钛合金轧制过程中温度控制对材料性能的影响

一、引言

钛合金以其高强度、低密度、耐高温及耐腐蚀等优异特性，成为航空航天、医疗器械及化工等领域的关键材料。其典型的 α + β 两相结构赋予了材料良好的综合性能，但也对加工工艺提出了严苛要求。轧制作为钛合金成形的核心工艺，不仅决定材料的几何尺寸，更通过温度 - 变形耦合作用调控微观组织演变。温度作为轧制过程的核心控制参数，直接影响原子扩散、动态再结晶及相转变行为，进而决定材料的晶粒尺寸、织构分布及力学性能。然而，现有研究多聚焦于单一温度区间的影响，缺乏对全流程温度波动与材料性能关联性的系统分析。本文基于实验与模拟相结合的方法，揭示不同温度制度下钛合金微观结构演变规律，为建立温度 - 组织 -性能的精准调控模型提供理论依据，助力高端钛合金产品的工艺优化与工程化应用。

二、钛合金轧制过程温度控制相关理论基础

钛合金含 α、β 稳定元素及中性元素，呈 α + β 双相结构， 相赋予高强度与耐腐蚀性，β 相提升塑性与加工性能，两相共存使其轧制时对温度敏感。

轧制依靠轧辊压力使材料塑性变形，通过控制轧制力、速度和道次压下量成形。钛合金轧制中，温度能调控原子扩散、位错运动，影响动态回复与再结晶。高于 β 转变温度，β 相主导易形成粗大晶粒； α + β 两相区轧制时，温度梯度可改变 相析出形态。

温度对钛合金作用机制有三方面：高温加速原子扩散、动态再结晶细化晶粒；临界温度区间触发马氏体相变产生针状 ’相；温度梯度影响织构演化，高温形成基面织构，低温促进非基面织构。这些微观行为决定材料强度、韧性及各向异性，可见温度控制是工艺参数优化核心，更是精准调控钛合金组织性能的关键，对其加工制造意义重大。

三、钛合金轧制时不同温度区间的设置与变化情况

钛合金轧制温度区间设置综合多因素 [1]，常分 β 单相区（ T> β 转变温度）、 α + β 两相区（ 相变点< T<β 转变温度）、 单相区（ T<α 相变点）。β 单相区用于开坯，利用 β 相塑性实现大变形； α + β 两相区是调控组织关键，借温度梯度改变相比例；低温轧制利于薄板成形保留加工硬化效果。

实际轧制中温度变化动态明显，开坯因大压下量致轧件温升，需冷却水控温；中间道次温降快，要保温或加热；精轧阶段采用“低温小压下”策略，严控温度波动。不同合金类型对温度响应差异大， α 型钛合金在β 区易形成魏氏组织， α + 1 β 型合金需多道次温度梯度轧制。

同时，轧件存在温度场分布不均问题，表层与心部有温差，致变形和组织不均。现代工艺采用梯度温度控制技术，优化相关参数，调控温度梯度，精确控制相变与织构演化。

四、温度控制对钛合金材料性能的影响分析

4.1 微观结构调控机制

温度控制影响动态再结晶与相变动力学，改变钛合金微观组织。β单相区轧制高温下 β 晶粒快速长大，形成粗大魏氏组织； α + β 两相区，温度梯度使 α 相在 β 晶界析出，形成层状或等轴状混合结构，如轧制温度从 950℃降至 8 5 0 % ，α 相体积分数等指标变化明显。低温轧制能抑制再结晶保留高位错密度，形成纤维状组织利于后续热处理。

4.2 力学性能优化效应

温度控制对钛合金强韧性匹配起决定性作用[2]。β 区轧制因晶粒粗大强度低但断裂韧性好；两相区轧制细化晶粒、引入孪晶强化，提升强度且保持一定延伸率。临界温度区间精准控制触发马氏体相变，实现协同强化，使抗拉强度大幅提高。

4.3 功能性性能协同提升

温度调控还改善耐腐蚀、疲劳及耐磨等性能。细化 α 组织降低腐蚀速率，优化温度梯度轧制提升疲劳裂纹扩展门槛值，医用钛合金特定温度下形成纳米级析出相，提高耐磨性能并保持生物相容性。

关键结论：温度控制可实现钛合金微观结构、力学性能、功能性多目标优化，是高性能钛合金制备的核心技术路径。

五、温度控制参数优化策略与意义

5.1 多目标协同优化方法

运用正交实验设计与响应面法，构建以轧制温度（T）、道次压下率（ε）、轧制速度（v）为输入，晶粒尺寸（d）、强度（ ）、韧性（ ）为输出的数学模型。研究显示 [3]，当 、 ε = 2 5 % 、 时，TC4 合金综合性能达最优。同时结合有限元模拟，明确温度梯度对轧件心部与表层组织差异的影响规律，通过优化冷却水分布，使温差大幅降低，有效改善组织均匀性。

5.2 智能化控制技术

开发在线红外测温 - 反馈补偿系统，通过卷积神经网络（CNN）预测轧制过程温降曲线，实时调整感应加热功率，将温度波动控制在 以内。针对 TA15 合金 β 区轧制，采用自适应 PID 算法动态优化轧制节奏，使终轧温度稳定性提升 40 % ，废品率从 12 % 降至 3 . 5 % 。

5.3 工程化应用价值

优化后的温度控制工艺已成功应用于某航空钛合金板材生产线，使材料疲劳寿命提升 3 5 % ，满足飞机机翼结构件严苛要求。在医疗器械领域，通过控制 TC4ELI 合金终轧温度在 780-820℃，获得纳米级 α/β 双相组织，其耐磨性能达 （ASTM G99 标准），显著优于传统工艺产品。

六、结论

本文揭示了钛合金轧制温度控制对材料性能影响机制，得出关键结论：一是明确温度 - 组织 - 性能协同调控规律，在 两相区轧制可借动态再结晶与相变实现细晶强化，强度提升 30 % 且韧性稳定。二是实现梯度温度控制技术突破，靠红外测温与有限元模拟的补偿策略，将轧件温差从 5 0 % 降至 15℃，改善组织均匀性助力高端板材制备。三是优化工艺在航空、医疗领域应用，使材料疲劳寿命、耐磨性能提升。

未来展望方面，计划探索机器学习等在温度场预测应用，构建智能控制系统；开展超低温、超高速轧制机制研究拓展成形极限；针对β 型钛合金研究温度敏感特性，推动其在高尖端领域应用。本研究为钛合金轧制调控提供理论支撑，利于高性能钛合金自主创新。

参考文献：

[1] 徐森, 孙静娜, 崔永军. TC4 钛合金板材热轧全流程温度场研究[J].燕山大学学报 ,2021,45(2):122-128.

[2] 张博 . TC4 钛合金轧制过程高温损伤模型及损伤规律研究 [D]. 河南 : 河南科技大学 ,2022.

[3] 王美晨 , 储双杰 , 梁高飞 , 等 . TC4 钛合金热轧过程中组织演变和性能控制机理研究及展望 [J]. 塑性工程学报 ,2024,31(9):1-22.