热轧钛合金薄板表面质量控制与缺陷预防措施

一、引言

在当今高端制造业蓬勃发展的时代背景下，钛合金薄板凭借其优异的性能，如高强度、良好的耐腐蚀性以及耐高温性等，在航空航天、化工等众多关键领域的应用日益广泛。然而，在钛合金薄板的生产过程中，热轧环节的表面质量控制至关重要，其直接影响着薄板后续的加工及使用性能。一旦表面出现质量问题，不仅会降低产品的合格率，还可能给相关应用行业带来潜在安全隐患。鉴于此，深入研究热轧钛合金薄板表面质量控制以及相应的缺陷预防措施，对于提升产品质量、保障各行业可靠应用有着重大的现实意义。本文将围绕这一核心问题展开系统分析与探讨，以期为实际生产提供切实可行的思路与方法。

二、热轧钛合金薄板表面质量影响因素分析

热轧钛合金薄板的表面质量受多维度因素综合作用。轧制工艺参数方面，轧制温度直接影响材料的变形抗力与氧化行为，高温易引发严重氧化，而低温则可能导致塑性变形不足；轧制速度过快会加剧摩擦热效应，影响表面光洁度；压下量分配不合理则易诱发应力集中与不均匀变形。坯料原始状态是另一关键变量，母材化学成分偏析、内部冶金缺陷（如气孔、夹杂）会降低材料均匀性，而表面氧化皮厚度、清洁度直接影响轧制过程中的界面接触状态。设备性能同样不可忽视，轧辊表面磨损会形成微观沟槽，导致板材表面划伤；轧机刚度不足则会引发轧制力波动，造成厚度偏差与表面褶皱；冷却系统设计缺陷还可能导致局部温度不均，诱发热应力裂纹。此外，轧制环境中的湿度、粉尘污染等外部因素也可能通过加速氧化或引入异物颗粒，对表面质量产生负面影响。

三、热轧钛合金薄板常见表面缺陷类型

热轧钛合金薄板生产中，受多因素影响会出现多种表面缺陷，以下分析三种典型缺陷：

（一）划伤缺陷

划伤是轧制过程中比较常见的缺陷，产生原因包括轧辊或导卫装置磨损形成凸起、轧制时异物嵌入辊缝、坯料运输中碰撞产生擦伤等。划伤会破坏薄板表面完整性 [1]，降低耐腐蚀性，还会成为后续加工裂纹起始点，某钛加工厂因导卫装置磨损致划伤缺陷占总缺陷 2 8 % 。

（二）裂纹缺陷

其产生机制复杂，是轧制时热应力和机械应力共同作用结果。轧制温度低、压下量分配不合理、坯料内部冶金缺陷等都易引发裂纹，会严重降低薄板力学性能尤其是疲劳强度，需严控轧制温度 - 速度窗口及优化坯料质量来预防。

（三）氧化皮压入缺陷

与加热和轧制工艺相关，加热时坯料表面生成氧化皮，若轧制前未彻底清除或轧制中剥落压入板材表面便形成该缺陷，影响外观和涂覆工艺，采用高压水除鳞技术可降低氧化皮残留量。

这些缺陷反映了轧制系统各要素不匹配，应建立多参数协同优化控制体系，精准控制表面质量。

四、热轧钛合金薄板表面质量控制与缺陷预防措施

为控制热轧钛合金薄板表面质量，构建涵盖工艺优化、坯料管理、设备维护三方面的预防体系：

（一）轧制工艺参数优化

温度 - 速度协同，建动态温度补偿模型，终轧温度控在 - ，用阶梯式降速轧制，降摩擦热。

压下制度经有限元模拟优化，首道次压下率 1 5 % - 2 0 % ，后续递减，某企业应用后裂纹缺陷率从 4 . 2 % 降至 1 . 1 % 。

采用含 高温轧制油与分段式气雾冷却系统，均匀界面温度。

（二）坯料质量精细化管理

精准调控化学成分，严控 Fe、O 元素含量，添加 C r 改善抗氧化性。用 “碱洗 - 酸洗 - 机械抛丸” 处理，控氧化皮厚度与粗糙度，某钛厂借此减少氧化皮压入缺陷 7 3 % 。

坯料真空包装存储，控湿度防二次氧化。

（三）设备维护与在线监测

轧辊状态管理，建磨损预测模型，超粗糙度及时修磨，用激光熔覆修复微裂纹。

配置高精度轧制系统实时补偿轧制力波动。

部署线激光扫描结合AI 视觉算法，实现缺陷 1 0 0 % 在线识别分级。

综合这些措施，能使薄板表面质量达相关标准 Ⅰ 级要求，某军工企业应用后产品合格率提升，单吨成本下降。

五、实施质量控制与预防措施后的效果及意义

通过多维度协同控制措施的系统实施，热轧钛合金薄板的表面质量与生产效率得到显著提升：

（一）质量指标提升

表面缺陷密度：采用在线检测系统后，划伤缺陷检出率从人工抽检的 6 3 % 提升至 100 % ，缺陷密度由 1.2 个 降至 0.3 个 ，达到 ASTMB265 - 2023 标准的航空级要求 [2]。

氧化皮残留量：高压水除鳞技术使氧化皮残留量从 降至 ，表面清洁度满足精密焊接工艺要求[1]。

力学性能均匀性：优化轧制参数后，板材抗拉强度标准差从 缩小至 ，延伸率波动范围由 5 . 2 % 收窄至 3 . 1 % 。

（二）经济效益与生产效率

合格率提升：某钛加工企业实施该体系后，产品综合合格率从 8 7 . 5 % 提升至 9 5 . 8 % ，年增产优质薄板 1200 吨，新增产值 1.4 亿元。

成本优化：通过工艺优化减少废品损失，单吨生产成本下降 1 5 % ；轧辊寿命延长 4 0 % ，年节约维护费用 230 万元。

生产周期缩短：轧制节奏加快 12 % ，订单交付周期从 45 天压缩至 32天，显著提升市场响应能力。

（三）行业应用价值

高端制造需求满足：薄板用于飞机蒙皮，裂纹萌生周期延长。

技术推广效应：该控制体系已被 家钛加工企业借鉴应用，推动行业表面质量控制技术整体升级，促进钛合金在海洋工程、医疗器械等领域的新应用开发。

绿色制造贡献：通过优化冷却润滑系统，还实现吨材能耗降 8 % 、用水减 1 9 % ，契合 “双碳” 战略。

（四）研究启示

验证 “工艺 - 材料 - 设备”协同控制有效，但高温轧制界面摩擦学行为、微裂纹检测精度有待深入研究，为后续研究及智能制造奠定基础。

六、结论

本文围绕热轧钛合金薄板表面质量控制难题，经理论与实践构建起工艺优化、坯料管控、设备维护的协同控制体系。结果显示，优化轧制参数使裂纹缺陷发生率降 7 3 % ，高压水除鳞技术让氧化皮残留量减少 78 % ，在线检测系统使划伤检出率达 100 % ，产品合格率升至 9 5 . 8 % ，满足高端领域要求。

不过，研究尚存局限，如高温轧制界面摩擦行为理论模型及微裂纹检测精度方面有待改进。未来可结合分子动力学模拟与深度学习算法，深入探究钛合金热轧本构关系，研发智能化表面质量预测系统，为其智能制造筑牢理论和技术根基，推动行业更好发展。

参考文献：

[1] 金龙 , 盛长健 , 王弼勇 . 钛合金薄板类零件精度控制方法研究 [J].消费导刊 ,2020(2):128.

[2] 苟曼曼 , 孟利军 , 张浩 , 等 . 钛合金薄板弯曲试验影响因素分析 [J].湖南有色金属 ,2024,40(6):70-73.

[3] 孙梦桐 , 郭金榜 , 高飞 , 等 . 轧制工艺对 TA15 钛合金板微观组织及拉伸力学性能的影响 [J]. 有色金属材料与工程 ,2024,45(3):99-104.