TC4鈦合金棒熱矯直試驗工藝

前言

鈦及鈦合金的小規格棒材一般通過軋制生產，但在加熱、軋制和熱處理等過程中，由于溫度和塑性變形分布不均勻，以及剪切、運輸和堆放等原因，往往會產生不同程度的彎曲，這時就須通過矯直處理，以確保棒材彎曲度能滿足使用要求。

鈦及鈦合金棒材常用的矯直方法有壓力矯直和輥式矯直，而小規格的棒材則一般采用輥式矯直，其效率較高。但對于鈦及鈦合金小規格棒材來說，往往經過多次的矯直后仍然不能達到理想的效果，甚至常會發生矯直過程中直接斷裂的問題。本文針對鈦及鈦合金小規格棒材的熱矯直進行了研究，提出了一種簡單、便捷、低投入的加熱矯直方法。

1、現狀分析

1.1 鈦及鈦合金彈性模量低、屈強比高，冷矯困難

常用鈦及鈦合金的室溫彈性模量[1]如表1 所示，大多低于120GPa，因此，鈦及鈦合金棒材在較小的應力條件下即會發生較大的彈性變形，回彈大，不易矯直；且其較多鈦合金的屈強比在0.9~1 之間，矯直過程中極易發生斷裂。因此，鈦及鈦合金棒材一般需要采用熱矯，才能保證矯直效果。

1.2 鈦及鈦合金小規格棒材往往由于批量小、裝備不配套等因素，導致熱矯成本高，效果不好

目前鈦及鈦合金的用量相對仍然較小，實際生產過程中，往往單批次訂貨量僅為幾百公斤，甚至幾十公斤，且規格繁多。而一般工廠往往裝備的是加熱能力較大的加熱爐，其一次裝爐量可達幾噸或幾十噸，因此在對鈦及鈦合金棒材進行加熱矯直時，往往加熱成本較高。其次，一般工廠布置的矯直設備往往離加熱設施較遠，在對鈦及鈦合金小規格棒材進行加熱后再轉運至矯直設備時，棒材溫度往往已損失嚴重，導致矯直效果大幅降低。若專門為鈦及鈦合金棒材的矯直建設相應的配套加熱、矯直設施時，實際設備利用率又較低，經濟性較差。因此如何選擇一種高效、經濟的鈦及鈦合金棒材熱矯方式即成為工廠急待解決的問題。

2 、試驗方法

2.1 試驗所用材料及設備

試驗采用的材料為經軋制加工獲得的TC4鈦合金棒材，如圖1 所示，棒材的規格為φ35mm × 3500mm，棒材彎曲度為5~12mm/m。試驗所用的設備包括一臺普通焊機電源裝置、一臺9 輥矯直機和一個手持式紅外測溫儀。

2.2 試驗方法

試驗在矯直機參數設置一致的情況下，如表2所示，采用6個方案來進行棒材的加熱矯直試驗，以研究鈦棒的加熱效果及隨后的矯直效果。其中第1至第5個方案中，設定了不同的焊機電源輸出電流及加熱時間，第6個方案為不加熱鈦棒而直接進行矯直試驗。

棒材的加熱溫度檢測采用手持式紅外測溫儀測量。每個方案中，隨機在同一批軋制的TC4鈦合金棒材中分別選擇10支棒材進行矯直試驗。

另對方案4、5、6 中矯直的棒材各隨機選兩根分別取樣退火后進行室溫拉伸性能檢測，以分析加熱矯直對棒材室溫拉伸性能的影響，試樣的退火制度為780℃ × 1.5h，空冷。

3、試驗結果與討論

3.1 棒材的加熱、矯直情況

棒材的加熱、矯直情況如表3 所示，由表2 中數據可看出，第1 個方案中，棒材的加熱溫度為515℃，棒材矯直后的彎曲度為≤6mm/m，未能達到國標GB/T2965 標準中規定的φ35mm 棒材彎曲度≤5mm/m 的要求。第2 至第5 個方案中，棒材的加熱溫度達到了644℃~751℃，棒材矯直后的彎曲度為≤3mm/m，達到了標準要求，矯直效果較好，矯直的棒材如圖3 所示。第6個方案即未加熱直接矯直的棒材，其彎曲度為≤10mm/m，與棒材的原始彎曲度相比，沒有得到明顯改善，矯直效果較差。

3.2 棒材的性能檢測結果

棒材室溫拉伸性能檢測結果如表4所示，采用方案4、5、6 矯直的棒材的室溫拉伸性能無明顯差異。

3.3 分析討論

3.3.1 加熱矯直效果分析與討論

通過6組方案中棒材的加熱矯直效果進行對比可知，采用方案2~方案5加熱矯直的棒材，彎曲度≤3mm/m，矯直效果較好，說明方案2~方案5設定的電流及時間可較好地使該規格的TC4鈦合金棒材滿足矯直要求。

另通過對比可知，方案1中，矯直后的棒材彎曲度未能達到標準要求的原因應是加熱溫度較低造成，但實際效果仍較未經加熱而直接矯直的效果好。

TC4合金的室溫電阻率為1.7μΩ·m，其電阻較高。試驗通過采用焊機與鈦棒組成的電路可看成是一個純電阻電路，而電阻電路中的熱量公式為：

Q=I²Rt=IUt （1） 式中

Q——電流通過導體產生的熱量/J；

I——通過導體的電流/A；

R——導體的電阻/Ω；

U——導體兩端的電壓/V；

t——通電時間/s

因此，鈦棒的加熱效果與相應的電流、電壓及通電時間有關。加熱試驗中，焊機電源可調整輸出電流，因此通過調節電流即可以控制鈦棒的加熱效果，從而精確地控制鈦棒的加熱溫度。試驗采用的棒材加熱方法易于掌握、控制。當棒材加熱至一定溫度后，即可將其快速采用輥式矯直機進行矯直。

試驗采用焊機電源作為TC4鈦棒的加熱電源，與其組成一個簡單的串聯電路，連接方便，而TC4鈦棒經加熱2~3min 后即可實現較好的矯直效果。同時，焊機一般工廠均會配備，實際生產中，可快速、方便地在矯直機旁即可采用焊機對鈦棒進行加熱，其占地面積小，設備適用，移動方便。其次，焊機輸出大電流，低電壓，對于小規格TC4鈦合金棒材，既 可滿足快速加熱要求、達到矯直效果；又實現了安全、便捷、高效、低投入的要求。

而我們知道，鈦及鈦合金棒材的電阻率等物理特性又相近，因此，通過采用合適的電流、加熱時間后，即可實現其它小規格鈦及鈦合金棒材的矯直。

3.3.2 加熱矯直對鈦棒的室溫拉伸性能影響分析與討論

由表4 可看出，經過加熱矯直的棒材的室溫拉伸指標與未經加熱直接矯直的棒材的室溫拉伸指標基本保持一致，說明該加熱、矯直方案未對棒材的室溫拉伸性能造成影響，該工藝適用可行。

同時，由表4 也可看出，該合金棒材的屈強比最高已達到了0.99，若采用冷矯直的話，極易發生斷裂，難以達到矯直效果。因此，采用加熱矯直的工藝是合理的。

4、結論

采用焊機與TC4鈦合金棒材組成的電路對TC4鈦棒進行加熱后再矯直的方法，實現了鈦棒的快速加熱矯直，又實現了安全、便捷、高效、低投入的要求；同時，矯直的棒材的室溫拉伸性能指標與未采用加熱矯直的棒材的室溫拉伸性能指標基本一致。該方法可推廣應用于其它鈦及鈦合金小規格棒材的矯直。

參考文獻

[1] 鄒武裝等. 鈦手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2012.8：338-366