航空航天低温结构材料用TC1钛合金板材热加工性能研究运用

引言

钛与钛合金在金属材料中占据了重要地位，具备较高的科学研究价值与应用价值，也是近年来科研领域的一项重点内容。在“一带一路”倡议与“中国制造2025”规划纲要不断深化的新时代，由制造大国转变为制造强国已成为我国现阶段肩负的重要任务之一。

在完成此项任务的过程中，制造业涉及的重点领域如航空航天装备、海洋工程装备、高技术船舶、先进轨道交通设备、新能源汽车、高性能医疗器械等各方面制造内容都与钛合金息息相关，钛合金材料发展也相应步入关键阶段。在此背景下，探索钛合金板材热加工性能也相应成为新时代制造业需要深入研习的重要课题。

1、TC1钛合金相关概述

钛与钛合金是新时代日渐为人所重视的金属材料，自身具备较多优势，如密度低、比强度高、工作温度范围广、耐蚀性强等，在航空航天等各领域得到了广泛应用。TC1钛合金在低温与超低温状态下仍能保持自身力学性能，且具备良好的低温性能，因而钛合金属于低温结构材料。在此基础上，钛合金具备较强的化学活性，能与大气中的氧、氮、氢、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。当钛合金中的含碳量大于0.2％时，钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。但钛合金工艺性能相对不理想，不易进行切削加工困难，在对钛合金进行热加工时，其极易吸收大气中的氢氧氮碳等杂质。且钛合金抗磨性差，生产工艺相对复杂。钛合金在工业化生产领域中的应用自1948起，新时代由于航空工业发展需求，钛工业发展更为迅速。在不断探索中，钛合金至今已有近三十种型号，其中广泛使用的钛合金为Ti-6AI-1V(TC1)、Ti-6Al-4V(TC4)、工业钛（TA1、TA2和TA3）等[1]。

2、热加工工艺相关概述

2.1热冲压工艺

冲压成形是金属加工途径中相对传统的一类，此工艺主要在于分离板料或成型。其中成型工艺需要首先保障避免板料出现破裂，同时利用板料自身的塑性，将其加工变形，使其成为所需形状的同时具备所需尺寸。在提倡可持续发展的新时代，节能环保等理念日渐深入人心，且生产安全也相应日渐为人所重视，新能源汽车制造工艺成了日渐为人所重视的新领域，钛合金材料在其中的应用也日渐广泛，热冲压技术的应用频率随之提升。在应用热冲压工艺时，需要将加工变形的钛合金板材进一步加热，使其升温至高于材料结晶的温度，再将其冲压成形。热冲压工艺的主要原理在于利用钛合金材料在高温环境下变形抗力不足的特质，金属塑性增强而提升材料成形效果。在材料成形后则需要及时冷却，以此提升材料强度[2]。

传统冲压工艺普遍为冷冲压，热冲压工艺与之相比更具优势。在使用热冲压工艺时，材料自身变形抗力能相应降低，从而更易完成塑性变形。在此过程中，材料在接受冲压时所受的压力也随之减小，压力机的吨位需求也相应降低，回弹的控制情况也相对更为理想，钛合金板材制成的零件尺寸更为精准。但在享受此类优势的同时，热冲压工艺自身也需要投入更多成本，其生产线投资数额更大，模具设计流程更为复杂，生产成本随之提升，且对生产环境要求更高，尤其对空气环境具备较高要求。且热冲压生产过程中废品率也相对更高，生产效率相对不理想。我国对热冲压工艺的探索相对起步较晚，2009年由大连理工大学汽车工程学院胡平教授团队与长春伟孚特汽车零部件有限公司联合开发出了国内第一条具备完全自主知识产权的高强钢板热成形生产线，至今仅具备十余年历史，仍需在后续发展过程中不断探索更多先进工艺[3]。

2.2拉深工艺

拉深工艺也被称作拉延工艺，此工艺需要利用特定模具将平板毛坯制成开口零件，也属于一种冲压工艺。此工艺在冲压行业中占据的比例相对不大，现阶段我国能做好冲压工艺的企业数量也相对有限。拉深工艺涉及的手法相对丰富，如连续冲压拉深、传送式拉深、机械手模组式拉深、液压拉深等。拉深工艺涵盖的生产方式相对复杂，具备较强的综合性，在建筑、汽车、五金等各个行业都得到了广泛应用。为使拉深工艺得到进一步应用，探索钛合金板材热加工性能也是每位从业人员需要考虑的重要问题。

3、TC1钛合金板材热加工性能试验

3.1材料与设备

此项试验需要准备厚度为1mm的TC1钛合金板材，同时准备Gleeble-3500热模拟试验机。

3.2方法与过程

在测试TC1钛合金板材热加工性能时，相对常见的试验为高温单向拉伸试验。经此试验所获得的材料强度数据与塑性性能数据具备较大作用，对TC1钛合金板材后期设计工作、选材工作、新材料研制工作、材料采购与验收工作、产品质量控制工作、设备安全评估工作等各个环节都具备极为重要的参考价值与应用价值[4]。

在试验之前，需要对试件做好清洁工作，并在其标距段上焊接热电偶，以此监控其温度变化，此后再对试件进行装夹，使试验环境保持真空状态。随后即可投入试验，行将试件加热，达到试验温度后再保温五分钟，保障试件各部位温度呈均匀分布状态。但试件在受热后将出现膨胀变形等现象，为应对此现象则需要及时调整夹具位置，避免热膨胀影响试件长度。在完成各项操作后，仍需依据设定的应变速率拉伸试件，以0.01、0.001、0.0001s^-1进行拉伸，直至试件断裂，热电偶基本能在试件断裂时脱落，而脱落后即终止数据采集，即可导出试验数据，如图1所示。

3.3结果与分析

由TC1钛合金高温单拉流动应力曲线（图2）可知，同行温度时TC1钛合金应变速率下降的同时，流动应力也随之下降，但最大断裂应变则随应变速率下降而增大。由金属普遍存在的物理属性来看，应变速率增加后，金属的变形抗力也随之增加，且温度升高对此现象产生的影响更为显著。当温度升至500℃、应变速率为0.01s^-1与0.001s^-1时，反映应力的应变曲线所表现出的硬化阶段也相对较长，应力升至最大后即出现迅速下降的情况，此情况下加工硬化更为主要。而在500℃、0.0001s^-1时，试件出现屈服，应力迅速升至最大，同时能在短时间内保持不变，再缓慢降低，整体呈现出热软化特点。当变形温度为550℃、600℃、650℃时，试件出现屈服后，其流动应力迅速升至最高，试件也相应步入平衡应力状态。当应变逐步增加后，温度相同但应变速率不同的情况下出现的应力差距也具备较为明显的规律，此现象说明热软化的作用相对明显，动态再结晶情况也相应存在[5]。

3.4总结与展望

3.4.1总结

在对厚度为1mm的TC1钛合金板材进行不同温度环境下的变形试验，探究了TC1钛合金板材在各个温度下的热加工性能，明确了TC1钛合金板材高温情况下的拉伸变形能力，总结出了TC1钛合金在不同变形条件下的拉伸真实应力应变曲线。最终得出TC1钛合金板材热加工性能共存在七项特质：

其一，TC1钛合金在室温下抗拉强度相对较高，基本能达到1288MPa，但室温下的塑性相对较差。当对TC1钛合金板材加热后，温度升高的同时流动应力相应降低。在变形温度高于600℃时，TC1钛合金塑性出现了显著提升，平均抗拉强度下降至620MPa。

其二，当TC1钛合金板材处于高温与低应变速率时，板材自身塑性相应出现较大提升。

其三，当TC1钛合金板材拉伸温度上升至700℃时，合金出现动态再结晶的情况。处于热拉伸状态中的TC1钛合金板材主要微观组织演变机制为动态回复与动态再结晶。当TC1钛合金板材处于850℃时，其拉伸性能相对较为理想，此温度下的TC1钛合金板材平均伸长率可高达60%。因此在对TC1钛合金板材进行热加工时的建议温度可保持在700℃—850℃之间。

其四，当室温达到300℃之间，TC1钛合金薄板成形性相对不理想，难以将其拉深成为圆筒件。但在300℃时，则可拉深出合格的圆筒件，其极限拉深指数为0.66。

由此可知300℃是TC1钛合金板材能被成功拉深的临界成形温度，此数值能为后续制造提供参考价值[6]。

其五，当TC1钛合金板材所处温度达到800℃时，高强TC1钛合金薄板的LDR值升至最大，此值为2.28，说明800℃为TC1钛合金板材的最佳拉深温度。依照不断加热后的反应可知，加热温度也是影响TC1钛合金板材拉深性能的重要因素之一。

其六，优质TC1钛合金板材的热拉深工艺参数为温度800℃，冲压速度10%（4mm/s），压边力为10kN，其润滑方式为高温润滑脂。

其七，为使TC1钛合金板材提升塑性，可采取提升加热温度的方式，此方式的主要原理在于位错运动易使再结晶导致的晶粒细化。当温度不断提升后，TC1钛合金拉深件断裂形式也相应出现变化，由脆性断裂转变为韧性断裂，材料自身的塑性加工性能也相应得到了较为理想的改善。

3.4.2展望

在使用TC1钛合金板材完成此项试验之余，仍存在需要进一步强化的部分。

首先，此项试验选择了热轧TC1薄板，此类薄板向异性与冷轧板相比更小，拉伸试验仅能选择沿板料轧制方向截取拉伸式样。但在实际拉深试验中仍存在相对明显的凸耳情况，为避免此类情况，可在后续工作中沿其他方向截取拉伸式样，如沿轧制方向45°角的方向截取等。在此基础上也可强化对TC1钛合金拉深件凸耳情况的探究，在后续工作中避免凸耳情况出现[7]。

其次，对TC1钛合金板材的拉深试验可改变其应变速率，也可改变拉伸式样，以此进一步探索TC1钛合金板材的超塑性变形研究。而在拉深试验中也可进一步深入观察形成杯形件的各部分金相，如增加对筒底部分的观察、增加对底部圆角部分的观察、增加对凸缘部分的观察等，以此对TC1钛合金板材实施更为全面的探究。

最后在TC1钛合金板材拉深试验中也可选择各类其他厚度进行研究，以此为试验增加校本数量，使TC1钛合金板材的各项特性具备更为明确的展示，为TC1钛合金板材的后续应用提供更多具备参考价值的建议，为应用TC1钛合金的各个领域提供有力保障。

4、结语

综上所述，TC1钛合金板材在新时代制造业中占据了重要地位，但钛合金板材在室温下塑性变形范围较小，不易成形，在加工过程中需要使用热成形的方法完成加工。TC1钛合金板材在热变形时的流动应力也相应存在变化，温度升高时流动应力降低，应变速率减小时流动应力也随之降低。同时TC1钛合金板材屈服强度与抗拉强度则随温度升高与应变速率减小而降低，伸长率则承受温度升高而增大。在明确钛合金板材各方面性能的基础上，相关从业人员可依照制造需求选择最为恰当的加工方式，使钛合金板材在我国制造业中发挥更大作用，为我国顺利转型为制造强国奠定坚实基础。

参考文献

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