范。轧制规范优化目标的选取是一个热点研究问题，对于较厚规格的轧制，多考虑表征设备负荷能力的等相对负荷裕度目标与综合等负荷目标。4、钛合金先进轧制工艺4.1环件控温轧制工艺环件轧制技术又称辗扩，是一种生产无缝环件的特殊加工工艺。利用轧辊对环件壁厚进行连续碾压，使环件产生塑性变形、壁厚均匀变小、环件直径扩大的轧制工艺环件控温轧制工艺分为径向轧制和径一轴向轧制。径向轧制技术一般生产小直径环件，工艺如下：下料一加热一制坯一轧制一校验一检查。径一轴向轧制技术主要用于生产大型环件，其工艺过程比小直径环件轧制过程增加了一个加热工序，下料一加热一制坯一再加热一轧环一热处理一校验一检查。由于对于大型环件制坯时，坯料表面积大，散热较快，而且大型环件制坯用时长，所以制坯完成后，需进行再次加热，进而进行轧制。在环件径一轴向轧制开始前，首先根据目标产品尺寸对环件毛坯进行设计，然后根据轧制设备条件以及环坯材料特性设计关键的轧制工艺参数。这些参数包括轧制速度、芯辊进给速度、导向辊的抱紧力、锥辊的轴向进给速度以及自转速度。工艺参数的正确选择，决定了环件轧制成型最终质量能否实现。在环件轧制过程中，对于某些特殊材料需要进行控温轧制，其控制轧制流程主要如下：首先是环件毛坯的温度必须满足工艺要求。坯料锻造完成后，若坯料温度适合轧制，则将环件置于轧环机上进行轧制，直至完成。若制坯完成后，环件温度低于轧制温度范围，或在轧制温度范围内但温度偏低，这种情况下应停止轧制，将坯料返炉进行再次加热，当温度达到轧制工艺要求时，再进行轧制。若环件较大，轧制用时较长，则需在轧制过程对环件进行多次加热，保证环件在轧制温度范围内进行轧制。在环件轧制过程中，对轧制运动参数进行合理的设计，驱动辊转速要适当。驱动辊转速太快，环件转动惯量太大，将会导致轧制不稳定，影响环件的椭圆度；驱动辊转速太慢，轧制用时太长，在环件温度降低后，轧制变形抗力增大，导致轧制不能进行；芯辊进给速度要合理。芯辊进给速度太大，环件将不能被咬入孔型，同时也影响环件的圆度；进给速度太小，环件未被轧透，环件直径不会扩大，而且在环件轴向端面容易产生鱼尾形状缺陷；导向辊的运动轨迹和运动速度要合理，运动速度和运动轨迹合适的导向辊可以保证环件轧制的稳定进行，同时可以提高环件的圆度；相反，则将会出现将环件压扁，或起不到约束环件及保证轧制稳定进行控温轧制是通过控制工艺流程实现金属在轧制过程中完全再结晶的轧制工艺，控温轧制要求全部变形必须在奥氏体再结晶区间进行，终轧温度必须高于奥氏体再结晶的最低温度，每道次变形量必须高于奥氏体再结晶的临界形变量。实现控温轧制，主要是控制金属在某个温度范围内完成变形。通常这个温度范围应在奥氏体再结晶温度区间，从而使成型轧件结构和组织均能符合要求。对于黑色金属控温轧制有利于控制脱碳，使晶粒得到细化，改善材料组织性能，同时可以控制氧化铁皮的产生。在进行线材轧制过程中，通常粗轧是在奥氏体再结晶区进行，通过反复变形使再结晶晶粒得到细化；而之后的变形过程，包括中轧、预精轧和精轧，则在奥氏体未再结晶温度区间进行轧制成型。这样可以得到存在于大变形带的奥氏体未再结晶晶粒，进而相变后获得结构细小的铁素体晶粒。4.2三辊Y型轧制工艺三辊Y型轧机的三个辊中一个为主动辊，其它两个为被动辊，通过锥齿轮啮合实现对被动辊的驱动。粗轧和中轧每两架轧机通过齿轮减速箱由一台电机驱动，精轧机组则是一台轧机由一台电机驱动，从而使调速更加方便可靠。三个轧辊通过六个轴承座处的压下螺丝来对中，而孔型大小的调整则通过轴承座与机架间放置调整垫片来实现，使孔型调整更加简便准确。轧机的布置形式为正Y——反Y——正Y——反Y……，正Y型轧机为下传动，反Y型轧机为上传动，对于粗轧和精轧机组，每两架轧机（即一架正Y型轧机，一架反Y型轧机）通过齿轮减速机由一台电机驱动，因此，齿轮减速机的两根输出轴上的齿轮齿数比就是前后两架轧机的速比。整个轧制过程的轧制速度输出与反馈由PLC控制，因此，轧制速度的精度很高，便于调速和速度系统的改进。用三辊Y型轧机代替以前的二辊轧机轧制钛合金线材是因为Y型轧机有很多优点：①实现了单线无扭转微张力轧制，速度高。由于使用的孔型系统是正三角和倒三角交替的孔型系统，因此不需要扭转导管，可实现无扭轧制。通过合理的孔型系统设计可把张力控制在微小的范围内；②机架体积小，重量轻，搬运方便，结构布置紧凑，占地面积小；③表面质量好，劈头少，减少了连轧堆料事故，因而成材率高。这主要是由于轧件在三角孔型中变形时，处于三面压缩，六面加工，变形均匀和宽展小的有利变形状态。也正是因为这种孔型特点，Y型轧机特别适用