分享：TC4钛合金卷的热连轧工艺研究

钛及钛合金因其优异的性能广泛应用于航空、航天、航海、军用装备、医疗器械等尖端科学领域，被誉为“第三金属”和“战略金属”[1]。TC4合金作为一种典型的α–β型两相钛合金，密度小、比强度高、耐蚀耐热性能好，被广泛应用于航空、航天、军工等领域[2]。随着越来越多的钛产品涌入民用领域，TC4钛合金开始被广泛研究，部分研究人员对TC4钛合金进行锻造和热处理，研究了其组织演变规律[3−5]。王小芳等[6]对TC4-DT钛合金高温热变形行为进行研究，分析了该合金的流变应力行为和微观组织演变规律。雷文光等[7]利用热模拟实验机，对TC4-DT高温压缩热变形行为，分析了该合金的流变应力行为以及显微组织演变规律，建立了该合金的本构关系模型以及热加工图。常见的TC4加工板加工形式多以单机架可逆式轧机轧制，刘正乔等[8]虽采用热连轧装备试生产出TC4卷带，并测量热轧卷氧化层厚度和探索了工艺的可行性，但未对宽幅大卷带做连续退火工业化生产实践。

热连轧与传统的单机架可逆式轧机相比，具有生产效率高，能耗低，材料成材率高，批次稳定性及尺寸精度高等优点，本文通过2种不同的板坯及粗轧工艺，通过热连轧机组制备出表面和边部质量更加优异的TC4卷带，产品性能满足GB/T3621—2022要求。

1.   实验材料及过程

1.1   工艺流程介绍

本文研究的生产工艺如下：TC4板坯—步进式加热炉—四辊可逆粗轧机组—飞剪—8机架精轧机组—板型仪多功能仪—层流冷却—表检仪—卷取机—黑皮打捆喷号—开卷—焊接—退火—拉矫—抛丸—酸洗—质检—白皮成品打包。

1.2   实验原料

本次热轧2块TC4钛合金板坯，实验坯选用某公司3次真空自耗电极熔炼炉（VAR）熔炼熔铸、经锻造墩拔后进行扒皮铣面等工序获得的TC4板坯，板坯规格分别是1# 7142 mm（长度）×1084 mm（宽度）×185 mm（厚度）和2#7353 mm（长度）×1078 mm（宽度）×185 mm（厚度），其中，1#为常规铣面的TC4钛合金板坯，2#为表面包覆纯钛的TC4钛合金板坯，其化学成分如表1所示，2块板坯照片如图1所示。

1.3   轧制及退火方案

TC4钛合金板坯在某1780热连轧设备上进行轧制，中间坯厚度为45 mm，粗轧和精轧压下分配制度如表2和表3所示，2种板坯的粗轧工艺采用不同方案，1#板坯粗轧采用5道次工艺，2#板坯粗轧采用7道次工艺，1#和2#板坯精轧工艺一致，2块板坯的成品规格均为5.0 mm。热轧生产的TC4钛合金卷（俗称为黑皮）经后续抛丸退火（退火温度860 ℃，保温时间15 min）及酸洗，对酸洗后的TC4钛合金卷（即白皮）进行表面和边部质量检查，并测定其金相组织和力学性能。

2.   实验结果及分析

2.1   TC4带卷热轧态尺寸精度

使用多功能仪及测宽仪对1#、2#带卷测量厚度和宽度如图2所示，从图2可以看出厚度和本体宽度控制较为理想，后续生产时，需对头尾宽度进行短行程控制，来改善头尾失宽现象。

2.2   TC4带卷热轧态外观质量

TC4钛卷的外观质量如图3所示，从图3可以看出，2种板坯生产出的TC4带卷边部两侧均有边裂，边裂深度1~3 mm，这是由于TC4钛合金导热性差，卷带边部冷却较快，加之TC4塑性较差，边部更容易出现边裂，后续工业化生产时，可通过粗轧工艺不变的情况下，减少板坯厚度，减少板坯在粗轧每道次绝对压下量，并尝试投用立辊，用立辊来改善TC4合金带卷边部温降，进一步改善边部质量。

2.3   TC4卷带酸洗后表面质量

从热轧后的表面来看，2#卷的表面优于1#，1#卷表面比较粗糙，2#卷表面比较光滑，为了验证在黑皮卷上的判断，因此对热轧的TC4（黑皮卷）进行退火酸洗处理，来观察酸洗后的表面质量（白皮卷），1#、2#白皮卷表面照片如图4所示，从图4中可以看出，2#卷表面质量明显优于1#卷，与黑皮判断完全一致。这是由于2#卷表面包覆了纯钛，加热时纯钛优先氧化形成一层致密的氧化皮，该氧化皮主要有Ti、O 2种元素，成分比较简单，后续该氧化皮经酸洗被去除，因此2#卷表面比较光滑；而没有包覆纯钛的1#卷氧化皮主要有Ti、O、Al、V 4种元素。其中V元素的氧化物为V2O5，V2O5在700~900 ℃开始熔化并且挥发[9]，1#卷的板坯加热和热轧过程中，表面氧化皮V2O5熔化挥发，导致氧化皮变成疏松多孔结构。此外氧原子沿着孔洞向内扩散，不仅导致氧化皮更加粗糙，而且促使金属加速氧化，因此1#卷表面比较粗糙。

2.4   TC4带卷组织及力学性能

2.4.1   金相组织

对热轧的TC4钛合金卷在连续退火酸洗线上进行退火及酸洗处理，退火温度860 ℃，退火时间15 min，然后对1#、2#卷分别取样做金相组织分析，金相组织如图5所示，从图5中可以看出部分区域呈现典型的网篮组织形貌，有向魏氏组织发展的趋势，组织以β相为主，还有少量的α相，还可以看出非平衡凝固的柱状晶区域，中间部分为混晶区域，已经有部分针尖状α相，证明发生了少量相转变，中间α相进一步长大，导致表层和芯部呈现出中厚板常有的混晶形貌，通过JmatPro软件计算的TC4合金平衡相图如图6所示。从相图中可以看出，965 ℃以上均为β相，900 ℃时β相质量分数51.08%，600 ℃时α相质量分数95.58%，2种方案的过程温度曲线如图7所示，实际生产时由于在热轧粗轧、精轧过程中的温度较高，实际粗轧结束温度均在1000 ℃以上，精轧开始温度均在900 ℃以上，精轧结束温度在850 ℃以上，轧制过程温度如表4所示，从板坯到粗轧、精轧到成卷过程共计用时不超过4 min，热轧成卷过程较快，TC4钛合金没有足够的时间发生β→α相大量转变，因此黑皮卷以大量β组织被保留下来，TC4带卷后续经860 ℃退火后组织形貌仍以β组织为主。后续热连轧生产带卷时，在保证设备能力的情况下，通过降低在粗轧、精轧过程中的温度来改善热轧钛合金带卷及其经连续退火酸洗后的金相组织。

2.4.2   力学性能

对TC4钛合金退火态5 mm带卷拉伸性能进行测试，检测结果如表5所示。由表5可知，1#、2# TC4钛合金5 mm带卷的横、纵向拉伸性能均达到GB /T 3621—2022要求。

3.   结论

（1）1#和2#板坯通过不同的粗轧工艺制备的5 mm规格TC4热轧卷力学性能均达到了GB /T 3621—2022《钛及钛合金板材》标准要求。

（2）轧制工艺对TC4热轧卷带的组织及力学性能均可产生影响，粗轧7道次热轧表面包覆纯钛（2#板坯）的TC4钛合金卷带，表面质量更好，后续热轧工业生产时，可降低TC4板坯厚度，改善边部质量。

（3）TC4钛合金卷带经连续退火后，虽未获得均匀细小的等轴α+β转变组织，结合钢厂设备能力，降低板坯加热温度，使得TC4卷经热连续退火酸洗线工业化生产获得理想组织。

文章来源——金属世界