钛(tai)合金TC4 是(shi)一种(zhong)（α+β）两(liang)相型合(he)金，该(gai)合(he)金具(ju)备高(gao)强度、低(di)密(mi)度(du)、良(liang)好的生(sheng)物(wu)性以及(ji)高(gao)弹性(xing)模量(liang)等(deng)优异(yi)的综合性(xing)能，在(zai)航(hang)天、医疗(liao)、电(dian)力(li)、化工、体育(yu)器械等(deng)多个领域(yu)中获得(de)了广泛(fan)的应(ying)用[1]。TC4钛合金的(de)主要半成品(pin)是(shi)棒材(cai)、锻件(jian)、厚(hou)板(ban)、薄(bao)板(ban)、型(xing)材(cai)和丝材等。钛合金(jin)丝材(cai)不仅广(guang)泛(fan)应用于航空(kong)航(hang)天等(deng)高科技领(ling)域(yu)，而(er)且(qie)由于(yu)其(qi)耐腐(fu)蚀(shi)性(xing)高、比(bi)强(qiang)度高、非磁性(xing)和形态(tai)记忆(yi)功(gong)能，也(ye)广(guang)泛(fan)应用(yong)于民(min)用领域[2]。例(li)如，应(ying)用(yong)于航空(kong)航(hang)天领(ling)域(yu)的钛合(he)金丝紧(jin)固(gu)件(jian)不(bu)仅可(ke)以减轻(qing)重(zhong)量和腐(fu)蚀(shi)，而且是碳(tan)纤维复合(he)材(cai)料(liao)等(deng)结构(gou)的必(bi)要(yao)连接 ；汽车领(ling)域(yu)中(zhong)，与钢(gang)弹(dan)簧(huang)相(xiang)比(bi)，钛合(he)金弹簧(huang)的重量(liang)降(jiang)低了 60%~70%。医(yi)用(yong)钛丝因(yin)为(wei)具有(you)质轻、无(wu)毒(du)、生(sheng)物腐(fu)蚀性(xing)、生(sheng)物相(xiang)容(rong)性(xing)好等优(you)点而(er)成(cheng)为医用首(shou)选(xuan)[3]。在(zai)海(hai)洋领(ling)域(yu)，钛合(he)金(jin)丝(si)制成(cheng)的(de)水(shui)产(chan)养(yang)殖网在(zai)使用十几年(nian)后仍然(ran)完(wan)好(hao)无(wu)损[4]。近年来(lai)，高(gao)性能TC4钛合金丝材更是在(zai)航空焊(han)接(jie)、3D 打印、手机(ji)标(biao)准件(jian)多个领域内(nei)发挥关(guan)键(jian)性作(zuo)用(yong)[5]。
目(mu)前(qian)，TC4钛(tai)合(he)金丝(si)材(cai)一(yi)般采(cai)用辊(gun)模和(he)拉(la)拔两(liang)种(zhong)加(jia)工方(fang)式(shi)[6]。由(you)于(yu)拉(la)拔(ba)工艺的(de)经济(ji)性(xing)，且(qie)采(cai)用(yong)拉拔(ba)工艺(yi)能获得(de)更好的(de)组织(zhi)性(xing)能和表(biao)面精度(du)[7，8]，更(geng)多的采(cai)用此(ci)工艺。但是，采用(yong)
此(ci)工(gong)艺容(rong)易造(zao)成在(zai)其(qi)它(ta)物(wu)理(li)性能不(bu)发生(sheng)变化(hua)的情(qing)况下，TC4钛合(he)金(jin)丝材(cai)屈服强度(du)偏(pian)低。钛(tai)及(ji)钛(tai)丝(si)加(jia)工(gong)技术(shu)在(zai)国外(wai)得到了(le)广(guang)泛(fan)的应用，目(mu)前(qian)采(cai)用了(le)许多(duo)新(xin)技术(shu)和(he)工艺(yi)，国(guo)内很(hen)少进(jin)行
这方(fang)面的研(yan)究(jiu)，而(er)且(qie)大(da)多(duo)采用相对较(jiao)旧的(de)工(gong)艺(yi)，限(xian)制此(ci)工艺下TC4钛合(he)金丝材进入(ru)国(guo)外高端市场，甚(shen)至在(zai)制(zhi)定(ding)国(guo)家相(xiang)关(guan)标准时，都(dou)没(mei)有(you)对(dui)TC4钛(tai)合(he)金(jin)丝(si)材的屈服(fu)强度进行(xing)要求，
从(cong)而(er)造成标准(zhun)要求(qiu)落后(hou)于(yu)美标等(deng)相(xiang)关标(biao)准(zhun)[9]。因(yin)此(ci)，我们要加大对(dui)钛(tai)合(he)金丝材(cai)加工(gong)研(yan)究(jiu)的(de)投入(ru)，以(yi)满(man)足(zu)市(shi)场需求。
为(wei)了(le)分析拉(la)拔工(gong)艺下屈(qu)服强度波(bo)动的(de)原因，本文设(she)计一套试(shi)验(yan)方(fang)案，依据试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)，确定造(zao)成此(ci)现(xian)象(xiang)的原因，进一步提(ti)出(chu)对(dui)改进(jin)的思路(lu)。钛(tai)及钛(tai)丝(si)加工(gong)技(ji)术(shu)在(zai)国(guo)外(wai)得(de)到(dao)了(le)广(guang)泛(fan)的应(ying)用(yong)，目前(qian)采(cai)用(yong)了许(xu)多(duo)新技(ji)术(shu)和工(gong)艺。因此(ci)，国外钛合(he)金(jin)质量(liang)好(hao)，规格多。然而(er)，在(zai)国(guo)家一(yi)级(ji)很少进(jin)行(xing)这方面的研究，而且大(da)多使用相(xiang)对(dui)较旧(jiu)的(de)技术(shu)。
1、 原理分(fen)析
对金(jin)属(shu)工(gong)件(jian)施(shi)以(yi)拉力(li)，使其通(tong)过(guo)模(mo)具孔(kong)以得(de)到与模(mo)具孔(kong)相(xiang)同(tong)尺(chi)寸(cun)和(he)孔(kong)型的(de)产品的(de)加工方(fang)法(fa)称(cheng)为拉拔(ba)。分(fen)析(xi)拉(la)拔工(gong)艺，如图 1 所(suo)示，在不(bu)考(kao)虑温度(du)的情况下，控制(zhi)拉(la)拔主(zhu)要(yao)工(gong)艺指(zhi)标(biao)为(wei)直径(jing)变形(xing)量和(he)拉(la)拔速(su)度，而(er)所用(yong)变形(xing)原(yuan)动(dong)力均是由电机(ji)拉(la)拔(ba)丝材(cai)作(zuo)用产生(sheng)的(de)，因(yin)此(ci)丝(si)材变形(xing)就(jiu)由(you)丝(si)材(cai)受(shou)拉(la)伸(shen)直径(jing)变(bian)小和(he)受(shou)模具挤压(ya)变(bian)形(xing)这两种(zhong)组(zu)成(cheng)。在模具不变的条件下，拉拔速(su)率就(jiu)是使得两(liang)种变形占比(bi)的控制(zhi)关(guan)键(jian)。拉拔速(su)率(lv)是(shi)金(jin)属(shu)加(jia)工生产(chan)工艺中(zhong)的(de)一(yi)个关键工(gong)艺因(yin)素，对于(yu)变(bian)形(xing)金属的性(xing)能(neng)有较大影响(xiang)。由于拉(la)伸(shen)变形(xing)由心(xin)部(bu)拓(tuo)展(zhan)到表面[10], 而(er)挤压由表(biao)面变(bian)形扩(kuo)展(zhan)到(dao)心(xin)部 , 所以拉拔(ba)速(su)率将(jiang)直(zhi)接(jie)决(jue)定丝(si)材(cai)表面(mian)和心部形变(bian)强(qiang)化的(de)程(cheng)度(du)。
2、 试(shi)验(yan)数据
选(xuan)择经(jing)过(guo)前(qian)期加(jia)工(gong)轧(ya)制(zhi)到(dao)从(cong) Φ9mm 的(de)TC4钛(tai)合(he)金(jin)棒材进(jin)行拉拔(ba)加(jia)工工艺(yi)，TC4钛合金的(de)成(cheng)分(fen)为(wei) Ti-6A1-4V，在(zai)实(shi)际(ji)的生(sheng)产过程(cheng)中，随(sui)着工(gong)艺操作的变化，会出现(xian)相对(dui)误差。
钛合金元(yuan)素含(han)量(liang)的高(gao)低以及杂质(zhi)的量会(hui)对(dui)材料(liao)的变(bian)形性(xing)能产生(sheng)影(ying)响。此(ci)外(wai)，钛(tai)合金(jin)材(cai)料的(de)加(jia)工(gong)性(xing)能也(ye)会(hui)受到(dao)热(re)变(bian)形过程(cheng)中氧(yang)化和吸(xi)氮吸(xi)氢(qing)的影(ying)响(xiang)。TC4钛合(he)金(jin)坯料(liao)热(re)拉(la)伸(shen)变(bian)形后(hou)的化(hua)学成分(fen)见表 1。通过表 1 结果可以(yi)看出，合金化学(xue)成(cheng)分符(fu)合 GB/T 3620.1-2007 的要(yao)求。
将(jiang)钛(tai)合(he)金棒材分两(liang)组经(jing)过多(duo)次(ci)冷拉(la)拔(ba)到(dao) Φ5mm 钛(tai)合金(jin)丝材成(cheng)品，第一组每道(dao)次加工选用现有常(chang)规(gui)拉拔(ba)速(su)率(lv)，即快速(su)拉拔，第二组每道次加(jia)工(gong)选用现有常规(gui)一半的拉(la)拔(ba)速率，即慢(man)速(su)拉拔。对两(liang)组(zu) Φ5mm 钛(tai)合金(jin)丝(si)材(cai)成品(pin)的(de)组织分析(xi)如图 2、图 3 所示。图 2a，2b 分别(bie)为(wei)采(cai)用(yong)常(chang)规拉拔(ba)速率的组织(zhi)照(zhao)片(pian)，图 3a，3b 分(fen)别(bie)为(wei)采(cai)用(yong)常规(gui)一半拉拔速率的(de)组织照片(pian)，
从图中可以看出，其(qi)组(zu)织(zhi)均(jun)为 α+β 两(liang)相(xiang)区加工(gong)组(zu)织(zhi)，组(zu)织良好弥散(san)且符(fu)合 GB/T 13810-2007 中(zhong)附(fu)录(lu) A-A1。
对(dui)两(liang)组(zu)成(cheng)品(pin)钛(tai)合(he)金丝材进(jin)行显(xian)微硬度(du)测(ce)试(shi)，两组(zu)钛合(he)金丝(si)材成(cheng)品自表(biao)面(mian)维(wei)氏显(xian)微硬(ying)度(du)向(xiang)心(xin)部维(wei)氏显(xian)微(wei)硬(ying)度的数据(ju)如图(tu) 4 所示。
将(jiang)Φ的钛合(he)金丝材成(cheng)品(pin)利用无心外圆磨(mo)，在(zai)冷(leng)却(que)液(ye)条(tiao)件下分别加工到(dao)Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm，分(fen)别对(dui)以上(shang)不同(tong)直径的(de)钛合(he)金(jin)TC4丝材(cai)，使用 5982 电(dian)子万能(neng)试验机(ji)进行抗(kang)拉(la)强度和屈(qu)服(fu)强(qiang)度的(de)测(ce)试，测试结果如图 5 所示(shi)。
3 、数据分析(xi)
通(tong)过(guo)图(tu) 2 快(kuai)速(su)拉拔(ba)组(zu)织，图(tu) 3 慢(man)速拉拔组(zu)织(zhi)可知(zhi)，在(zai)保(bao)证(zheng)变(bian)形一定(ding)的情况(kuang)下，钛(tai)合(he)金(jin)TC4 丝材(cai)的(de)两组组(zu)织能完全(quan)均匀弥(mi)散化，但是在 1000 倍放(fang)大(da)之下(xia)，可(ke)以明(ming)显的(de)观察(cha)出(chu)快速(su)拉(la)拔(ba)下(xia)靠(kao)近(jin)表(biao)面组织与(yu)心部(bu)组(zu)织相(xiang)比较，仍然存在(zai)一(yi)定的(de)流向(xiang)性(xing)，这主要是相(xiang)对(dui)变(bian)形(xing)率小(xiao)造(zao)成的[11]，而(er)慢(man)速(su)拉(la)拔下(xia)表面组织(zhi)与(yu)心部(bu)组(zu)织(zhi)差(cha)异不(bu)大(da)。
从(cong)图 4 中(zhong)可以看(kan)出，慢速拉拔(ba)后(hou)钛合金(jin)丝(si)材(cai)的显(xian)微(wei)硬度(du)变化(hua)不大，显微硬度(du)在 305~314HV0.2 之(zhi)间(jian)，而(er)快速(su)拉(la)拔后钛合金丝(si)材(cai)硬(ying)度在(zai) 282~315HV0.2 之间(jian)，快(kuai)速(su)拉(la)拔后(hou)的(de)钛合(he)金(jin)丝材(cai)表(biao)面软(ruan)心部(bu)硬，最高(gao)硬度和最(zui)低硬(ying)度(du)相差(cha) 33HV0.2。依(yi)据拉(la)拔(ba)工艺分析可(ke)知，丝材(cai)在变径(jing)过程中会(hui)受(shou)到(dao)拉(la)自心(xin)部变(bian)形和(he)受模(mo)具(ju)挤(ji)压变(bian)形两种影(ying)响[12]，由于两种加(jia)工(gong)后(hou)丝(si)材化学(xue)成分一致(zhi)，金相组(zu)织类型相(xiang)同(tong)，所(suo)以(yi)强(qiang)度(du)改(gai)变主要来自形变(bian)强(qiang)化[13]，即拉拔(ba)速度(du)过快使得丝材变径(jing)中受(shou)拉自心部变形(xing)为(wei)主要(yao)变(bian)径行(xing)为(wei)。
依(yi)据图(tu) 5 力(li)学(xue)性(xing)能(neng)测(ce)试(shi)结果(guo)可知，快(kuai)速拉(la)拔(ba)钛合金TC4丝(si)材(cai)的抗(kang)拉(la)强度(du)不会随着去(qu)除丝(si)材(cai)表面(mian)层而(er)发生明显(xian)变(bian)化(hua)，Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm钛合金丝材的(de)抗拉(la)强(qiang)度分别(bie)为 1012.2MPa，1009.1MPa，995.5MPa，1010.4MPa，1000.8MPa，屈(qu)服强(qiang)度(du)则随(sui)着去(qu)除(chu)表(biao)面层(ceng)而(er)提高。Φ5mm 钛(tai)合金(jin)TC4 丝材的屈(qu)服强度(du)为780.2MPa，Φ4.8mm、Φ4.6mm、Φ4.4mm、Φ4.0mm、Φ3.5mm 钛 合(he) 金(jin) 丝(si) 材 的 屈 服 强(qiang) 度(du) 分(fen) 别 为(wei) 816.5MPa，865.7MPa，902.1MPa，918.4MPa，916.3MPa，分别 4.7%，11.0%，15.6%，17.7% 和(he) 17.4%。这(zhe)是(shi)因为(wei)丝材有(you)一(yi)定软化层，而当(dang)测(ce)试屈服强度(du)时，由于(yu)拉伸(shen)速度(du)较(jiao)慢(man) , 依据(ju)形变(bian)强(qiang)化(hua)原理，丝材表(biao)面将(jiang)先发生(sheng)变(bian)形(xing)，而引(yin)伸计测(ce)量(liang)的(de)是(shi)丝材(cai)表(biao)面变(bian)形(xing)来确(que)定(ding)屈服(fu)强度，所以就使(shi)得测量的屈(qu)服(fu)强度较(jiao)低(di)且(qie)伴随(sui)表(biao)层(ceng)去(qu)除而(er)提(ti)高[14-15]。
4 、结论(lun)
（1）钛(tai)合(he)金(jin)TC4丝材(cai)拉(la)拔(ba)速(su)度(du)是(shi)左右(you)受拉自(zi)心(xin)部(bu)变形(xing)和受模具挤(ji)压(ya)变(bian)形两(liang)种的(de)关键(jian)因素，且拉拔(ba)速度越(yue)快(kuai)，受拉自心部变形(xing)占比越大。
（2）TC4钛丝材在保证组(zu)织类型(xing)相(xiang)同和抗拉强(qiang)度一定的(de)前(qian)提下，拉(la)拔速(su)度(du)过(guo)快，使(shi)得(de)丝材心部硬表面(mian)软是造(zao)成(cheng)屈服(fu)强(qiang)度过低(di)的主要(yao)原(yuan)因。
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