引言
TC4鈦合金具有優(yōu)異的綜合性能，產(chǎn)量占到整個(gè)鈦合金產(chǎn)品的50%以上，而其中宇航工業(yè)用量超過(guò)80%［1-3］，主要被用做飛機(jī)的承力構(gòu)件，其約占承力構(gòu)件用鈦合金用量的70%~80%［4］。目前，世界上一些國(guó)家制備大型鈦合金材料的技術(shù)已經(jīng)成熟，并制定有相應(yīng)的規(guī)范，例如美標(biāo)AMS4911L中Ti-6Al-4V（TC4）鈦合金板材最厚可達(dá)100mm。而因受制備工藝、使用水平等的限制，我國(guó)高性能的大規(guī)格TC4鈦合金厚板（厚度大于40mm，寬度大于2000mm）的制備仍面臨諸多挑戰(zhàn)［5-7］。
隨著TC4鈦合金板材厚度增加、寬度變大，控制其組織均勻性、保持其強(qiáng)塑性匹配等的難度也將增大，而采用適宜的熱加工方法是制備大規(guī)格TC4鈦合金厚板的有效途徑［8-11］。本研究以熱模擬試驗(yàn)所獲得的熱加工圖為參考，對(duì)變形量、軋制溫度等工藝參數(shù)進(jìn)行了探索，并在西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)西部鈦業(yè)）2800mm四輥熱軋機(jī)上成功制備出板形良好且組織均勻的大規(guī)格TC4鈦合金厚板。
1、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)用TC4鈦合金鑄錠經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉而成，質(zhì)量為5t。鑄錠經(jīng)扒皮后在上、中、下部分別取樣并進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，主元素Al、V以及雜質(zhì)元素Fe、O在鑄錠上、中、下部分布均勻，無(wú)偏析，完全滿(mǎn)足制備大規(guī)格TC4鈦合金厚板的要求。
鑄錠經(jīng)超聲波探傷后切除冒口和錠底，然后在大噸位快鍛機(jī)上經(jīng)多向鍛造鍛成板坯［12］。在板坯頭部橫斷面取樣，觀(guān)測(cè)厚度方向中部的顯微組織。在板坯頭部橫斷面同時(shí)切取10mm的壓縮試樣，在Gleeble1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)。其中，變形溫度分別設(shè)定為800、850、900、950、1000、1050℃，應(yīng)變速率分別設(shè)定為0.01、0.1、1、10、20s-1。
接下來(lái)將板坯經(jīng)加熱、換向熱軋、普通退火、表面處理后得到40~70mm厚TC4鈦合金板材。利用MTS試驗(yàn)機(jī)測(cè)試板材的室溫拉伸性能；利用奧林巴斯顯微鏡觀(guān)察其金相組織。
2、結(jié)果與討論
2.1板坯的組織形貌
TC4鈦合金厚板坯的金相組織如圖1所示。由圖1可以看出，經(jīng)多向鍛造后，板坯組織均勻，晶粒平均尺寸約為15~20μm，鑄態(tài)組織已被完全破碎，為板材軋制后得到良好組織打下了較好的基礎(chǔ)。
2.2熱模擬試驗(yàn)
不同溫度和應(yīng)變速率下TC4鈦合金板坯的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。
從圖2可以看出，在一定的變形溫度下，隨著應(yīng)變速率的增加，應(yīng)變硬化和軟化現(xiàn)象更為明顯，變形抗力增大。而在一定的應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的升高，硬化和軟化現(xiàn)象減弱，變形抗力減小。由此可見(jiàn)，溫度的升高對(duì)材料流變應(yīng)力的改變有著非常明顯的效果，即隨著溫度的增加其流變應(yīng)力大大降低，表明材料發(fā)生了快速軟化。
通過(guò)熱模擬試驗(yàn)，獲得的TC4鈦合金的加工圖（變形程度ε=0.1~0.5）如圖3所示。由圖3可以看出，TC4鈦合金的加工圖大致可分為兩區(qū)域，白色區(qū)域?yàn)闇囟群蛻?yīng)變速率均適合進(jìn)行熱加工的范圍，但對(duì)于大規(guī)格TC4鈦合金板材工業(yè)規(guī)模的制備，應(yīng)變速率為0.01s-1和0.1s-1的區(qū)域不適用，會(huì)導(dǎo)致熱軋過(guò)程中溫降嚴(yán)重［13-14］。因此，對(duì)于大規(guī)格TC4鈦合金板材制備來(lái)說(shuō)，加熱溫度900~1050℃，應(yīng)變速率1~10s-1左右為其最佳的熱變形工藝條件。
2.3成品板材的組織形貌
在對(duì)板坯進(jìn)行熱軋時(shí)，根據(jù)熱加工圖得到的最佳熱變形工藝條件，應(yīng)控制應(yīng)變速率為5~12s-1，加熱溫度為900~980℃，并且最后一火次軋制時(shí)須保證道次的最大變形率不低于15%~20%，否則易使心部組織粗大。在合理的軋制溫度、變形速率以及道次變形率下所制備的厚度為40~70mm，寬度為2300mm的TC4鈦合金成品厚板的照片如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，大規(guī)格厚板的表面光滑，無(wú)裂紋、凹坑等缺陷，并且板形良好，可達(dá)到美標(biāo)AMS4911L的要求。
成品板材熱軋態(tài)及退火態(tài)的金相組織照片如圖5所示。從圖5a可見(jiàn)，熱軋后TC4鈦合金厚板為雙態(tài)組織［11-12］，主要由晶粒尺寸約為25μm的等軸初生α相和寬約1μm、長(zhǎng)約10~15μm的拉長(zhǎng)次生α相以及晶間β相組成。與TC4鈦合金板坯金相照片（如圖1）比較發(fā)現(xiàn)，熱軋后的晶粒尺寸略大于板坯的晶粒尺寸。圖5b為退火后TC4鈦合金厚板的金相照片，晶粒在寬度方向和軋制方向上的尺寸較為一致，表明經(jīng)過(guò)普通退火熱處理，TC4鈦合金厚板可獲得晶粒尺寸約為25μm的均勻組織。
2.4成品板材的室溫力學(xué)性能
70mm厚的TC4鈦合金板材退火后的室溫拉伸性能如表2所示。可以看出，板材的強(qiáng)塑性匹配良好，且力學(xué)性能較標(biāo)準(zhǔn)要求有較大的富余量。此外，板材橫向、縱向的強(qiáng)度差值小，僅為20~40MPa，且延伸率接近相同，即板材的各向異性小。
3、結(jié)論
（1）通過(guò)熱模擬試驗(yàn)結(jié)果所制定的熱軋工藝成功制備出綜合性能優(yōu)異的大規(guī)格TC4鈦合金厚板。
（2）TC4鈦合金厚板軋制的關(guān)鍵工藝參數(shù)及其適宜的控制范圍為加熱溫度900~980℃，應(yīng)變速率5~12s-1，最后火次的道次最大變形率不低于15%~20%。
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