CN104264086A - 利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法及带材 - Google Patents

利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法及带材 Download PDF

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Abstract

一种利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法，包括步骤：通过轧机的开卷装置、收卷装置、轧辊及支撑辊张紧TC4钛合金带材，使所述带材与轧辊紧密弹性接触，轧辊通过摩擦力带动所述带材以150-800mm/min的速度传输；并通过轧辊和支撑辊等将脉冲电流输入到所述带材的加电区域段，脉冲电流在12-18秒内于所述带材的加电区域段产生焦耳热效应和非热效应，使得其内部的显微组织由原始的准单相粗大等轴组织变成两相长轴化组织或者两相双态组织；然后,在室温下自然空气冷却。调整脉冲电流的参数可快速获得两相长轴化组织和两相双态组织结构的TC4带材，从而提高延伸率；且处理温度远远低于传统热处理工艺温度960℃，钛合金带材在较低温下短时间内完成处理过程不会发生氧化现象，节能环保，安全高效。

Description

利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法及带材
技术领域
本发明涉及两相钛合金带材的脉冲电流相变强韧化在线处理技术，特别是一种具有良好综合力学性能的两相TC4钛合金带材的脉冲电流在线处理工艺，及通过脉冲电流相变强韧化在线处理工艺能获得具有良好综合力学性能的TC4两相钛合金带材。
背景技术
随着世界性的能源危机和环境污染问题日趋严重，为了降低能耗和减少机动机械尾气排放造成的环境污染，在航空、航天和汽车等领域，结构轻量化所带来的效益十分显著，包括可以提高飞行器和机动车辆的机动性，减少油耗，降低了对运送工具的要求和运送的费用。汽车、商（军）用飞行器是量大而广的交通工具，材料结构微小的改进，就会产生显著的经济效益。传统的结构材料（钢铁、铝等）在国民经济中面临节能、降耗、减排和环保的严峻形势。在这种情况下，应用和开发轻质结构材料钛合金，已成为近几年国内外研究和发展的热点和重点。
钛合金是一种重要的轻质结构材料，尤其是钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性强、可焊、中温性能好和无磁等优点，使之在航空、航天、船舰、兵器、核能、交通运输产业、军事和电子、信息产业等领域有着广泛的应用。因此金属钛合金被誉为“21 世纪最重要的绿色工程材料”。
近年来，两相TC4钛合金作为最重要的王牌商业钛合金之一得到飞速的发展和广泛的应用，但TC4钛合金成形后回弹很大，尺寸控制十分困难，对成形尺寸的精度有很大影响。此外，钛合金板材冷成形时硬化比较严重要，摩擦系数大，与其它金属的亲和力强，成形中容易粘模、划伤，冲压性能较差等，因此在很大程度上限制了变形钛合金的进一步应用。如果对TC4钛合金进行适当的变形和后续热处理( 如高温完全退火)，可大幅度提高其综合力学性能，而这种更高强度、更多样化力学性能的TC4钛合金应具有更广泛的市场应用前景和更广阔的发展空间。
一般的两相TC4钛合金经过低温去应力退火后冷却至室温的组织由α-Ti准单相等轴组织组成，其中少量转变β-Ti以块状形式存在于晶界和晶粒交叉处，在晶团内部拥有细小的次生α-Ti相。转变贝塔相、初生等轴阿尔法相和次生阿尔法相的尺寸由具体的材料成分、热处理（加工）工艺、冷却工艺和冷却介质等因素有关。有研究报道，Ti-Al-V系列钛合金变形后再经过低温去应力退火热处理可使材料转变为以等轴阿尔法相为基体，同时在少量的残留贝塔相中以细小层片状或者等轴状的形式均匀、弥散分布于晶界和晶内，从而提高其强度和韧性。尽管如此，TC4钛合金经过上述处理后，仍然有大量粗大的等轴状α相以及抱团的转变β相晶块。拥有这种组织的TC4钛合金在后续变形或者在承受外部载荷的过程中，晶界处粗大的等轴状α-Ti和成团的转变β晶块处容易产生应力集中，形成裂纹源而产生裂纹，使材料过早的失效和不利于后续成型，因此α-Ti和β-Ti的数量、分布和形貌特征严重影响了TC4钛合金的力学性能。
很明显，如果要在此基础上进一步提高TC4钛合金的韧性和其后续成型能力，只有改善其中两相的分布和形貌使之朝有利于其韧性提高的方向发展，以期提高材料的综合力学性能。而传统的完全退火热处理工艺可在一定程度上提高TC4钛合金的塑性，但由于大量β-Ti自钛基体析出而会严重降低其强度。另外，由于钛合金中溶质原子在固相中扩散速度很慢，一般钛合金的完全退火处理工艺存在加热温度高(960℃以上)、保温时间长(视炉内批量的大小而定，一般数小时) 和能耗大等问题，由于加热温度高、保温时间长，钛合金的表面很容易氧化，特别是钛合金板、带材一旦出现局部表面氧化现象，后续处理很难去除氧化层，严重影响后续成型工序和最终产品的质量；同时在长时间高温情况下，TC4钛合金容易发生晶粒异常长大，直接导致材料内部晶粒尺寸严重不均匀，严重损害了材料的最终力学性能。再者，还必须严格控制钛合金的加热方式和加热速度等工艺，以防一旦加热方式和升温速度选择不当，将会产生材料内部温度不均、局部过烧，最终导致固溶处理后材料内部组织不均匀和力学性能不稳定的后果，所以影响传统热处理工艺的因素复杂，生产成本高。因此如何克服钛合金传统完全退火热处理工艺的不足，研究一种具有良好综合力学性能的TC4钛合金的新型高能电脉冲在线处理工艺就显得尤为重要。
发明内容
为了克服两相钛合金传统相变热处理工艺的上述不足，本发明提供一种利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法及带材，经本发明方法处理的两相钛合金带材的显微组织得到明显的改善，其延伸率从准单相态的13.6％增加至两相态的31.6％以上，而抗拉强度没有明显的下降，同时有效避免了带材的氧化现象和电处理过程中的打火现象。
本发明利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法，包括如下步骤：通过轧机的开卷装置、收卷装置、轧辊、第一支撑辊及第二支撑辊张紧来自开卷装置上的TC4钛合金带材，使所述钛合金带材与轧辊紧密弹性接触，驱动轧辊旋转，轧辊通过摩擦力带动钛合金带材以速度150-800mm/min向收卷装置方向传输；并通过同时作为一电极的第一支撑辊和同时作为另一电极的轧辊将高能脉冲电源输出的脉冲电流输入到轧辊和电接触装置之间的运动的钛合金带材的加电区域段，脉冲电流在12-18秒以内、在钛合金带材的加电区域段产生焦耳热效应和非热效应，使得其内部的显微组织由原始的准单相粗大等轴组织变成两相长轴化组织或者两相双态组织，在此过程中α-Ti逐渐向β-Ti转变，平均晶粒尺寸变小，而长轴化板条逐渐变薄成层片状，与细小的等轴晶粒组成双态组织；处理后的钛合金带材在室温下自然空气冷却，无需导入任何额外的冷却介质强制冷却。
其中，所述钛合金带材的加电区域段表面温度为355℃-760℃。所述带材的宽度为10mm-800mm。
所述的脉冲电流由20-100KW的高能脉冲电源提供，输入到所述钛合金带材的加电区域段的脉冲电流参数为：频率为0.6-2kHz，脉冲宽度为0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值为0.05-2kA/mm2。
当要求得到两相长轴化组织时，脉冲电流参数选取为：频率0.6-1kHz，脉冲宽度为
0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值0.05 -1.6kA/mm2。
当要求得到两相双态组织组织时，脉冲电流参数为：频率1-2kHz，脉冲宽度0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值1.5-2kA/mm2。
所述第一支撑辊和轧辊均与轧机的机架绝缘，所述第一支撑辊是由一对采用黄铜制成的直径为150-160mm的导电轮构成，该两导电轮中心连线的中点与轧辊中心连线的中点间的距离为0.6-1.8m。
所述TC4钛合金带材的加电区域段长度为0.6-1.8m。
紧密弹性接触的所述带材和所述轧辊在施加脉冲电流时不会发生打火（放电）现象。
采用上述工艺获得的一种良好综合力学性能的TC4钛合金带材，该带材的微观组织结构为均匀分布的α-Ti等轴晶粒、α-Ti板条状晶粒和转变β-Ti晶团组成的两相长轴化组织，晶粒尺寸相对于原始态略微减小，延伸率为22.8%，延伸率是传统热处理工艺获得的带材的延伸率的1.46倍。
采用上述工艺获得的另一种良好综合力学性能的TC4钛合金带材，该带材内大量原始α-Ti相转变成β-Ti相，形成以等轴状和层片状α-Ti组成的两相双态组织，延伸率为31.6%，晶粒尺寸相对于原始态显著减小，延伸率为31.6%，延伸率是传统热处理工艺获得的带材的延伸率的2.03倍。
与现有技术相比本发明具有如下优点和积极效果：
1、利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化工艺有效地通过促进相变改善了TC4钛合金的显微组织，从而大幅度提高了材料的综合力学性能。在TC4钛合金带材的脉冲电流在线处理过程中，瞬间脉冲电流直接输入到钛材中产生重要的焦耳热效应和非热效应，而在热效应和非热效应的耦合作用下，使原子的振动能量急剧增加，同时这种瞬间高能量的脉冲电流的输入极大地促进了材料内部原子的扩散。另外，TC4钛合金带材经过适当的变形后再经过低温去应力退火后材料内部出现了大量粗大的等轴α晶粒和块状的转变贝塔相晶团，因此在钛材内部会出现微区电阻率不均，一旦瞬间高能电脉冲输入会导致微区温度梯度，如因在等轴α-Ti和β-Ti的相界面处，晶界上β-Ti处的电阻率大而导致该处温度高，从而增大了钛基体局部区域的固溶度和溶质原子扩散能力、加速了α-Ti的分解过程，从而实现α-Ti相向β-Ti相的转变以及改善两相的形貌和分布。通过显微组织分析，我们发现经过适当参数的脉冲电流处理后的TC4钛合金带材内部的显微组织由原始的准单相粗大等轴组织变成均匀分布的α-Ti等轴晶粒、α-Ti板条状晶粒和转变β-Ti晶团，实现了两相长轴化处理，而晶粒尺寸略微减小。如果进一步增大脉冲电流的参数，我们发现大量α-Ti相向β-Ti转变，形成了以等轴状和层片状α-Ti组成的两相双态组织，实现了两相双态化处理的效果，此时基体晶粒尺寸显著减小。因此，脉冲电流在线处理工艺有效地改善了TC4钛合金的显微组织，从而大幅度提高了材料的综合力学性能。
2、传统热处理工艺的TC4钛合金带材，其室温延伸率有所提高，而强度明显下降；脉冲电流在线处理的TC4钛合金带材，其室温延伸率明显大幅提高，达传统热处理工艺的TC4钛合金带材延伸率的2.03倍以上，而强度下降幅度很小。
3、脉冲电流在线处理过程中，TC4钛合金带材在脉冲电流处理段进行完全处理的时间控制在12-18秒以内，而且处理最高温度为355℃-760℃，远远低于传统热处理工艺温度960℃，所以在低温和短时间内TC4钛合金带材不会发生氧化现象，节能环保。TC4带材和轧辊紧密弹性接触并且在施加脉冲电流处理工程中不会发生打火（放电）现象。
4、本发明生产效率高，是一种高效、新颖的获得良好综合力学性能TC4钛合金带材的脉冲电流在线处理方法，可以实现在线连续生产，它广泛适用于可热处理强化的钛合金带材的两相化处理提高材料的综合力学性能。
附图说明
图1为实现利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法的一***结构示意图；
图2为TC4钛合金变形后再经过传统去应力退火的准单相等轴显微组织；
图3为退火态TC4钛合金经本发明脉冲电流处理后的两相长轴化显微组织；
图4为退火态TC4钛合金经本发明脉冲电流处理后的两相双态显微组织。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进一步说明。
图1为实现本发明工艺的***，包括：轧机，该轧机具有轧辊2、开卷装置5、收卷装置6及相应绝缘***；高能脉冲电源4，该高能脉冲电源提供对钛合金带材处理的脉冲电流；测试处理过程中带材表面温度的热电偶装置10和温度存储分析***11；电流测试霍尔元件8以及时间测试设备9等。
在轧机的机架上安装第一支撑辊1、第二支撑辊3，第一支撑辊1和第二支撑辊3位于轧辊2的两侧，同时作为电极的轧辊2和第一支撑辊1均与机架之间绝缘，来自开卷装置5的钛合金带材7经过所述的第一支撑辊1、轧辊2、第二支撑辊3到收卷装置6卷绕紧，钛合金带材7与轧辊2密紧弹性接触，旋转的轧辊2通过摩擦力带动钛合金带材7以一定速度向收卷装置6方向传输；第一支撑辊1与轧辊2分别连接高能脉冲电源4的正、负输出端，高能脉冲电源4通过该第一支撑辊1和轧辊2将脉冲电流输入到第一支撑辊1和轧辊2之间的运动的钛合金带材的加电区域段7’，脉冲电流在钛合金带材的加电区域段7’产生焦耳热效应和非热效应，对该加电区域段进行高能电脉冲在线处理。处理后的钛合金带材在室温空气中自然冷却，经第二支撑辊3由收卷装置6收卷，无需导入任何额外的冷却介质强制冷却。
其中，轧辊2和钛合金带材7之间必须为紧密的弹性接触，轧辊不对钛合金带材7产生明显的塑性变形，连续的带材7的运动速度为150-800mm/min，该速度可通过轧辊的转动速度来调整。而轧辊2的转动速度由控制轧辊转动的变频器和马达调整控制(图中未画出)。
高能脉冲电源4的功率可为20-100KW，输出脉冲电压为10-600V，频率为0.6-2kHz,脉冲宽度为0.05-5ms。在线处理时，负载(即钛合金带材的加电区域段7’) 上的脉冲脉冲电流密度的幅值在0.05-2kA/mm2之间调节。
第一支撑辊1是由一对采用黄铜制成的直径为150-160mm，宽度约为轧辊宽度的导电轮构成，导电轮与开卷钛材形成一定的包角，以保证接触良好，减少接触电阻，两导电轮中心连线的中点与轧辊( 即负极) 中心连线的中点间的距离可在0.6-1.8m范围内调整，该距离可根据来料的截面尺寸、来料的状态和轧辊的旋转速度来做适当的调整，如来料的截面尺寸越大、轧辊的旋转速度越大，则两导轮之间的距离相应加长，反之亦然。导电轮也可采用弥散强化铜或黄铜等导电性较好且耐磨的材料制成。
在上述处理***中，在轧辊带动钛合金带材向收卷装置方向传输时，通过第一支撑辊和轧辊将高能脉冲电源输出的脉冲电流输入到运动的钛合金带材的加电区域段，对其进行脉冲电流在线处理，处理过程处于室温的空气中，无需任何额外的冷却介质对材料进行冷却。在钛合金带材加电区域段输入脉冲电流对该区域段进行电脉冲在线处理的温度为355℃-760℃。所述钛合金带材的加电区域段长度为0.6-1.8m。
对于具体不同截面尺寸、不同来料状态、不同轧辊的旋转速度和要求脉冲电流处理后得到不同的状态（长轴化或者双态化）的钛带，输入的脉冲电流的工艺参数选择原则为：
1）.按照集肤效应公式，其中、、分别为磁导率，电阻率和频率参数，为电流渗入材料表面的厚度。即钛材的截面尺寸越大，相应输入的高能脉冲电流频率须减小，以尽量减弱电流的集肤效应。
2）.与要求电脉冲处理后得到两相长轴化组织相比，经高能脉冲电流处理后得到两相双态化的组织的脉冲频率、或者脉冲电流密度幅值相应要大。通过大量实验证实：
要求得到由α-Ti等轴晶粒、α-Ti板条状晶粒和转变β-Ti晶团组成的两相长轴化组织时，脉冲电流参数为：频率0.6-1kHz，脉冲宽度0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值0.05 -1.6kA/mm2。
要求得到以等轴状和层片状α-Ti组成的两相双态组织时，脉冲电流参数为：频率1-2kHz，脉冲宽度0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值1.5 -2kA/mm2。
3）.来料的硬度和轧辊的旋转速度越大，输入的脉冲电流的宽度、频率或者电流密
度幅值应越大才能达到应有的效果。
本发明工艺获得的一种良好综合力学性能的TC4钛合金带材，该带材的微观组织结构为均匀分布的α-Ti等轴晶粒、α-Ti板条状晶粒和转变β-Ti晶团组成的两相长轴化组织，延伸率是传统热处理工艺获得的带材的延伸率的1.46倍，晶粒尺寸略微减小。
本发明工艺获得的另一种良好综合力学性能的TC4钛合金带材，该带材内大量α-Ti相向β-Ti转变，形成以等轴状和层片状α-Ti组成的两相双态组织，延伸率是传统热处理工艺获得的带材的延伸率的2.03倍，基体晶粒尺寸显著减小。
实施例
来料为适当变形后的TC4钛合金带材经过低温去应力退火，厚度为1.6mm，宽度为16.0mm，该TC4钛合金变形后再经过热处理的显微组织如图2，将该钛带进行脉冲电流处理，并与传统热处理进行比较。
参照图1，连续的TC4钛合金带材7由开卷装置5、收卷装置6 控制张力并在旋转的轧辊2的带动下按图中箭头所示方向以速度6mpm 传输，轧辊2和带材之间仅为紧密的弹性接触，轧辊不对钛合金带产生明显的塑性变形，高能脉冲电源4的正、负极分别从第一支撑辊1和轧辊2(正负极中心的距离为0.96m)接入运动中的钛带的加电区域段7’进行处理，脉冲电流在钛合金带材的加电区域段7’产生焦耳热效应和非热效应，调节参数分别对其进行脉冲电流在线的长轴化处理和双态化处理；处理后的钛合金带材在室温的空气中的冷却后，直接进入收卷装置6卷绕。
为了得到脉冲电流在线处理后由α-Ti等轴晶粒、α-Ti板条状晶粒和转变β-Ti晶团组成的两相长轴化组织，选取脉冲电流参数为：频率0.76kHz，脉冲宽度1ms，脉冲电流密度的幅值1kA/mm2。退火态TC4钛合金经脉冲电流处理后的两相长轴化显微组织见图3。
要求得到以等轴状和层片状α-Ti组成的两相双态组织时，脉冲电流参数为：频率0.88kHz，脉冲宽度1ms，脉冲电流密度的幅值1.8kA/mm2。
退火态TC4钛合金经脉冲电流处理后的两相长轴化显微组织见图4。
为方便进行对比，传统热处理工艺条件为：加热温度为960℃，保温时间为2个小时，升温速度为10℃ /min。
上述TC4钛合金带材经不同工艺处理前、后力学性能实验数据如表1；
不同处理工艺条件下获得的钛合金带材的力学性能对比如表1。
表1
实验发现，经过脉冲电流在线处理后TC4钛合金带材内部由原始的准单相粗大等轴组织变成两相长轴化组织或者两相双态组织，在此过程中α-Ti逐渐向β-Ti转变，平均晶粒尺寸变小，而长轴化板条逐渐变薄成层片状，与细小的等轴晶粒组成双态组织。而经过传统热处理工艺后的TC4钛合金带材内部虽已基本完成双态化转变，但基体晶粒发生异常长大，晶粒尺寸很不均匀。
表1中的力学实验数据表明了与未处理前低温去应力退火态TC4钛合金带材相比，传统热处理工艺得到的钛合金带材的延伸率有一定程度的提高，但抗拉强度明显下降；而脉冲电流在线处理后得到的两相长轴化组织的延伸率大幅度提高，同时抗拉强度下降幅度很小；脉冲电流在线处理后得到的两相双态化组织的延伸率提高幅度最大，但抗拉强度稍微下降；因此，经过脉冲电流在线处理得到的TC4钛合金带材是一种具有良好综合力学性能的钛合金材料。

Claims (10)

1.一种利用脉冲电流促进两相钛合金带材相变强韧化方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过轧机的开卷装置、收卷装置、轧辊、第一支撑辊及第二支撑辊张紧TC4钛合金带材，使所述带材与轧辊紧密弹性接触，轧辊通过摩擦力带动所述带材以150-800mm/min的速度向收卷装置方向传输；并通过作为电极的第一支撑辊和轧辊将脉冲电流输入到所述带材的加电区域段，脉冲电流在12-18秒内于所述带材的加电区域段产生焦耳热效应和非热效应，使得其内部的显微组织由原始的准单相粗大等轴组织变成两相长轴化组织或者两相双态组织；然后,在室温下自然空气冷却；
其中，所述带材的宽度为10mm-800mm，加电区域段表面温度为355℃-760℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，输入到所述钛合金带材的加电区域段的脉冲电流参数为：频率为0.6-2kHz，脉冲宽度为0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值为0.05-2kA/mm2。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当要求得到两相长轴化组织时，所述脉冲电流参数为：频率0.6-1kHz, 脉冲宽度0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值0.05 -1.6kA/mm2。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当要求得到两相双态组织时，所述脉冲电流参数为：频率1-2kHz，脉冲宽度0.05-5ms，脉冲电流密度的幅值1.5 -2kA/mm2。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，紧密弹性接触的所述带材和所述轧辊在施加脉冲电流时不会发生打火（放电）现象。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述脉冲电流由20-100KW的高能脉冲电源提供。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述TC4钛合金带材的加电区域段长度为0.6-1.8m。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一支撑辊和轧辊均与轧机的机架绝缘，所述第一支撑辊是由一对采用黄铜制成的直径为150-160mm的导电轮构成，该两导电轮中心连线的中点与轧辊中心连线的中点间的距离为0.6-1.8m。
9.一种TC4钛合金带材，其特征是：该带材的微观组织结构为均匀分布的α-Ti等轴晶粒、α-Ti板条状晶粒和转变β-Ti晶团组成的两相长轴化组织，延伸率为22.8%，晶粒尺寸相较于原始态略微减小。
10.一种TC4钛合金带材，其特征是：该带材内大量原始α-Ti相转变成β-Ti相，形成以等轴状和层片状α-Ti组成的两相双态组织，延伸率为31.6%，晶粒尺寸相较于原始态显著减小。
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