航空航天低溫結構材料用TC1鈦合金板材熱加工性能研究運用

引言

鈦與鈦合金在金屬材料中占據了重要地位，具備較高的科學研究價值與應用價值，也是近年來科研領域的一項重點內容。在“一帶一路”倡議與“中國制造2025”規劃綱要不斷深化的新時代，由制造大國轉變為制造強國已成為我國現階段肩負的重要任務之一。

在完成此項任務的過程中，制造業涉及的重點領域如航空航天裝備、海洋工程裝備、高技術船舶、先進軌道交通設備、新能源汽車、高性能醫療器械等各方面制造內容都與鈦合金息息相關，鈦合金材料發展也相應步入關鍵階段。在此背景下，探索鈦合金板材熱加工性能也相應成為新時代制造業需要深入研習的重要課題。

1、TC1鈦合金相關概述

鈦與鈦合金是新時代日漸為人所重視的金屬材料，自身具備較多優勢，如密度低、比強度高、工作溫度范圍廣、耐蝕性強等，在航空航天等各領域得到了廣泛應用。TC1鈦合金在低溫與超低溫狀態下仍能保持自身力學性能，且具備良好的低溫性能，因而鈦合金屬于低溫結構材料。在此基礎上，鈦合金具備較強的化學活性，能與大氣中的氧、氮、氫、二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。當鈦合金中的含碳量大于0.2％時，鈦合金中形成硬質TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產生的硬脆表層深度可達0.1～0.15mm，硬化程度為20％～30％。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表面產生粘附現象。鈦合金具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好。但鈦合金工藝性能相對不理想，不易進行切削加工困難，在對鈦合金進行熱加工時，其極易吸收大氣中的氫氧氮碳等雜質。且鈦合金抗磨性差，生產工藝相對復雜。鈦合金在工業化生產領域中的應用自1948起，新時代由于航空工業發展需求，鈦工業發展更為迅速。在不斷探索中，鈦合金至今已有近三十種型號，其中廣泛使用的鈦合金為Ti-6AI-1V(TC1)、Ti-6Al-4V(TC4)、工業鈦（TA1、TA2和TA3）等[1]。

2、熱加工工藝相關概述

2.1熱沖壓工藝

沖壓成形是金屬加工途徑中相對傳統的一類，此工藝主要在于分離板料或成型。其中成型工藝需要首先保障避免板料出現破裂，同時利用板料自身的塑性，將其加工變形，使其成為所需形狀的同時具備所需尺寸。在提倡可持續發展的新時代，節能環保等理念日漸深入人心，且生產安全也相應日漸為人所重視，新能源汽車制造工藝成了日漸為人所重視的新領域，鈦合金材料在其中的應用也日漸廣泛，熱沖壓技術的應用頻率隨之提升。在應用熱沖壓工藝時，需要將加工變形的鈦合金板材進一步加熱，使其升溫至高于材料結晶的溫度，再將其沖壓成形。熱沖壓工藝的主要原理在于利用鈦合金材料在高溫環境下變形抗力不足的特質，金屬塑性增強而提升材料成形效果。在材料成形后則需要及時冷卻，以此提升材料強度[2]。

傳統沖壓工藝普遍為冷沖壓，熱沖壓工藝與之相比更具優勢。在使用熱沖壓工藝時，材料自身變形抗力能相應降低，從而更易完成塑性變形。在此過程中，材料在接受沖壓時所受的壓力也隨之減小，壓力機的噸位需求也相應降低，回彈的控制情況也相對更為理想，鈦合金板材制成的零件尺寸更為精準。但在享受此類優勢的同時，熱沖壓工藝自身也需要投入更多成本，其生產線投資數額更大，模具設計流程更為復雜，生產成本隨之提升，且對生產環境要求更高，尤其對空氣環境具備較高要求。且熱沖壓生產過程中廢品率也相對更高，生產效率相對不理想。我國對熱沖壓工藝的探索相對起步較晚，2009年由大連理工大學汽車工程學院胡平教授團隊與長春偉孚特汽車零部件有限公司聯合開發出了國內第一條具備完全自主知識產權的高強鋼板熱成形生產線，至今僅具備十余年歷史，仍需在后續發展過程中不斷探索更多先進工藝[3]。

2.2拉深工藝

拉深工藝也被稱作拉延工藝，此工藝需要利用特定模具將平板毛坯制成開口零件，也屬于一種沖壓工藝。此工藝在沖壓行業中占據的比例相對不大，現階段我國能做好沖壓工藝的企業數量也相對有限。拉深工藝涉及的手法相對豐富，如連續沖壓拉深、傳送式拉深、機械手模組式拉深、液壓拉深等。拉深工藝涵蓋的生產方式相對復雜，具備較強的綜合性，在建筑、汽車、五金等各個行業都得到了廣泛應用。為使拉深工藝得到進一步應用，探索鈦合金板材熱加工性能也是每位從業人員需要考慮的重要問題。

3、TC1鈦合金板材熱加工性能試驗

3.1材料與設備

此項試驗需要準備厚度為1mm的TC1鈦合金板材，同時準備Gleeble-3500熱模擬試驗機。

3.2方法與過程

在測試TC1鈦合金板材熱加工性能時，相對常見的試驗為高溫單向拉伸試驗。經此試驗所獲得的材料強度數據與塑性性能數據具備較大作用，對TC1鈦合金板材后期設計工作、選材工作、新材料研制工作、材料采購與驗收工作、產品質量控制工作、設備安全評估工作等各個環節都具備極為重要的參考價值與應用價值[4]。

在試驗之前，需要對試件做好清潔工作，并在其標距段上焊接熱電偶，以此監控其溫度變化，此后再對試件進行裝夾，使試驗環境保持真空狀態。隨后即可投入試驗，行將試件加熱，達到試驗溫度后再保溫五分鐘，保障試件各部位溫度呈均勻分布狀態。但試件在受熱后將出現膨脹變形等現象，為應對此現象則需要及時調整夾具位置，避免熱膨脹影響試件長度。在完成各項操作后，仍需依據設定的應變速率拉伸試件，以0.01、0.001、0.0001s^-1進行拉伸，直至試件斷裂，熱電偶基本能在試件斷裂時脫落，而脫落后即終止數據采集，即可導出試驗數據，如圖1所示。

3.3結果與分析

由TC1鈦合金高溫單拉流動應力曲線（圖2）可知，同行溫度時TC1鈦合金應變速率下降的同時，流動應力也隨之下降，但最大斷裂應變則隨應變速率下降而增大。由金屬普遍存在的物理屬性來看，應變速率增加后，金屬的變形抗力也隨之增加，且溫度升高對此現象產生的影響更為顯著。當溫度升至500℃、應變速率為0.01s^-1與0.001s^-1時，反映應力的應變曲線所表現出的硬化階段也相對較長，應力升至最大后即出現迅速下降的情況，此情況下加工硬化更為主要。而在500℃、0.0001s^-1時，試件出現屈服，應力迅速升至最大，同時能在短時間內保持不變，再緩慢降低，整體呈現出熱軟化特點。當變形溫度為550℃、600℃、650℃時，試件出現屈服后，其流動應力迅速升至最高，試件也相應步入平衡應力狀態。當應變逐步增加后，溫度相同但應變速率不同的情況下出現的應力差距也具備較為明顯的規律，此現象說明熱軟化的作用相對明顯，動態再結晶情況也相應存在[5]。

3.4總結與展望

3.4.1總結

在對厚度為1mm的TC1鈦合金板材進行不同溫度環境下的變形試驗，探究了TC1鈦合金板材在各個溫度下的熱加工性能，明確了TC1鈦合金板材高溫情況下的拉伸變形能力，總結出了TC1鈦合金在不同變形條件下的拉伸真實應力應變曲線。最終得出TC1鈦合金板材熱加工性能共存在七項特質：

其一，TC1鈦合金在室溫下抗拉強度相對較高，基本能達到1288MPa，但室溫下的塑性相對較差。當對TC1鈦合金板材加熱后，溫度升高的同時流動應力相應降低。在變形溫度高于600℃時，TC1鈦合金塑性出現了顯著提升，平均抗拉強度下降至620MPa。

其二，當TC1鈦合金板材處于高溫與低應變速率時，板材自身塑性相應出現較大提升。

其三，當TC1鈦合金板材拉伸溫度上升至700℃時，合金出現動態再結晶的情況。處于熱拉伸狀態中的TC1鈦合金板材主要微觀組織演變機制為動態回復與動態再結晶。當TC1鈦合金板材處于850℃時，其拉伸性能相對較為理想，此溫度下的TC1鈦合金板材平均伸長率可高達60%。因此在對TC1鈦合金板材進行熱加工時的建議溫度可保持在700℃—850℃之間。

其四，當室溫達到300℃之間，TC1鈦合金薄板成形性相對不理想，難以將其拉深成為圓筒件。但在300℃時，則可拉深出合格的圓筒件，其極限拉深指數為0.66。

由此可知300℃是TC1鈦合金板材能被成功拉深的臨界成形溫度，此數值能為后續制造提供參考價值[6]。

其五，當TC1鈦合金板材所處溫度達到800℃時，高強TC1鈦合金薄板的LDR值升至最大，此值為2.28，說明800℃為TC1鈦合金板材的最佳拉深溫度。依照不斷加熱后的反應可知，加熱溫度也是影響TC1鈦合金板材拉深性能的重要因素之一。

其六，優質TC1鈦合金板材的熱拉深工藝參數為溫度800℃，沖壓速度10%（4mm/s），壓邊力為10kN，其潤滑方式為高溫潤滑脂。

其七，為使TC1鈦合金板材提升塑性，可采取提升加熱溫度的方式，此方式的主要原理在于位錯運動易使再結晶導致的晶粒細化。當溫度不斷提升后，TC1鈦合金拉深件斷裂形式也相應出現變化，由脆性斷裂轉變為韌性斷裂，材料自身的塑性加工性能也相應得到了較為理想的改善。

3.4.2展望

在使用TC1鈦合金板材完成此項試驗之余，仍存在需要進一步強化的部分。

首先，此項試驗選擇了熱軋TC1薄板，此類薄板向異性與冷軋板相比更小，拉伸試驗僅能選擇沿板料軋制方向截取拉伸式樣。但在實際拉深試驗中仍存在相對明顯的凸耳情況，為避免此類情況，可在后續工作中沿其他方向截取拉伸式樣，如沿軋制方向45°角的方向截取等。在此基礎上也可強化對TC1鈦合金拉深件凸耳情況的探究，在后續工作中避免凸耳情況出現[7]。

其次，對TC1鈦合金板材的拉深試驗可改變其應變速率，也可改變拉伸式樣，以此進一步探索TC1鈦合金板材的超塑性變形研究。而在拉深試驗中也可進一步深入觀察形成杯形件的各部分金相，如增加對筒底部分的觀察、增加對底部圓角部分的觀察、增加對凸緣部分的觀察等，以此對TC1鈦合金板材實施更為全面的探究。

最后在TC1鈦合金板材拉深試驗中也可選擇各類其他厚度進行研究，以此為試驗增加校本數量，使TC1鈦合金板材的各項特性具備更為明確的展示，為TC1鈦合金板材的后續應用提供更多具備參考價值的建議，為應用TC1鈦合金的各個領域提供有力保障。

4、結語

綜上所述，TC1鈦合金板材在新時代制造業中占據了重要地位，但鈦合金板材在室溫下塑性變形范圍較小，不易成形，在加工過程中需要使用熱成形的方法完成加工。TC1鈦合金板材在熱變形時的流動應力也相應存在變化，溫度升高時流動應力降低，應變速率減小時流動應力也隨之降低。同時TC1鈦合金板材屈服強度與抗拉強度則隨溫度升高與應變速率減小而降低，伸長率則承受溫度升高而增大。在明確鈦合金板材各方面性能的基礎上，相關從業人員可依照制造需求選擇最為恰當的加工方式，使鈦合金板材在我國制造業中發揮更大作用，為我國順利轉型為制造強國奠定堅實基礎。

參考文獻

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