钛板材轧制工艺

建立钛及钛合金板带箔材的生产工艺流程时，必须考虑到钛及钛合金的特殊性能低塑性、高变形抗力和高温氧化性及在加热时或在氟化盐水溶液中酸洗时高的吸气倾向等。根据现有设备和板带箔材的品种规格确定合理的轧制工艺规范。
当确定钛合金板材的热轧温度规范时，应考虑到晶粒度对组织和性能的影响。在β相区温度下结束加工，会在金属中保留粗大的晶粒，并降低板材的力学性能。因此，为了获得均匀的细晶组织，必须保证在α相或α+β相区变形30%~40%.陈发为了轧制板材或轧制厚度为2~5mm的中间坯料，应在840~500℃的温度范围内进行温轧。温轧极其重要的优点是
不进行中间退火，形成的厚度很小的氧化层也容易酸洗。轧制0.3~1.8mm厚板材时，要进行多道次冷轧，并采用数次中间退火，其总的加工率为20%~50%(对于高合金化的合金应采用小的变形量）。
钛及钛合金板带箔材的生产工艺流程见表2-6.钛及钛合金板带箔材生产工艺流程中，必须经历如下重要工序过程：板坯准备、板坯加热、热轧、温轧和冷轧。

1板坯准备
1.1 坯形选择
目前多采用真空自耗熔炼铸锭自由锻造坯或铸锭一自由锻造一轧制坯。前苏联钛板坯主要采用模锻坯。纯钛及低合金化合金牌号的板坯可用模锻、轧坯或扁锭形式供坯；高合金化合金牌号的板坯仍需进行自由锻。
1.2 板坯尺寸的确定
板带材的坯料尺寸一般用厚度（mm)x宽度（mm)x长度（mm),即HxBxL表示。板坯厚度可由成品厚度及轧制工序中所要求的总加工率和轧机的能力来确定，板坯厚度还受轧机工作
辊开口度的限制，目前板坯最大厚度可达240mm;板坯宽度取决于成品宽度；板坯长度由熔炼、锻造设备能力来确定。
1.3 板坯的质量要求
板坯的化学成分和杂质含量以及组织结构应符合国家标准要求。
锻造坯需经机加工（刨、铣等），刨面后的刀痕应与板坯宽度方向一致。纯钛坯刨面深度不得小于2mm,钛坯刨面深度不得小于3mm.局部裂纹和压坑等缺陷深度不得超过板坯厚度的2%,表面粗糙度R.不得低于3.2.
板坯的形状应规整，同一板坯上的厚度差不大于2%,宽度差不大于1%,长度差不大于1.5%.板坯长度方向的四条棱边应加工成45°倒角或圆角。
2 板坯的加热
2.1 加热方式的选择
因钛是活性金属，在高温状态下，易被有害气体N2、O2、H2等污染。为减少污染，目前用于钛板坯加热的热源主要有煤气、丁烷和电等。钛板坯采用感应加热、中间坯料采用电阻炉加热较为合理。

2.2 加热制度
加热制度由加热温度、加热速度和加热时间三要素组成。
A 加热温度
钛及钛合金板坯加热温度的选择，应综合考虑板坯的工艺塑性和表面气体污染情况，并要确保最终产品的组织和性能。高温β相区加热的工艺塑性比低温α相区加热的工艺塑性好，
变形抗力低。轧制温度对某些钛合金的单位压力的影响见表2-7. 

有害气体对钛及钛合金板坯的污染程度，随坯料的加热温度升高而增大。加热温度对工业纯钛吸气层的影响见表2-8. 

有害气体的污染所形成的吸气层显著地降低板坯表面的塑性，严重地影响着轧件表面质量。例如，TA6、TA7板坯热轧时，由于加热温度高，吸气深度增大，在不均匀变形的作用下，往往产生严重的表面裂纹。同时，β相区抗氧化能力差，且易使晶粒长大，有使产品性能恶化的危险。
从上述两方面来看，加热温度不宜过高，尤其是对薄规格热轧板材更是如此。在选择加热温度时，不同类型合金应区别对待。
下面以几种典型钛及钛合金为例，说明加热温度的选择。
a α型合金
从表2-7可以看出，工业纯钛TA2随着加热温度的升高其单位压力明显降低。但加热温度超过相变温度，对工业纯钛是有害的，会引起β相晶粒迅速长大。如果不能保证主要变形在α相区完成，则会造成组织粗化，恶化产品性能。生产实践表明，α相区轧制具有很好的工艺塑性，一火次总加工率可达90%以上，同时有害气体污染程度也比β相区轧制的轻。目前，第一火加热温度一般选择在840~880℃之间。
TA7合金具有良好的抗氧化性能。因合金化程度较高，所以变形抗力比表2-7中其他合金都大；且热轧时工艺塑性稍差，特别是板坯规格较厚时，轧制过程中由于不均匀变形易产生边部开裂和严重的表面裂纹。对于较厚的TA7合金板坯，加热温度选择在β相区是有利于变形的，不仅可以利用合金成分塑性，也可以减少加热火次，提高生产率。目前，在生产中，TA7合金板坯加热温度选择在（α+β)/β相变点以上50~100℃范围。实践表明，过高的温度会使板坯严重氧化，造成难以消除的橘皮状表面缺陷。
b α+β型合金
TC1合金对加热温度十分敏感，同时加工温度范围也较窄。即使β相区塑性好、变形抗力低，也不能选择β相区加工。否则，在β相区轧制不仅影响热轧板材性能，而且使冷轧成品性能变坏。生产实践证明，TC1合金轧制具有良好的工艺塑性，加热温度选择在α+β相区上限时，其变形抗力稍高于工业纯钛（见表2-7),而一火次总加工率可达90%以上。第一火加热温度应选择在850~880℃之间。
TC3合金属于中等合金化程度的α+β型合金，其中β相数量较多，所以工艺塑性较好，但变形抗力随合金化程度增加显著地增大（见表2-9).TC3合金板坯加热温度范围比TC1合金较宽。
但因合金中β相数量较多，合金抗氧化能力较差。随着加热温度升高，α相向β相转变，所以β相数量不断增多，α相数量相应减少。有害气体氧在α相中的溶解度远大于在β相中的溶解度，随着α相数量减少，氧在α相中的浓度逐渐增加。这种富氧的α相质点很脆，在承受变形时便沿此处产生裂纹。因此，TC3合金板坯加热温度选择在β相区是有害无益的，一般第一火加热温度在α+β相区850~880℃范围。 

c β型合金
TB2合金属于β型合金，有良好的工艺塑性，但抗氧化能力比α型和α+β型合金都差，因此选择其加热温度时，不宜过高。般高于相变温度100~200℃.
为确保最终产品的组织和性能，要合理选择加热温度范围，控制好加热时间。钛及钛合金板坯加热制度和再加热制度见表2-9和表2-10. 

为了改善板坯的工艺塑性，厚板轧制也可以在β相区开坯轧制，但必须保证在α+β相区有足够的变形量。此时，可以考虑用抗氧化防护涂层。
美国某厂家采用“β加工法”生产了具有高损伤容限性能的Ti-6A1-4V合金厚板，其热轧加工温度为1054℃,终轧温度为860℃.
B 加热速度和加热时间
钛及钛合金板坯加热一般采用热装炉，同一牌号、同一规格的坯料，其加热速度基本上是固定的。坯料的加热质量主要取决于加热时间。根据火焰炉和电阻炉的热传导条件，A.E.雪宁
（IIIeлeeT)提出了坯料中心与表面温差为30~40℃的坯料加热时间计算公式：

式中
T一加热时间，min;
H-板坯厚度，m;
t--平均加热温度，℃;
C--系数取决于坯料形状和供热方法，当采用扁坯并在连续式火焰炉中加热时，C约为0.8.

感应加热具有效率高（70%)、加热速度快、设备紧凑、生产效率高、劳动卫生条件好等优点，广泛用于钛及钛合金的板坯加热。钛合金的板坯感应加热曲线和煤气炉加热曲线如图2-15和图2-16所示。

2.3 防氧化涂层
使用防氧化涂层是解决钛及钛合金热加工中表面污染的有效途径之一。表2-11和表2-12中列出了常用的某些涂料的成分及物理性能。 

3热轧
钛材的热轧与其他金属及合金的热轧一样，是单张板块式半成品生产工艺过程中的头道工序。用热轧的方法可制中板、板材和以片式生产薄板的坯料及厚度为3.5~6mm的板卷。
3.1 压下制度的确定
A 总加工率的确定
影响热轧总加工率大小的因素有金属塑性、板坯质量和轧机能力等。通常情况下，应该采用尽量大的总加工率。
B 热轧道次加工率分配
道次加工率是一个影响热轧材料变形均匀性的参数，同时也是金属塑性变形的瞬时效应。在确定道次加工率时，应考虑以下
4种因素：
（1)金属的塑性。纯钛具有较好的工艺塑性，最大道次加工率可达30%.TC3、TC4、TA7等高合金化牌号的合金工艺塑性较差，道次加工率不宜过大，第一火次不应超过15%,以后火次可适当加大。
（2)板坯质量。铸造扁锭坯和铸锭－压扁板坯的塑性较差，最初几道次的加工率不宜过大。以后随着板坯塑性的改善，道次加工率可逐渐加大。对于经过镦粗、拔长、压扁工艺的变形板坯，工艺塑性较好，可适当增加最初几道次的加工率，以便充分利用板坯的高温塑性。对于已经过开坯工序的薄板坯，则应充分利用第一道次的高温塑性，给予所能承受的最大变形，以后随着温度的降低，道次加工率应逐渐减少。
（3)板坯包覆处理。高合金化牌号的钛合金板坯因工艺塑性差，通常在板坯表面包覆一层纯钛板，可大大提高其工艺塑性。具有纯钛包覆层的合金铸坯可适当增加道次加工率。
（4)设备能力。轧机能力愈大，道次加工率愈大，但必须限制在板坯塑性允许的范围之内。
TA2、TA7和TB2合金板坯的热轧压下制度见表2-13~表2-15.  

3.2 轧制速度
为了提高生产率和保证所要求的终轧温度，必须提高操作速度和采用高速轧制。
对于可调速轧机来说，不同的轧制阶段，轧机速度应有所不同。开轧的最初阶段，为防止因咬入瞬间的轧制惯性过大而造成闷车、断辊、跳闸等，一般采用低速为好；在中间轧制阶段，随着轧件厚度变薄可提高轧制速度。
φ600/φ1380mmx1200mm 热轧机轧制钛及钛合金板材时，所采用的轧制速度见表2-16. 

3.3 包覆轧制
钛合金的包覆轧制可用钢板、纯钛板作包覆层。钢板包覆层主要用于轧制过程，轧制完成后，需将钢板去除；纯钛板作包覆层可用于轧制过程，也可作为成品板材的包覆层。爆炸包覆纯钛板是一种前景很好的包覆工艺。

钛合金板表面包覆纯钛层，不仅可以改善钛合金板加工过程中的工艺塑性，而且还可以改善钛合金板的成形性能。表面包覆纯钛的钛合金板材，其成品板材的力学性能无明显变化，见表2-17. 

爆炸包覆工艺除用于生产特殊的钛合金材以外，还可以用来生产钛－钢复合板。爆炸－轧制复合板与直接爆炸复合板相比，具有厚度比例范围大、板型好等优点，是一种前景很好的复合材料。
3.4 换向轧制
α+β型或β型钛合金大型坯料单方向轧制变形量太大时（超过98%),板材表面沿轧制方向产生“条绒沟”。实验证明，TC3板材变形50%后换向轧制，可使“条绒沟”减轻到难以发现的程度。TC1合金板材单方向轧制，可在0.5~2.0mm厚成品板材上发现“条绒沟”，而变形50%后换向轧制到0.8mm厚的板材，其“条绒沟”消失。
对于高合金化的钛合金板材来说，换向厚度不宜太薄。如果板材厚度太薄，换向轧制时，不仅会增加冷轧变形抗力，而且会产生严重的裂纹。实验证实，TC3、TC4、TC7等合金在10mm以下换向轧制，在随后的冷轧中会产生严重的裂纹、掉渣甚至整批报废。钛合金板材的换向轧制是在热轧时进行，要绝对避免冷轧时换向，即使是纯钛也不允许冷轧时换向。若冷轧时换向，还会大大提升平均单位压力，使轧制变得更加困难。

3.5滚边轧制
在钛及钛合金板热轧制过程中，由于道次变形量小，板坯形成双鼓形，在成品板上出现边部分层，其宽度可达到10~25mm.滚边轧制可消除边部分层，防止裂变；同时滚边与不滚边轧制相比较，滚边轧制可增加热轧板成材率，减少切头损失5%~6%.

4 温轧
加热温度在再结晶温度以下的加热轧制称为温轧。温轧可以提高金属的工艺塑性，增大道次变形量及轧程的总变形量，从而避免多次的中间退火和辅助工序，大大缩短薄板的生产周期。
钛合金的温轧与热轧相比，塑性较低，变形抗力明显增加。因此，温轧只适用于一定厚度的板坯，不适用于厚板坯和太薄的板坯，温轧的板坯厚度适应范围为1.5~15mm.
前苏联用隧道炉加热钛合金板坯的温轧加热规范见表2-18.
表2-19为板材温轧的某些典型规范，对于坯料的每一种断面，都列出了最大厚度和最小厚度板材的压下规程。
其他中间厚度的轧制流程可按类推法建立。温轧板材的终轧厚度通常略大于名义厚度，留下余量是为了随后的平整和酸洗。 

5 冷轧
厚度不超过2.0mm的钛合金板材主要用冷轧的方法生产，冷轧可获得表面质量最好、厚度公差最小的板材。
冷轧板材主要采用带卷法生产，但是为了制备高合金化、尺寸相对不大的板材，则采用单张块式法生产。
前苏联可生产尺寸为（0.3~2.0)mmx(660~1200)mmx（1300~6000)mm的冷轧钛及钛合金板材。以二十辊轧机生产尺寸为0.5mmx600mmx(1500~2000)mm的BT1-0板材为例，BT1-0合金薄板的典型生产工艺见表2-20. 

国内生产的钛及钛合金的冷轧板材多是在四辊可逆式轧机上采用单张块式法生产的。
5.1 钛及钛合金变形抗力曲线
钛及某些钛合金的变形抗力曲线如图2-17~图2-22所示。

5.2 冷轧工艺参数的选择
A 确定总加工率（即总变形率）
总加工率对冷轧板材力学性能有很大的影响。抗拉强度随着总加工率的增加而降低，塑性随着总加工率的增加而提高。TA2板材抗拉强度与总变形率的关系见表2-21. 

两次中间退火之间的总变形率称为轧程变形率。纯钛冷加工塑性好，轧程变形率可控制在40%~60%.TC1合金板材轧程变形率可控制在25%~35%;TC2、TC3、TC4、TA5等板材轧程变形率可控制在20%~25%;TA6、TA7等合金板材轧程变形率可控制在15%~25%.
B 道次加工率的分配
钛及钛合金冷轧时，道次加工率的分配应考虑其变形抗力和轧机能力。在实际生产中，轧制道次往往很多，特别是厚度小于0.5mm的薄板。
钛及钛合金冷轧的轧程变形率及道次变形率还与轧制方式有关。带张力的带式生产方式比板式生产方式有更大的轧程变形率及道次变形率。中国某厂的TA2、TC1、TC3板材轧程变形率见表2-22.TA2、TB2、TC3带材的道次加工率分配实例见表2-23.

TB2合金属于β型钛合金，在β固溶处理状态下，冷轧总加工率可达98%以上，因变形抗力大，冷轧总加工率控制在50%~60%即可保证产品的性能。 

5.3辊型
由于冷轧产品厚度薄，质量要求高，所以对冷轧辊型的要求比热轧辊型更为严格。生产中影响实际辊型的因素很多，除应配置合理的原始辊型之外，还必须严格控制辊型。辊型控制的主要方法有：
（1)合理安排轧制品种的先后次序，如先轧软料，待辊温升高之后再轧制硬料；先轧宽料，后轧窄料。
（2)进行合理的冷轧与润滑，并与适当调节轧制力和张力的大小相配合来控制辊型。在带材轧制中，已广泛采用乳液分段冷却来控制辊型。现代技术已发展到能自动测量板型，作为反馈信号来调节沿轧辊长度方向各段的乳液流量，实现板型控制自动化。
（3)采用液压弯辊装置来控制辊型。液压弯辊装置是板材轧制中辊型控制的佼佼者。
1200mm四辊可逆轧机轧辊凸度配置见表2-24. 

5.4润滑与冷却
钛及钛合金冷轧时，板材轧制常用的润滑剂有透平油、变压器油、轧制油、棉籽油、蓖麻油、棕榈油；带材轧制常用的润滑剂有透平油、变压器油、轧制油；箔材轧制常用的润滑剂有5号轧制油、白油。
因为乳液黏度低，它在轧辊与材料之间只能形成断续的润滑膜，轧辊与材料之间经常保持部分接触的状态，润滑效果不好。为了降低能耗，在带材轧制中也可以使用乳液，但乳液不能用于二十辊轧机，可用5号轧制油或白油。

本公司主要经营产品：钛棒、钛管、钛板、钛阳极、钛箔钛带、钛法兰、钛丝、钛靶材、钛设备、钛饼钛环、钛标准件、钛加工件