小规格钛合金棒材的热矫直方法

前言

钛及钛合金的小规格棒材一般通过轧制生产，但在加热、轧制和热处理等过程中，由于温度和塑性变形分布不均匀，以及剪切、运输和堆放等原因，往往会产生不同程度的弯曲，这时就须通过矫直处理，以确保棒材弯曲度能满足使用要求。

钛及钛合金棒材常用的矫直方法有压力矫直和辊式矫直，而小规格的棒材则一般采用辊式矫直，其效率较高。但对于钛及钛合金小规格棒材来说，往往经过多次的矫直后仍然不能达到理想的效果，甚至常会发生矫直过程中直接断裂的问题。本文针对钛及钛合金小规格棒材的热矫直进行了研究，提出了一种简单、便捷、低投入的加热矫直方法。

1、现状分析

1.1 钛及钛合金弹性模量低、屈强比高，冷矫困难

常用钛及钛合金的室温弹性模量[1]如表1 所示，大多低于120GPa，因此，钛及钛合金棒材在较小的应力条件下即会发生较大的弹性变形，回弹大，不易矫直；且其较多钛合金的屈强比在0.9~1 之间，矫直过程中极易发生断裂。因此，钛及钛合金棒材一般需要采用热矫，才能保证矫直效果。

1.2 钛及钛合金小规格棒材往往由于批量小、装备不配套等因素，导致热矫成本高，效果不好

目前钛及钛合金的用量相对仍然较小，实际生产过程中，往往单批次订货量仅为几百公斤，甚至几十公斤，且规格繁多。而一般工厂往往装备的是加热能力较大的加热炉，其一次装炉量可达几吨或几十吨，因此在对钛及钛合金棒材进行加热矫直时，往往加热成本较高。其次，一般工厂布置的矫直设备往往离加热设施较远，在对钛及钛合金小规格棒材进行加热后再转运至矫直设备时，棒材温度往往已损失严重，导致矫直效果大幅降低。若专门为钛及钛合金棒材的矫直建设相应的配套加热、矫直设施时，实际设备利用率又较低，经济性较差。因此如何选择一种高效、经济的钛及钛合金棒材热矫方式即成为工厂急待解决的问题。

2、试验方法

2.1 试验所用材料及设备

试验采用的材料为经轧制加工获得的TC4钛合金棒材，如图1 所示，棒材的规格为φ35mm × 3500mm，棒材弯曲度为5~12mm/m。试验所用的设备包括一台普通焊机电源装置、一台9 辊矫直机和一个手持式红外测温仪。

2.2 试验方法

在矫直机旁，如图2 所示，焊机与TC4 钛棒相连接组成一个电流回路，在接通电源后，钛棒即成为一个电阻并会被加热。当棒材加热至一定温度后，将其快速采用辊式矫直机进行矫直。

试验在矫直机参数设置一致的情况下，如表2所示，采用6个方案来进行棒材的加热矫直试验，以研究钛棒的加热效果及随后的矫直效果。其中第1至第5个方案中，设定了不同的焊机电源输出电流及加热时间，第6个方案为不加热钛棒而直接进行矫直试验。

棒材的加热温度检测采用手持式红外测温仪测量。

每个方案中，随机在同一批轧制的TC4钛合金棒材中分别选择10 支棒材进行矫直试验。

另对方案4、5、6 中矫直的棒材各随机选两根分别取样退火后进行室温拉伸性能检测，以分析加热矫直对棒材室温拉伸性能的影响，试样的退火制度为780℃ × 1.5h，空冷。

3、试验结果与讨论

3.1 棒材的加热、矫直情况

棒材的加热、矫直情况如表3 所示，由表2 中数据可看出，第1 个方案中，棒材的加热温度为515℃，棒材矫直后的弯曲度为≤6mm/m，未能达到国标GB/T2965 标准中规定的φ35mm 棒材弯曲度≤5mm/m 的要求。第2 至第5 个方案中，棒材的加热温度达到了644℃~751℃，棒材矫直后的弯曲度为≤3mm/m，达到了标准要求，矫直效果较好，矫直的棒材如图3 所示。第6 个方案即未加热直接矫直的棒材，其弯曲度为≤10mm/m，与棒材的原始弯曲度相比，没有得到明显改善，矫直效果较差。

3.2 棒材的性能检测结果

棒材室温拉伸性能检测结果如表4所示，采用方案4、5、6 矫直的棒材的室温拉伸性能无明显差异。

3.2加热矫直效果分析与讨论

通过6组方案中棒材的加热矫直效果进行对比可知，采用方案2~方案5加热矫直的棒材，弯曲度≤3mm/m，矫直效果较好，说明方案2~方案5设定的电流及时间可较好地使该规格的TC4钛合金棒材满足矫直要求。另通过对比可知，方案1中，矫直后的棒材弯曲度未能达到标准要求的原因应是加热温度较低造成，但实际效果仍较未经加热而直接矫直的效果好。

TC4 合金的室温电阻率为1.7μΩ·m，其电阻较高。试验通过采用焊机与钛棒组成的电路可看成是一个纯电阻电路，而电阻电路中的热量公式为：

Q=I²Rt=IUt （1）式中

Q——电流通过导体产生的热量/J；

I——通过导体的电流/A；

R——导体的电阻/Ω；

U——导体两端的电压/V；

t——通电时间/s

因此，钛棒的加热效果与相应的电流、电压及通电时间有关。加热试验中，焊机电源可调整输出电流，因此通过调节电流即可以控制钛棒的加热效果，从而精确地控制钛棒的加热温度。试验采用的棒材加热方法易于掌握、控制。当棒材加热至一定温度后，即可将其快速采用辊式矫直机进行矫直。

试验采用焊机电源作为TC4 钛棒的加热电源，与其组成一个简单的串联电路，连接方便，而TC4 钛棒经加热2~3min 后即可实现较好的矫直效果。同时，焊机一般工厂均会配备，实际生产中，可快速、方便地在矫直机旁即可采用焊机对钛棒进行加热，其占地面积小，设备适用，移动方便。其次，焊机输出大电流，低电压，对于小规格TC4 钛合金棒材，既 可满足快速加热要求、达到矫直效果；又实现了安全、便捷、高效、低投入的要求。

而我们知道，钛及钛合金棒材的电阻率等物理特性又相近，因此，通过采用合适的电流、加热时间后，即可实现其它小规格钛及钛合金棒材的矫直。

3.3 加热矫直对钛棒的室温拉伸性能影响分析与讨论

由表4 可看出，经过加热矫直的棒材的室温拉伸指标与未经加热直接矫直的棒材的室温拉伸指标基本保持一致，说明该加热、矫直方案未对棒材的室温拉伸性能造成影响，该工艺适用可行。同时，由表4 也可看出，该合金棒材的屈强比最高已达到了0.99，若采用冷矫直的话，极易发生断裂，难以达到矫直效果。因此，采用加热矫直的工艺是合理的。

4、结论

采用焊机与TC4钛合金棒材组成的电路对TC4钛棒进行加热后再矫直的方法，实现了钛棒的快速加热矫直，又实现了安全、便捷、高效、低投入的要求；同时，矫直的棒材的室温拉伸性能指标与未采用加热矫直的棒材的室温拉伸性能指标基本一致。该方法可推广应用于其它钛及钛合金小规格棒材的矫直。

参考文献

[1] 邹武装等. 钛手册[M]. 北京：化学工业出版社，2012.8：338-366

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