钛合金比强度高、耐腐蚀性强、无磁、机械性能好，是一种优质轻型结构材料、新型功能材料和重要生物工程材料。当前钛合金板带材市场需求较大，约占钛加工材的 1/3。但钛板轧制温度窗口窄，导热性能差，开轧温度过高或轧制变形过大均会导致轧件中心区域温度急剧升高，使板坯温度分布不均，厚度方向出现组织差异，进而导致塑性变差，轧制变形不均、边裂等问题；轧制温度低，轧件加工硬化严重，导致轧制力过大，增加钛合金板轧制难度，故钛板轧制生产过程中板坯温度控制极为关键。本文围绕典型 TC4钛合金热轧生产工艺，从控温轧制角度出发，结合某厂钛合金板材现场生产工艺，对TC4钛合金板材多道次轧制开展实验研究及有限元仿真分析，为制定钛合金板带热轧工艺规程提供了理论依据。 

利用 Gleeble-3800 热模拟试验机测定 TC4钛合金材料高温流变应力，分析温度和变形速率对流变应力的影响规律，并利用热加工图研究 TC4 钛合金的热加工范围。通过热轧实验研究了横纵轧道次压下率分配对 TC4钛合金板各向异性的影响，发现当横纵轧道次压下率分配为 1:1 时，材料各向异性基本消除。 

开展TC4钛合金板换热实验与轧制实验，测定试样指定位置多点温度变化，并建立实验工况有限元仿真模型，通过反传热计算及正向模拟验证确定 TC4 钛合金板与空气间的综合换热系数、与轧辊间接触换热系数。 

建立TC4钛合金板带热轧有限元模型并利用工业现场数据验证了有限元模型可靠性，进而对不同轧制工艺参数及多参数耦合轧制工况进行了仿真分析。结果表明影响热轧板坯温度分布的主要因素为轧制速度与道次压下率。结合某厂 TC4 钛合金典型轧制生产规程建立三维全流程轧制仿真模型，对各道次钛合金板轧后温度分布、板坯宽展变形规律与宽向温度均匀性进行了研究。结果表明板宽边部 50mm 范围内，轧件温降明显，与轧件内部最大温差超过 50℃，温度分布不均是导致轧件边部变形不均及开裂的主要原因。轧件较厚时，沿厚度方向边部宽展变形呈近似“双鼓”形，随着轧制道次的进行，后呈“凸”形，且宽展量随板厚减小而减小。 

在有限元模拟基础上确定了热轧 TC4 钛合金轧制温度窗口，给出了钛合金板带轧制工艺制度指导性原则，并结合现场实际轧制工艺开发了钛合金热轧工艺规程软件。通过控制轧制工艺参数，实现对钛合金板坯温度的全流程调控。 

通过对不同轧制工艺参数及热轧温度、压下率、轧制速度、入口板厚等多参数耦合的不同轧制工况 TC4 钛合金板热轧仿真模拟分析，定量化研究轧制过程中板坯表面及心部温度变化，分析了影响板坯表面及心部温度的主要因素。为制定 TC4 热轧工艺规程提供了轧制窗口范围，本章将根据某厂钛合金热轧生产工艺制定钛合金板热轧工艺规程并编制开发轧制工艺规程软件。 

钛合金板材轧制工艺规程制定 

依据轧机设备情况、生产量及对产品质量的要求，多数钛材生产企业采取的钛合金板带的生产工艺流程为：初轧或锻造板坯—表面处理—热轧—退火—酸洗—轧制—真空退火—成品剪切—钛板或钛卷。其中热轧阶段多采用多火次多道次可逆轧制。该阶段工艺制度的制定主要包括坯料设计、压下制度、速度制度、温度制度等几个方面。 

1）坯料准备 

纯钛及低合金化合金牌号可用模锻、轧坯或扁锭形式供坯，高合金化合金牌号仍需进行自由锻。板坯厚度由成品厚度及轧制工序所要求的总压下率及轧机能力、开口度等确定，板坯宽度取决于成品宽度，板坯长度受熔炼、锻造设备及加热炉等限制。 

由于钛板各向异性明显，目前只能通过换向轧制来减小各向异性，同时换向轧制也能改善板坯的热轧性能。对于多个火次轧制过程，换向一般在火次之间、分切板坯后进行。换向轧制亦可以在火次内进行，即采用横纵轧形式进行轧制，但轧制过程需要进行两次转坯，影响轧制节奏及温降，如图 1 所示。  

2）坯料设计 

坯料设计分为两个阶段：母板设计和板坯设计。母板设计是要在符合生产工艺设备约束前提下，考虑剪切损失和切损最优化原则，确定母板规格及其各订单子板组合方式，常见母板组合方式有一维组合和二维组合，如图2 所示。板坯设计应综合考虑展宽比、压缩比等相关约束为母板选择合适板坯断面，以满足需求并提高成材率。 

钛合金板主要以小批量、多品种规格生产为主，且由于轧制温度窗口窄，其轧制过程往往需要 2~3 个火次（最多不超过 4 个火次）来完成，各火次完成后需进行剪切和分切处理，中断后的中间坯在后续生产中采用宽变长来进行下一火次轧制，如图3，因此热轧钛合金坯料设计相比传统板带钢较复杂。 

目前钛合金板材轧制生产加工尚处于订单式生产阶段，钛合金母板、坯料设计与订单情况及库存板坯供应情况密切相关，坯料设计主要由工艺设计员完成，即人工决定各订单子板的组合方式、母板和板坯规格等，每一火次进行一次板坯设计。

再将该火次坯料作为子板来设计上一火次母板和坯料。 

3）工艺制度 

目前钛合金板带生产多采用可逆轧制，而可逆轧制工艺制度制订的内容主要包括压下制度、速度制度及温度制度。由于钛合金流变应力和组织对温度和应变速率非常敏感，在制定压下制度、速度制度及温度制度时要综合考虑材料特性、压下率、轧制速度及轧制温度的耦合作用。 

3.1、压下制度 

压下制度的内容包括轧制火次、轧制方式、各火次轧制道次数及道次压下量（率）等。由于钛合金轧制温度窗口窄，其轧制过程往往需要 2~3 个火次（最多不超过 4个火次）来完成。轧制火次数主要根据母板及坯料尺寸，轧制材料所允许的总加工率确定。 

(1)总加工率：影响总加工率的有金属塑性、板坯质量和轧机能力等，通常情况下，应尽量采用较大的总加工率。TC4 一个火次总变形率一般不超过 75%。 

(2)道次压下率：纯钛具有较好的工艺塑性，最大道次压下率可达 40%，而 TC4等高合金化板坯工艺塑性较差，道次压下率一般不应超过 30%。 

(3)轧制方式：目前在钛合金生产中，通过换向轧制来改善板坯热轧性能、控制产品横纵向力学性能差异。各向异性轧制实验表明，横轧与纵轧阶段总压下率相当时，产品各向异性控制地比较理想。故建议横轧阶段加工率占总加工率的 30%~50%。对于一个火次内采用横纵轧方式生产时，横轧一般安排在前 3个道次。 

(4)道次压下率分配：道次压下量分配的总体原则是由小变大，由大再变小。厚板坯（180mm 以上）在咬入阶段，压下率一般不超过 20%。为了控制成品尺寸精度，最后几个道次一般采取小压下率。因此在咬入条件限制消除后，在温升不超过相变点的前提下应尽量提高压下率，为最后几个道次提供充足的调整空间和工艺温度。

采用轧机能力越大，道次压下率越大，但必须限制在板坯塑性允许范围内。 

3.2、温度制度 

温度制度包括开轧温度、道次轧制温度、终轧温度等，也包括轧制延续时间、间隙时间等。 

从相变和再结晶角度，TC4 的热轧最大温度范围为 750~990℃，结合工图其热轧温度范围尽量保持在 800~950℃之间。在实现轧机辊缝调整、轧机反向启动、轧件回送等动作的前提下，道次间隙时间一般尽量短，然而在变形量大、轧件心部温升较大、表面心部温差较大时，可通过适当延长道次间隙时间，使轧件温度趋于均匀。 

3.3、速度制度 

速度制度包括各道次轧制时的咬入速度、抛出速度、稳定轧制速度等。开轧阶段，为防止咬入造成闷车、断辊等事故，同时避免变形温升过大，一般采用低速1~1.5m/s。在中间轧制阶段，随着轧件的减薄可提高轧制速度，但轧制速度一般不超过 3m/s。某厂 1200mm 四辊可逆式热轧机轧制钛及钛合金板材时，所采用的轧制速度见表1。 

3.4 轧制规程制定 

根据轧机机组配置情况可对轧制力、轧制力矩、电机功率、轧制速度上限等条件进行判断。轧制初始温度、终轧温度、压下率等工艺参数的确定与材料特性密切相关。表2为TC4 钛合金的压下量/压下率的约束条件。表3给出 TC4 钛合金的轧制温度范围及推荐的温度制度。 

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