引言

钛合金具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，其棒材制品用于制作飞机螺旋叶片、紧固件、螺栓等军用产 品，以及钛合金人造骨骼、汽车阀门弹簧、阀杆、海产品养殖网箱和眼镜架等民用产品l1]。目前钛合金棒 材成型方法主要有铸造、锻造、轧制、挤压等塑性加工方法，其中小规格棒材生产主要采用轧制成型。

我国是钛资源大国，但小规格钛合金棒材轧制技术还不是很成熟，目前钛合金棒材工业化生产仍然采用钢材 生产工艺与设备，或者在已经淘汰的横列式轧机上生产。如在三辊横列式轧机上轧制钛合金棒材，由人工将 轧件喂入轧机，在一台轧机的上、下孔型中反复轧制后，再横移至下一架轧机轧制。轧制速度慢、时间长、 轧制温度不能保证；轧机刚度差、致使产品精度低、质量差，不能满足高端市场产品要求。另外，钛合金产 品需求具有小批量、多品种的特点，用高速线材生产方式生产钛材也是不经济的，且用普通两辊轧机生产 的产品存在折叠与表面划痕等质量问题，产品性能同样不能保证。

钛合金产品研究正向着高性能化、低成本化方向发展，即在追求某一性能指标的同时，还注重综合性能的匹 配，如强度、塑性、韧性的匹配等。产品的性能与生产工艺、组织的多样性有必然的联系[5--7]。由于上述 原因，目前国内钛合金棒材生产工艺难以生产高性能的产品，因此研究改进钛合金棒材的轧制成型技术，获 得尺寸精度高、力学性能优良的棒材产品是现在急需解决的问题。本文分析了钛合金轧制成型特点，综述了 通过调整工艺和选择轧制方式来提高钛合金棒材轧制成型性的研究。

1、钛合金轧制成型特点

钛合金轧制坯料通常为较大规格的锻棒，由于冷却速度不同，锻棒在室温下的组织为针状、细片状或粗片状 形态的β转变组织。这种组织具有较高的蠕变抗力和断裂韧性，而疲劳强度和拉伸塑性较低。钛合金棒材的 加工通常希望得到拉伸和疲劳性能良好的等轴组织，然而锻棒在室温下的片层状组织很稳定，只有通过两相 区的强烈变形才能使其等轴化，所以室温下钛合金变形抗力高、难变形是制约钛合金轧制成型的原因之一。 因此，钛合金的轧制成型通常是在一定温度下进行的。

轧制变形量大，有利于细化组织，提高力学性能；变形量小，在轧制过程中只发生动态回复。然而钛合金塑 性差，道次变形量小。因此，由于道次变形量小导致的钛合金组织粗大是轧制成型的重要特点。

钛合金轧制成型的另一个特点是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。为了保证轧制在设定的温度范围内以及保证轧件温度均匀，道次间 需要对轧件进行加热。另外，因为轧制过程中孪晶和织构的积累以及加工硬化，导致轧制变形越来越困难， 所以为了能够继续变形，需要在道次间对轧件进行加热，使大量的孪晶发生再结晶，提高材料塑性，使材料 在后续轧制中不开裂。

2、提高钛合金棒材轧制成型的途径

基于上述分析，影响钛合金轧制成型的主要因素有变形抗力高、道次变形量小、加热退火、多道次轧制、温 度分布不均匀等。为了提高钛合金棒材的轧制成型性及组织性能，通常通过2条途径解决，即优化轧制工艺 和选择轧制方式。

2.1轧制工艺优化

从铸锭开始至成品制件，钛合金棒材的加工是多工序的。_丁艺流程依次包括熔炼、锭坯、扒皮、锻造、精 锻、修磨、加热、轧制、热处理、矫直、切断、检查、包装等，其中，轧制和热处理工艺是决定产品组织性 能的关键因素。因此，通过优化轧制温度、轧制速度、道次变形量等工艺参数以及选取合适的热处理制度， 可以达到改善轧件组织、提高轧制成型性的目的。

2.1.1轧制温度

钛合金棒材热轧区分为β相区、α+β相区和跨β相区。在β相区变形时，所有钛合金(α、α+β和β合金) 都具有单相合金特有的组β晶粒和晶内α片层被压扁、拉长、破碎，轧制力求沿金属流动方向拉长，形成纤 维状组织。随着变形程度的增加，晶粒和片层进一步被弯曲和拉长，发生片状组织向球状组织的转变。在实 践中，常从β相区开始变形，在α+β相区结束变形，形成的组织取决于在α+β相区的变形程度。通常，变 形 程度为50~60%，组织为等轴状，变形程度较小时，由交替的片状和球状构成，组织不均匀。因此，钛合金的 变形机制与轧制温度相关，而要确定合理的温度制度，需要综合考虑合金成分、变形量和变形速率等。

徐锋等分析了TC6棒材在轧制温度为970℃、940℃、880℃时的显微组织，TC6的相变点温度为60℃。TC6合金 于970℃(β区)进行轧制后，显微组织全部由尺寸较小的β转变组织组成，在其晶界上有大量的断裂扭曲的 短片状晶界α相；于940℃(上α+β相区)轧制后，显微组织中初生α相为扁球状，β转变组织尺寸更小而且 析出的片状次生α呈扭曲状；于880℃(下α+β相区)轧制后，α相形态为扁球状和扭曲的短片状。可见，通 过调整轧制温度。可以得到不同组织的钛合金棒材。因此，轧制过程中可以选择多个温度轧制以控制组织， 提高塑性。

2.1.2变形量

在轧制过程中，变形量是很关键的参数。变形量过大，材料有可能开裂；变形量过小，影响棒材的组织和性 能，降低生产效率。

周廉等口研究了热变形对TB-13合金组织的影响。结果表明，变形量为32%时，组织特征为β的扁平晶粒， 晶粒未发生动态再结晶；变形量为50%时，β基体发生刃型位错的攀移和螺旋位错的交滑移；当变形量增至 59%时，晶粒才发生动态再结晶；当变形量达到75%时，晶粒为细小的等轴β组织。

陈慧琴等研究发现，在α+β相区轧制，若α相和β相以可比较的数量同时存在并同时经受变形，且当变形 程度大于60%时，晶界的条状α相和晶内的片状α彼此之间的差别逐渐消失，发生片状组织向球状组织的转 变并形成超细的晶粒组织。

2.1.3变形速率

变形速率也是重要的轧制工艺参数之一。应变速率越大，单位时间内就必须驱使更多的位错移动，这些位错 之间相互作用，形成位错缠结等，导致材料变形抗力升高。反之。

应变速率降低，材料动态回复或动态再结晶速度等于加工硬化的速度，或材料产生的连续动态再结晶抵消了 加工硬化，材料经过加工硬化后保持稳定。

罗皎等⋯研究了变形速率对TC4变形抗力的影响，随着应变速率的增加，变形抗力显著升高。然而，王斌等认 为在快速变形条件下，由于畸变能的剧烈增加，引起动态回复和再结晶，出现明显的软化现象，引起变形抗 力显著下降；相反，在慢速变形条件下，由于动态回复过程的相对加强，畸变能较难增加，再结晶很难发生 。可见，应变速率对动态回复、动态再结晶及变形抗力有显著影响。

2.1.4热处理

轧制后的钛合金棒材加工硬化现象严重，组织不稳定，不利于二次加工成型，所以需对钛合金棒材进行热处 理，以提高合金的塑性。另外，钛合金棒材在轧制过程中也需进行退火处理，以利于后续轧制。

葛鹏等。研究了热处理制度对Ti-1300合金组织和力学性能的影响，TTi-1300合金棒材经β相变点下固溶时 效处理后强度高，塑性好；若经β退火，随炉缓冷后时效处理，通过调节出炉温度参数，也可以获得不同的 性能。熊爱明等研究了热处理制度对TC6钛合金显微组织的影响，加热温度和保温时间对钛合金显微组织的 影响很大。

2.2轧制方式

轧制方式是影响钛合金棒材力学性能和轧制成型性的主要因素。优化轧制方式、调整工艺路线能提高产品综 合性能，并能节约能源消耗、提高经济效益。目前，钛合金棒材轧制方式主要有二辊连轧、三辊横列式轧制 、步进轧制、螺旋轧制、Y型轧制以及多种加工方法的组合。二辊连轧和三辊横列式轧制方法与普通钢材轧 制方法几乎没有区别，本文不再详述。

2.2.1步进轧制

步进轧制是将轧制和锻造两种变形特点结合在一起的加工方式，它同时具备锻造的大变形和轧制速度快两个 特点。图1是扇形轧辊步进轧机的工作原理图。扇形轧辊分为4个半模，呈90°分布于圆形牌坊之内，轧辊表 面呈圆锥形，轧制时几个轧辊同时绕其轴往复摆动，压缩金属并使其形成变形锥。轧辊的逆向行程是空行程 ，可以使金属得到恢复和软化，从而改善材料的加工塑性。

赵永庆等研究发现，φ50mm锻棒Ti-6Al-2Sn-2Zr经过步进轧制后，棒材整体室温拉伸性能均匀，经α/β固 溶+时效处理后获得双态组织，强度、塑性达到良好匹配。σ_b≥1150MPa，σ_0.2≥ 1040MPa，δ≥14%，

φ≥30%；经β+α/β固溶+时效处理后得到片层状组织，强度较高，塑性偏低。

表1为步进轧机生产的钛合金棒材，步进轧机轧制的轧材四向受压，受力状态为三向压应力，提高了棒材的 塑性和冲击韧性，道次延伸系数大，金属得到充分加工，组织细化，性能提高。

步进轧制后的坯料经辊模拉伸可制取不同尺寸和断面的棒线材，辊模拉伸兼有轧制和拉伸的优点，拉伸钛材 的速度为整体模拉伸的2～4倍，需要的拉力减小30～50%。因此，步进轧制+辊模拉伸尤其适合低塑性金属及合金的变形。

2.2.2螺旋轧制

莫斯科钢及合金学院研制出的微型螺旋轧机可以轧制直径小于10mm的棒材，材质有BT1-0、BT3-1、40XH、60号钢、12×18H10T，加热温度为930～1160~℃，延伸系数为1.6～4.34。

生产工艺流程如图2所示，加热后的坯料在MHCcl00T轧机上预变形至φ25～50mm，随后将坯料送MHCc10—30 轧机上轧至10～25mm。

研究表明，螺旋轧制产品的直径公差小于等于0.5％，弯曲度小于等于0.75mm/m，塑性相对纵向轧制提高了 25～30%，强度相对纵向轧制提高了8%～15%，工艺流程短，免去了常规工序中的矫直工序。

2.2.3Y型轧机连轧

Y型三辊轧机最初应用于冷轧带肋钢筋，逐渐发展为热连轧铝、钼、镍等金属，是一种高效轧机。2006年太 原科技大学开发了Y型轧机钛合金棒材连轧生产线，可生产φ30mm以下的棒线材及对边距离小于30mm的六角 方直条。Y型轧机3个轧辊呈Y型分布，由直流电机通过减速箱传动机架内的3个轧辊，其水平辊为主传动辊， 靠锥齿轮传动其它两个辊，每个轧辊互成120°，以正Y和倒Y交替布置，如图3所示。

与常规线棒材轧制生产线相比，该生产线具有以下优点：(1)轧件处于三向压应力状态，变形条件好，轧件 表面质量好，开裂、劈头少，减少了连轧堆料事故，成材率高；(2)省去了中间加热工序，生产流程短，作 业率高；(3)孔型共用性高，实现一定规格的自由轧制，增加了产品规格；(4)生产线采用了专门控制轧辊和 轧件温度的冷却系统，由控制台统一进行闭环控制，从而保证了工艺的稳定性和产品的质量；(5)机架体积 小，质量轻，调整和搬运方便，结构布置紧凑，占地面积小。

秦建平等开发设计了24机架Y型连轧机组，可将φ60mm的TC4、TC16棒材连轧至φ5.5mm，产品如图4所示。产 品尺寸精度符合要求，轧件经热处理后综合性能高。该生产线已在钛合金棒材工业生产中得到应用。

2.2.4二辊轧制+拉拔

乌克兰国立冶金大学与喀山发动机制造厂l联合研制燃气涡轮发动机用六方棒单机架轧机及其轧制技术。用 特殊孔型的单机架两辊轧机进行多道次轧制，轧出成品六方棒的尺寸公差为±0.10～±0.15mm。图5为二辊 孔型图，l号孔为空轧孔，2、3、4、5号孔为工作孔。空轧孔直径比六方棒的最大尺寸大30～40mm，其功能 是在经过每一道次轧制后棒料都要通过l号孔翻转60°。2、3、4、5号孑孔每个孔型都可轧制出一种规定尺寸的六方棒。

2.2.5行星轧制

三辊行星轧机由3个绕轧制轴线互成120°的带渐锥形辊的辊座及相应的调整装置组成。3个倾斜的轧辊轴线 与轧制中心线构成碾轧角β和偏转角α，围绕棒坯的轴线按120°平均分布，如图6所示。轧辊由10～20个变 形区段组成，每一个变形区段在瞬间完成定径过程，最后由10～20个小变形区段组合成整体变形，完成整个 变形过程，使道次变形率可达80%以上。

三辊行星轧机的变形属于小变形量，轧制力不大，但由于连续积累形成了宏观上的大压下量，故三辊行星轧 制过程的应力状态好，有利于提高轧制质量。试验表明，对加工温度范围较窄的难变形金属材料(如镍钛合 金等)均试轧成功。

3、结束语

钛合金作为一种新兴的金属结构材料，有着丰富的资源和广阔的应用前景，但钛合金价格昂贵，为了进一步 扩大钛合金产品的使用范围，就必须大幅度降低其制造成本。目前应用最广的二辊、三辊轧制方法需要在轧 制过程中对棒材进行多次退火，工序繁杂，影响棒材性能。

合理的选择轧制方式和调整工艺参数是提高钛合金棒材精确成型和组织性能的有效途径，用多辊轧制代替两 辊轧制，以及多种成型方式组合是开发高精度、高性能钛合金棒材产品的发展方向。运用步进轧制、Y型轧 制、螺旋轧制、行星轧制以及多种成型方式组合，辅以合适的轧制温度、变形程度、变形速率、热处理工艺 等，可以进一步提高钛合金棒材轧制成型性。但是上述提到的钛合金棒材轧制方式也存在诸多局限性，如步 进轧机轧制的钛合金棒材头尾微观组织有一定的差异、螺旋轧制速度慢、Y型轧机连轧稳定性差等，有的尚 未在实际生产中得到应用，很多技术还处在实验室阶段，技术不成熟。因此进一步探索和改进钛合金棒材轧 制工艺和轧制方式，对大规模高效率生产高性能钛合金棒材具有重要意义。

参考文献

1 黄永光.中国钛标准40年[J].中国有色金属学报，2010，20(专辑1)：890

2 AbbasiSM .MomeniA.Effectofhotworkingandpost—de—formationheattreatmentonmicr0structureandtensilepro-pertiesofTi一6A1—4Valloy[J].TransNonferrousMetalsSocChina，2011，21(8)：l728

3王永哲，张鹏，田琳.热处理制度对TC4小棒材组织和性能的影响[J].中国有色金属学报，2010，20(s1)：638

4王田，陶海林，胡宗式，等.Ti一6AI一4V合金棒材纵向连轧的温度变化EJ].中国有色金属学报，2010，20(S1)：789

5BalasubramanianTS，BalakrishnanM，BalasubramanianV，eta1.Influenceofweldingprocessesonmicrostructure，ten—sileandimpactpropertiesofTi一6A1—4Valloyjoints[J].TransNonferrousMetalsSoeChina，2011，21(6)：1253

6SalemAA，GlavicicMG，SemiatinSL.Theeffectofpre—heattemperatureandinter-passreheatingonmicrostructureandtextureevolutionduringhotroilingofTi一6A1—4V[J].MaterSciEngA，2008，496：169

7SongJH，HongKJ，HaTK，eta1.Theeffectofhotro-llingconditionontheanisotropyofmechanicalpropertiesinTi一6Al一4Valloy[J].MaterSciEngA，2007，449—451：144

8 CuiWF，JinZ，GuoAH，eta1.Hightemperaturedefor-mationbehaviorof(It+7-typebiomedicaltitaniumalloyTi一6A1—7Nb[J_J_MaterSciEngA，2009，499：252

9 WarchomickAF，StockingerM，DeglscherHP.Quantita—tiveanalysisofthemicrostructureofneartitaniumalloy duringcompressiontests[J].JMaterProcTechn，2006，

177：473

10 MoiseyevVN.Titaniumalloys：Russianaircraftandaero-spaceapplications[M].TylorFrancis：CRCPress，2006：l69

11费跃，常辉，唐斌，等.热轧变形对TB-13合金组织和织构的影响[J].中国有色金属学报，2010，20(专辑1)：6

12陈慧琴，林好转，郭灵，等.钛合金热变形机制及微观组织演变规律的研究进展rJ].材料工程，2007(1)：60

13徐锋，黄爱军李阁平，等.热工艺对TC6钛合金显微组织的影响[J].金属学报，2002，38(9)：174

14罗皎，李淼泉，李宏，等.TC4钛合金高温变形行为及其流动应力模型[J].中国有色金属学报，2008，18(8)：1395

15王斌，郭鸿镇，姚泽坤，等.热压参数对TA15合金流动应力及显微组织的影响[J].锻压技术，2006(6)：106

16 葛鹏，周伟，赵永庆.热处理制度对Ti一1300合金组织和力学性能的影响-J].中国有色金属学报，2010，20(专辑I)：1068

17 熊爱明，黄维超，陈胜晖，等.热处理制度对TC6钛合金显微组织的影响[J].中国有色金属学报，2002，12(专辑1)：206

18李辉，赵永庆.Ti-6—22—22S合金步进轧制工艺Dn.T-棒材研究[J].钛工业进展，2004，21(6)：19

19 李东.步进轧制Ti一6A1—4V合金棒材显微组织细化研究[I)].西安：西北工业大学，2006

20王国宏.利用径向一切向轧制工艺生产汽车用钛合金零件[J].钛二r业进展，1999(3)：19

21刘晶，王立华，樊静波.Y型轧机圆锥齿轮的安装误差对轧件质量影响[J].重型机械，2010(5)：29

22惠保卫.Y25O轧机圆钼杆料生产工艺研究[J].中国钼业，2009，33(6)：48

23MinJH，KwonHC，LeeY.Analyticalmodelforpredic—tionofdeformedshapeinthree-rollrollingprocess[J].JMaterProcessTechn，2003，140：471

24王国宏，宁兴龙.钛合金六方棒的轧制技术_J].钛工业进展，2001(3)：28

25杨英丽，赵彬，苏航标，等.钛棒线材短流程制备新技术[J].钛工业进展，2009(6)：35

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