钛合金丝的加工工艺有哪些？
钛和钛合金很难加工。钛因其屈服强度高，一般为0.70~0.95，弹性好，变形抗力大，但其弹性模量相对较低，故加工时变形抗力大，回弹严重。而且加工过程中的粘连问题对产品的表面质量也有非常不好的影响。目前，钛合金丝材的制备工艺不断改进和完善，采用各种新技术，迅速提高了钛合金丝材产品的质量，增加了种类，进一步拓展了应用领域。拉拔仍然是生产钛合金丝最常用的方法。通常情况下，线材的生产流程如下:原料→熔锭→锻造→轧制→拉拔→热处理→检验→成品。本文从线材的生产工艺出发，重点介绍了线材的拉拔工艺，并简要介绍了线材坯料的制备工艺(熔炼、锻造、轧制)和线材的加工工艺。
1丝坯的制备工艺
1.1熔化过程
钛是一种非常活泼的金属，在液态下与氧、氮、氢、碳反应非常快，所以钛合金的熔炼必须在高真空或惰性气体(Ar或Ne)的保护下进行。熔炼技术主要包括真空自耗电极电弧炉熔炼、真空自耗电极壳炉熔炼、电子束冷床炉熔炼、等离子冷床炉熔炼、真空感应炉熔炼等。从功耗、熔化速度、成本的比较来看，前两种仍然是目前最经济适用的熔化方式。然而，真空电弧熔炼消除钛合金中高密度夹杂物和低密度夹杂物的能力有限，而冷床炉熔炼在这方面具有独特的优势。熔锭的质量会影响后续的加工工艺和成品的质量。通过精选原料，选择合理的熔炼工艺参数(熔炼电流、电弧电压、真空度、漏风率、冷却速度、搅拌磁场强度)，严格控制工艺，可以获得高质量的铸锭。由于线材尺寸小，加工工艺复杂，对合金中的冶金缺陷(偏析和夹杂)的敏感性增加，因此熔炼工艺对精确控制成分、降低合金中的杂质含量、保证线材的优异性能非常关键。
1.2锻造工艺
锻造的目的是改善组织，提高金属的综合性能，为轧制工艺提供坯料。基本工艺流程如下:铸锭→加热→开坯锻造→冷却→表面清理→毛坯变形→加热→锻棒→检验→成品。
应选择合适的加热温度、加热速度和加热时间，并控制炉内气氛，以保证产品质量。加热温度应在变形塑性好、锻件质量高、变形抗力低的温度范围内。铸锭开坯加热在(α+β)/β转变点以上100 ~ 200℃范围内(β钛合金除外)；锻造后，粗大的铸态组织得到了一定程度的打破，内部组织得到了改善，塑性得到了提高，因此可以随着退火次数的增加，逐渐降低再锻造的加热温度。为了防止β脆性，获得良好的组织和综合性能，对于α合金和α+β合金，成品前的锻造加热应在相变点以下的温度进行，而对于β合金，实际上是在β区加热锻造。由于钛的导热系数较低，室温下为0.0397K/cm·s℃，约为中碳钢的1/4，但高温时相近。因此，低温时应采用缓慢加热，避免加热时表层和中心层温差过大。在高温下，钛的导热系数增加，所以可以稍微快一点的速度加热。
在锻造过程中，变形温度、变形量和变形速度对锻件质量有重要影响，必须正确控制。如上所述，锻造前的铸锭一般加热到相变点以上，因为在此温度下变形抗力低，塑性高。但如果铸锭变形量过低，铸态组织得不到有效破坏，其性能较差，直接影响后续加工。在锻造过程中，如果变形量选择不当，将会严重影响合金的组织和性能。如TC4合金，当加热温度高于相变点且变形量不够大时，往往会获得粗大的片状或针状α-β组织，也称粗大魏氏组织。这种结构的强度变化不大，但塑性显著下降。当变形量增加时，出现不同程度畸变的条状α+β组织，称为篮状组织。该组织的高温性能和断裂韧性有所提高，但塑性有所下降。应选择合适的变形量以获得更细小的β组织和一定量的等轴初生α+转变。这种组织具有良好的综合性能。变形速度对锻件质量也有非常重要的影响。当变形速度过快时，不仅变形抗力提高，而且由于变形的热效应，锻件的局部或整体温度过高，导致锻件的显微组织和综合性能变差。最后必须指出，变形温度、变形速度和变形量绝不是孤立的，影响锻件质量。比如加热温度稍高，但有足够的变形量和较低的变形速度，可以获得较好的组织和性能。
1.3轧制工艺
轧制加工主要为拉丝提供线坯，进一步改善合金组织，提高金属的综合性能。和锻造工艺一样，对线材的微观组织和表面质量有重要影响。主要工艺参数为:加热温度、轧制速度和热轧率。
(1)加热温度
锻造后，坯料组织的均匀性和致密性有了很大的提高，因此加热温度可以略低于锻造温度。α+β合金轧制前的加热温度一般略低于(α+β)/β相变温度，即在(α+β)相区进行加热，使轧制过程在(α+β)相区完成，保证产品的组织和性能更好。α型合金的加热温度也在(α+β)相区，此时热加工性好，室温性能好；β型合金的加热温度高于β相变温度，使其变形在β相区完成。此时合金的变形抗力小，塑性好。不同的加热温度对合金的组织和性能有很大影响。如TC9棒材在1050℃轧制时，由于轧制温度在β转变温度以上，得到针状组织，性能较差。在α+β相区(980℃以下)轧制时，获得等轴组织，性能良好。
(2)碾压速度
目前钛及钛合金由于钛制品产量小、长度短，不适合高速轧制，且多为手工操作。而且如果轧制速度过快，轧件会迅速升温，影响最终产品的组织和性能。理论计算表明，当轧制速度大于12m/s时，轧件温升与轧制速度成正比增加。当轧制速度大于30m/s时，终轧温度与加热温度无关。
(3)热轧率
由于变形量的不同，合金的组织和性能有明显的差异。如TC4棒材在920℃热轧，28%变形量轧制时，其组织基本上是α相被β相网格分割成等轴状，组织和性能较差。当变形量为44%时，β相网格已经破碎，α相的粒径较大，因此组织和性能也较差。当变形量为66%~78%时，有几乎相同的结构。该组织以α相为基体，具有细小弥散的α+β结构，具有较好的性能。
为了充分加工和细化组织，提高材料性能，20世纪70年代发明了阶梯轧制工艺，这是一种结合轧制和锻造变形特点的加工方法，具有锻件变形量大、轧制速度高等特点。借鉴国外少数先进国家，线材制备工艺为:铸锭→开坯锻造→热连轧成线材。秦等人研究了用合金钢热连轧机生产10mm大卷重高速纯钛线材的工艺，并对产品的组织、性能、形状和尺寸公差进行了分析和讨论。研究表明，该方法生产的产品具有良好的力学性能、均匀的组织和良好的表面质量。
2绘图过程
2.1拉伸温度
冷加工性能差的钛合金通常采用热拉拔加工，拉拔温度对线材的组织、性能、间隙元素含量和表面质量有重要影响。朱等人对Ti2Cu钛合金丝材拉拔方法的研究结果表明，Ti2Cu钛合金丝材不适合冷拔，但采用热拉拔方法可以成功地拉拔出合格的Ti2Cu钛合金丝材。碳、氧、氮和氢的增加可以通过碱、酸洗和真空退火来消除。图1显示了Ti2Cu钛合金丝在冷拔和热拔下的拉伸性能。可以看出，在冷拉过程中，钢丝的抗拉强度随着直径的减小而增大，伸长率随着直径的减小而迅速减小。在8mm~6.19mm范围内，随着直径的减小，抗拉强度迅速增加，延伸率显著下降，因为只发生了部分再结晶，硬化作用大于软化作用。在6.19mm ~ 1.15mm范围内，抗拉强度和延伸率基本保持不变，这是由于变形引起的硬化和再结晶引起的软化的动态平衡。
2.2图纸通过率加工率
在热拉拔过程中，各道次的加工率主要取决于加工温度和丝径。对于室温冷拔，各道次的加工率主要取决于氧化、涂层质量和润滑剂质量。表1是室温拉拔时孔型加工率随直径变化分布的通用规范。
2.3拉伸应力
拉拔时，拉应力应小于被拉拔金属材料的屈服强度，这是实现拉拔过程的基本条件。影响拉伸应力的因素很多，如拉伸温度、拉伸速度、加工速度、模具锥角等。加工速率的增加、拉拔温度的降低、锥角过大或过小都会引起拉应力的增加；在线性拉拔中，拉拔速度对拉应力无显著变化，但当线材直线通过模孔后缠绕在牵引绞车上时，若拉拔速度超过一定范围，拉应力会增大。为了降低拉伸过程中的拉应力，可以采用润滑、减少变形、提高金属变形塑性等方法。为此，人们研究了多种加工技术，包括辊模拉伸、超声波振动拉伸等方法。
2.4拉伸润滑
由于钛合金在拉深时有粘模的倾向，很难拉深，所以除了良好的润滑剂外，还要采取涂层、氧化等其他增强润滑的措施。大多数钛合金在拉制之前被氧化和涂覆。使用的涂料有石墨乳液、盐石灰、钙基涂料等。选择涂层的依据不仅要与被加工的丝紧密结合，而且要与润滑剂有良好的润湿性，易于去除。在不同的拉伸工艺条件下，使用的润滑剂是不同的。在钛拉丝过程中，使用的润滑剂有工业肥皂粉、石墨乳液以及肥皂粉与其他物质的混合物，应选择润湿性和热稳定性好的润滑剂。例如，在TB2钛合金丝材加工中，选择钙基涂层作为涂层，并添加自制润滑剂(HTK-SM)，可以获得满意的丝材表面。为了增强润滑效果，常采用加压模具来改善线材的表面质量。
2.5拉伸模
拉丝模的主要材料有硬质合金、天然金刚石、人造金刚石和聚晶金刚石。单晶天然金刚石模具常用于长丝生产。天然金刚石模具虽然成本高，但是耐用，尺寸变化小，不易造成粘着磨损，钢丝划伤等。为了使待加工的线材顺利通过模具，实现变形的目的，并形成所需的规格和尺寸，要求被加工的模具形状有利于润滑，减少断丝现象，有利于变形热量的迅速散发。拉伸一段时间的结果是模具表面被磨损，即有东西因摩擦、撕裂而从模具表面脱落，会划伤线材表面。因此，有必要提高模具光洁度，减少模具缺陷，加强模具对准。
有了管理控制。
2.6表面处理
在拉丝过程中，表面处理也是影响线材表面质量和组织性能的一个因素。其方法包括酸洗、机械抛光、电解抛光、磷化、氧化、电镀等。西北有色金属研究院和油研一金新材料有限公司对钛钽合金丝和钛镍合金丝的表面处理进行了研究，结果表明，酸洗、机械抛光和电解抛光的拉伸试样均呈韧性断裂，但电解抛光由于减少了表面裂纹源，有效提高了钛镍合金丝的力学性能，而酸洗由于减少了表面夹杂物对拉伸的影响，表现出比机械抛光更好的综合性能。磷化氧化处理由于磷化层和氧化层硬度高，可以有效保证线材表面在拉伸过程中不被划伤，但拉伸过程中表面和芯部的变形会出现不协调，容易导致表面产生裂纹，导致材料断裂。虽然电镀线表面光洁，但由于氢脆，试样呈现脆性断裂，材料的力学性能显著降低。
2.7热处理工艺
退火广泛应用于钛及钛合金线材的热处理，包括中间退火和成品退火。其目的是提高线材的加工塑性，达到要求的成品性能。在制定退火工艺时，不仅要考虑生产的具体条件，还要考虑金属的机械性能、变形程度和退火温度之间的关系。比如工业纯钛，随着加工率的增加，延伸率降低，而抗拉强度增加，说明冷加工硬化快，必须进行中间退火。线材产品的退火温度应根据成品所需的性能来选择，以达到最佳的性能匹配。如Ti-2Al-2.5Zr线材的最佳真空退火温度为700~850℃，延伸率和拉伸性能均能满足线材的要求。表2和表3是钛和钛合金丝的一般退火规范。可见线材的退火制度也要考虑线材的尺寸。在实际应用中，应根据合金成分和加工工艺，通过实验研究选择最佳退火工艺。
除退火工艺外，通常还需要固溶时效等热处理来获得各种用途所需的性能。如眼镜架用Ti-22V-4Al合金丝在780℃×30min退火，组织均匀，延伸率在20%以上。经520℃×4 h时效后，维氏硬度达到2800MPa，满足眼镜框丝硬度的技术要求。
3加工技术
传统的定模拉伸(即常规拉伸)有其固有的缺陷，其突出的问题是模具与变形金属接触面之间的摩擦以及伴随的热效应。为此，人们发明了多种加工技术来解决上述问题。
(1)辊模拉拔:该技术结合了传统轧制和拉拔的特点，降低了拉拔力，提高了道次加工率，降低了加工硬化程度。由于辊模是在由非驱动的、自由旋转的轧辊组成的孔型中拉伸的，定模拉伸时材料与模孔之间的滑动摩擦大部分转化为很小的滚动摩擦，从而大大降低了拉伸摩擦。辊模拉伸的缺点是尺寸精度没有定模拉伸高，适合粗拉伸，而定模拉伸用于精拉伸中的精加工。
(2)超声波振动拉伸:这种方法是20世纪50年代发展起来的。拉伸时，对拉伸模施加超声波振动，可有效降低拉伸力，提高各道次的加工率。
(3)无模拉丝:该工艺是利用感应线圈或激光对线材进行局部加热软化，施加张力使线材变细。其优点是不需要拉伸模和润滑剂，变形率高，效率高，但缺点是尺寸均匀性差，成品质量不稳定。
(4)升压模拉伸:此工艺是指在拉伸模前安装升压喷嘴装置的方法，可造成线材拉伸时自动加压、强制润滑的效果。其优点是:断丝率降低了4/5，拉丝模寿命提高了20倍以上，表面质量得到了改善。
(5)涂层-包覆集束拉伸:该方法首先在钛丝表面包覆一层低碳钢，然后将镀好的钛丝捆扎成低碳钢管，再进行集束拉伸加工和中间退火，加工到最终尺寸后，用硫酸酸洗去除低碳钢护套和涂层。其优点是效率高，生产成本低。
(6)包覆-碎屑挤压:该工艺由日本东北大学开发，主要用于加工TiNi形状记忆合金丝，可提高产品质量，降低生产成本。首先通过包覆轧制制备由不同金属板材组成的多层复合板材，各种金属层的厚度比例取决于确定的化学成分。然后，将轧制的包覆薄板切割成碎片，并将切割的碎片装入容器中制成坯料，将坯料挤压成细棒，然后加工成细丝。最后，通过热扩散处理将复合丝转变成所需的金属间化合物丝。
(7)连续轧制生产线材的四辊线材轧机:这种轧机由四个呈圆孔状的轧辊组成，工作时一个驱动轧辊带动另外三个轧辊转动。多个这样的机架组成一个连轧机，可以生产钛合金线材，从而大大提高线材的生产率和成品率。
4结论
钛及钛合金丝应用广泛，但其价格昂贵是其应用的主要障碍。有必要开发和推广新的线材制备技术，以降低线材的加工成本。国外关于线材加工技术的报道很多，采用了很多新技术，所以国外钛合金线材产品质量好，规格多。但国内钛合金线材生产技术还比较落后，目前需要解决的问题是生产流程长、效率低、成本高。因此，我国应加大对钛合金线材加工的研究投入，尽快提高该领域的技术水平和装备水平，生产出质优价廉的钛合金线材产品，满足市场需求。