鈦合金TC4 是一種（α+β）兩相型合金，該合金具備高強度、低密度、良好的生物性以及高彈性模量等優異的綜合性能，在航天、醫療、電力、化工、體育器械等多個領域中獲得了廣泛的應用[1]。TC4鈦合金的主要半成品是棒材、鍛件、厚板、薄板、型材和絲材等。鈦合金絲材不僅廣泛應用于航空航天等高科技領域，而且由于其耐腐蝕性高、比強度高、非磁性和形態記憶功能，也廣泛應用于民用領域[2]。例如，應用于航空航天領域的鈦合金絲緊固件不僅可以減輕重量和腐蝕，而且是碳纖維復合材料等結構的必要連接 ；汽車領域中，與鋼彈簧相比，鈦合金彈簧的重量降低了 60%~70%。醫用鈦絲因為具有質輕、無毒、生物腐蝕性、生物相容性好等優點而成為醫用理想[3]。在海洋領域，鈦合金絲制成的水產養殖網在使用十幾年后仍然完好無損[4]。近年來，高性能TC4鈦合金絲材更是在航空焊接、3D 打印、手機標準件多個領域內發揮關鍵性作用[5]。

目前，TC4鈦合金絲材一般采用輥模和拉拔兩種加工方式[6]。由于拉拔工藝的經濟性，且采用拉拔工藝能獲得更好的組織性能和表面精度[7，8]，更多的采用此工藝。但是，采用 此工藝容易造成在其它物理性能不發生變化的情況下，TC4鈦合金絲材屈服強度偏低。鈦及鈦絲加工技術在國外得到了廣泛的應用，目前采用了許多新技術和工藝，國內很少進行 這方面的研究，而且大多采用相對較舊的工藝，限制此工藝下TC4鈦合金絲材進入國外高端市場，甚至在制定國家相關標準時，都沒有對TC4鈦合金絲材的屈服強度進行要求， 從而造成標準要求落后于美標等相關標準[9]。因此，我們要加大對鈦合金絲材加工研究的投入，以滿足市場需求。

為了分析拉拔工藝下屈服強度波動的原因，本文設計一套試驗方案，依據試驗結果，確定造成此現象的原因，進一步提出對改進的思路。鈦及鈦絲加工技術在國外得到了廣泛的應用，目前采用了許多新技術和工藝。因此，國外鈦合金質量好，規格多。然而，在國家一級很少進行這方面的研究，而且大多使用相對較舊的技術。

1、 原理分析

對金屬工件施以拉力，使其通過模具孔以得到與模具孔相同尺寸和孔型的產品的加工方法稱為拉拔。分析拉拔工藝，如圖 1 所示，在不考慮溫度的情況下，控制拉拔主要工藝指標為直徑變形量和拉拔速度，而所用變形原動力均是由電機拉拔絲材作用產生的，因此絲材變形就由絲材受拉伸直徑變小和受模具擠壓變形這兩種組成。在模具不變的條件下，拉拔速率就是使得兩種變形占比的控制關鍵。拉拔速率是金屬加工生產工藝中的一個關鍵工藝因素，對于變形金屬的性能有較大影響。由于拉伸變形由心部拓展到表面[10], 而擠壓由表面變形擴展到心部 , 所以拉拔速率將直接決定絲材表面和心部形變強化的程度。

2、 試驗數據

選擇經過前期加工軋制到從 Φ9mm 的TC4鈦合金棒材進行拉拔加工工藝，TC4鈦合金的成分為 Ti-6A1-4V，在實際的生產過程中，隨著工藝操作的變化，會出現相對誤差。

鈦合金元素含量的高低以及雜質的量會對材料的變形性能產生影響。此外，鈦合金材料的加工性能也會受到熱變形過程中氧化和吸氮吸氫的影響。TC4鈦合金坯料熱拉伸變形后的化學成分見表 1。通過表 1 結果可以看出，合金化學成分符合 GB/T 3620.1-2007 的要求。

將鈦合金棒材分兩組經過多次冷拉拔到 Φ5mm 鈦合金絲材成品，第一組每道次加工選用現有常規拉拔速率，即快速拉拔，第二組每道次加工選用現有常規一半的拉拔速率，即慢速拉拔。對兩組 Φ5mm 鈦合金絲材成品的組織分析如圖 2、圖 3 所示。圖 2a，2b 分別為采用常規拉拔速率的組織照片，圖 3a，3b 分別為采用常規一半拉拔速率的組織照片， 從圖中可以看出，其組織均為 α+β 兩相區加工組織，組織良好彌散且符合 GB/T 13810-2007 中附錄 A-A1。

對兩組成品鈦合金絲材進行顯微硬度測試，兩組鈦合金絲材成品自表面維氏顯微硬度向心部維氏顯微硬度的數據如圖 4 所示。

將Φ的鈦合金絲材成品利用無心外圓磨，在冷卻液條件下分別加工到Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm，分別對以上不同直徑的鈦合金TC4絲材，使用 5982 電子萬能試驗機進行抗拉強度和屈服強度的測試，測試結果如圖 5 所示。

3 、數據分析

通過圖 2 快速拉拔組織，圖 3 慢速拉拔組織可知，在保證變形一定的情況下，鈦合金TC4 絲材的兩組組織能完全均勻彌散化，但是在 1000 倍放大之下，可以明顯的觀察出快速拉拔下靠近表面組織與心部組織相比較，仍然存在一定的流向性，這主要是相對變形率小造成的[11]，而慢速拉拔下表面組織與心部組織差異不大。

從圖 4 中可以看出，慢速拉拔后鈦合金絲材的顯微硬度變化不大，顯微硬度在 305~314HV0.2 之間，而快速拉拔后鈦合金絲材硬度在 282~315HV0.2 之間，快速拉拔后的鈦合金絲材表面軟心部硬，最高硬度和最低硬度相差 33HV0.2。依據拉拔工藝分析可知，絲材在變徑過程中會受到拉自心部變形和受模具擠壓變形兩種影響[12]，由于兩種加工后絲材化學成分一致，金相組織類型相同，所以強度改變主要來自形變強化[13]，即拉拔速度過快使得絲材變徑中受拉自心部變形為主要變徑行為。

依據圖 5 力學性能測試結果可知，快速拉拔鈦合金TC4絲材的抗拉強度不會隨著去除絲材表面層而發生明顯變化，Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm鈦合金絲材的抗拉強度分別為 1012.2MPa，1009.1MPa，995.5MPa，1010.4MPa，1000.8MPa，屈服強度則隨著去除表面層而提高。Φ5mm 鈦合金TC4 絲材的屈服強度為780.2MPa，Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm 鈦 合 金 絲 材 的 屈 服 強 度 分 別 為 816.5MPa，865.7MPa，902.1MPa，918.4MPa，916.3MPa，分別 4.7%，11.0%，15.6%，17.7% 和 17.4%。這是因為絲材有一定軟化層，而當測試屈服強度時，由于拉伸速度較慢 , 依據形變強化原理，絲材表面將先發生變形，而引伸計測量的是絲材表面變形來確定屈服強度，所以就使得測量的屈服強度較低且伴隨表層去除而提高[14-15]。

4 、結論

（1）鈦合金TC4絲材拉拔速度是左右受拉自心部變形和受模具擠壓變形兩種的關鍵因素，且拉拔速度越快，受拉自心部變形占比越大。

（2）TC4鈦絲材在保證組織類型相同和抗拉強度一定的前提下，拉拔速度過快，使得絲材心部硬表面軟是造成屈服強度過低的主要原因。

參考文獻：

[1]于振濤 , 余森 , 程軍 , 等 . 新型醫用鈦合金材料的研發和應用現狀 [J].金屬學報 ,2017,53(10):1238-1 264.

[2]金和喜 , 魏克湘 , 李建明 , 等航空用鈦合金研究進展 [J]. 中國有色金屬學報 ,2015,25(2):280-292.

[3]王海波，毛小南，李東，馬玉函 . 鈦及鈦合金絲材制備工藝的研究現狀[J]. 熱加工技術 ,2008,37(14) ：99-103.

[4]蔣志 .TC4鈦合金棒線材冷拉拔加工工藝研究 [D]. 遼寧大連 : 大連理工大學 ,2009.

[5]吳 引 江，羅 建 軍，段 慶 文 . 鈦 工 業 的 研 究 開 發 現 狀 [J]. 鈦 工 業 進展 ,2003,20(1):1-4.

[6]王天成，柳家成 . 鈦及鈦合金絲的輥模拉伸 [J]. 鈦工業進展 ,2001,(2) ：19-20.

[7]黃崇高，劉黨偉，陸小蕊 .TC4 線材輥模拉拔工藝研究 [J]. 熱加工工藝 ,2012,41(11):109-110.

[8]崔文俊 , 郭柏蘭 , 崔斌 , 等 .TC4鈦合金棒材擠壓拉拔的金相組織和力學性能演變過程探究 [J]. 鍛壓技術，2017,42(10):166-169.

[9]方威 , 況春江 . 超細絲研究及其進展 [J]. 金屬材料研究，2002,28(2):21-25.

[10] 夏麒帆，張松，梁益龍，歐梅佳 . 不同拉拔工藝對TC4鈦合金組織及性能的影響 [J]. 熱加工工藝，2018,47(11):17-21.

[11] 宋 玉 泉，管 志 平，海 錦 濤 . 拉 伸 變 形 應 變 硬 化 指 數 的 力 學 解 析[J],2001,31(2):103-108.

[12] 陳賢忠 . 生產工藝對TC4鈦合金絲硬度和抗拉強度的影響 [J].2013,39(2):1-2.

[13] 洪權，戚運蓮，趙永慶，楊冠軍 . 鈦合金絲材加工工藝的新進展 [J]. 鈦工業進展，2003(2):1-4.

[14] 王顯耀，李峰會，廉茂松，蔡中民 . 常速度拉伸實驗慣性效應的實驗研究 [J]. 實驗力學 ,1995,10(3):1-4.

[15] 周偉，曲恒磊，趙永慶 . 熱處理對TC4 合金組織與性能的影響 [J]. 熱加工工藝 ,2005,34(8):26-27.

相關鏈接