鈦和鈦合金很難加工。鈦因其屈服強度高，壹般為0.70~0.95，彈性好，變形抗力大，但其彈性模量相對較低，故加工時變形抗力大，回彈嚴重。而且加工過程中的粘連問題對產品的表面質量也有非常不好的影響。目前，鈦合金絲材的制備工藝不斷改進和完善，采用各種新技術，迅速提高了鈦合金絲材產品的質量，增加了種類，進壹步拓展了應用領域。拉拔仍然是生產鈦合金絲最常用的方法。通常情況下，線材的生產流程如下:原料→熔錠→鍛造→軋制→拉拔→熱處理→檢驗→成品。本文從線材的生產工藝出發，重點介紹了線材的拉拔工藝，並簡要介紹了線材坯料的制備工藝(熔煉、鍛造、軋制)和線材的加工工藝。
1絲坯的制備工藝
1.1熔化過程
鈦是壹種非常活潑的金屬，在液態下與氧、氮、氫、碳反應非常快，所以鈦合金的熔煉必須在高真空或惰性氣體(Ar或Ne)的保護下進行。熔煉技術主要包括真空自耗電極電弧爐熔煉、真空自耗電極殼爐熔煉、電子束冷床爐熔煉、等離子冷床爐熔煉、真空感應爐熔煉等。從功耗、熔化速度、成本的比較來看，前兩種仍然是目前最經濟適用的熔化方式。然而，真空電弧熔煉消除鈦合金中高密度夾雜物和低密度夾雜物的能力有限，而冷床爐熔煉在這方面具有獨特的優勢。熔錠的質量會影響後續的加工工藝和成品的質量。通過精選原料，選擇合理的熔煉工藝參數(熔煉電流、電弧電壓、真空度、漏風率、冷卻速度、攪拌磁場強度)，嚴格控制工藝，可以獲得高質量的鑄錠。由於線材尺寸小，加工工藝復雜，對合金中的冶金缺陷(偏析和夾雜)的敏感性增加，因此熔煉工藝對精確控制成分、降低合金中的雜質含量、保證線材的優異性能非常關鍵。
1.2鍛造工藝
鍛造的目的是改善組織，提高金屬的綜合性能，為軋制工藝提供坯料。基本工藝流程如下:鑄錠→加熱→開坯鍛造→冷卻→表面清理→毛坯變形→加熱→鍛棒→檢驗→成品。
應選擇合適的加熱溫度、加熱速度和加熱時間，並控制爐內氣氛，以保證產品質量。加熱溫度應在變形塑性好、鍛件質量高、變形抗力低的溫度範圍內。鑄錠開坯加熱在(α+β)/β轉變點以上100 ~ 200℃範圍內(β鈦合金除外)；鍛造後，粗大的鑄態組織得到了壹定程度的打破，內部組織得到了改善，塑性得到了提高，因此可以隨著退火次數的增加，逐漸降低再鍛造的加熱溫度。為了防止β脆性，獲得良好的組織和綜合性能，對於α合金和α+β合金，成品前的鍛造加熱應在相變點以下的溫度進行，而對於β合金，實際上是在β區加熱鍛造。由於鈦的導熱系數較低，室溫下為0.0397K/cm·s℃，約為中碳鋼的1/4，但高溫時相近。因此，低溫時應采用緩慢加熱，避免加熱時表層和中心層溫差過大。在高溫下，鈦的導熱系數增加，所以可以稍微快壹點的速度加熱。
在鍛造過程中，變形溫度、變形量和變形速度對鍛件質量有重要影響，必須正確控制。如上所述，鍛造前的鑄錠壹般加熱到相變點以上，因為在此溫度下變形抗力低，塑性高。但如果鑄錠變形量過低，鑄態組織得不到有效破壞，其性能較差，直接影響後續加工。在鍛造過程中，如果變形量選擇不當，將會嚴重影響合金的組織和性能。如TC4合金，當加熱溫度高於相變點且變形量不夠大時，往往會獲得粗大的片狀或針狀α-β組織，也稱粗大魏氏組織。這種結構的強度變化不大，但塑性顯著下降。當變形量增加時，出現不同程度畸變的條狀α+β組織，稱為籃狀組織。該組織的高溫性能和斷裂韌性有所提高，但塑性有所下降。應選擇合適的變形量以獲得更細小的β組織和壹定量的等軸初生α+轉變。這種組織具有良好的綜合性能。變形速度對鍛件質量也有非常重要的影響。當變形速度過快時，不僅變形抗力提高，而且由於變形的熱效應，鍛件的局部或整體溫度過高，導致鍛件的顯微組織和綜合性能變差。最後必須指出，變形溫度、變形速度和變形量絕不是孤立的，影響鍛件質量。比如加熱溫度稍高，但有足夠的變形量和較低的變形速度，可以獲得較好的組織和性能。
1.3軋制工藝
軋制加工主要為拉絲提供線坯，進壹步改善合金組織，提高金屬的綜合性能。和鍛造工藝壹樣，對線材的微觀組織和表面質量有重要影響。主要工藝參數為:加熱溫度、軋制速度和熱軋率。
(1)加熱溫度
鍛造後，坯料組織的均勻性和致密性有了很大的提高，因此加熱溫度可以略低於鍛造溫度。α+β合金軋制前的加熱溫度壹般略低於(α+β)/β相變溫度，即在(α+β)相區進行加熱，使軋制過程在(α+β)相區完成，保證產品的組織和性能更好。α型合金的加熱溫度也在(α+β)相區，此時熱加工性好，室溫性能好；β型合金的加熱溫度高於β相變溫度，使其變形在β相區完成。此時合金的變形抗力小，塑性好。不同的加熱溫度對合金的組織和性能有很大影響。如TC9棒材在1050℃軋制時，由於軋制溫度在β轉變溫度以上，得到針狀組織，性能較差。在α+β相區(980℃以下)軋制時，獲得等軸組織，性能良好。
(2)碾壓速度
目前鈦及鈦合金由於鈦制品產量小、長度短，不適合高速軋制，且多為手工操作。而且如果軋制速度過快，軋件會迅速升溫，影響最終產品的組織和性能。理論計算表明，當軋制速度大於12m/s時，軋件溫升與軋制速度成正比增加。當軋制速度大於30m/s時，終軋溫度與加熱溫度無關。
(3)熱軋率
由於變形量的不同，合金的組織和性能有明顯的差異。如TC4棒材在920℃熱軋，28%變形量軋制時，其組織基本上是α相被β相網格分割成等軸狀，組織和性能較差。當變形量為44%時，β相網格已經破碎，α相的粒徑較大，因此組織和性能也較差。當變形量為66%~78%時，有幾乎相同的結構。該組織以α相為基體，具有細小彌散的α+β結構，具有較好的性能。
為了充分加工和細化組織，提高材料性能，20世紀70年代發明了階梯軋制工藝，這是壹種結合軋制和鍛造變形特點的加工方法，具有鍛件變形量大、軋制速度高等特點。借鑒國外少數先進國家，線材制備工藝為:鑄錠→開坯鍛造→熱連軋成線材。秦等人研究了用合金鋼熱連軋機生產10mm大卷重高速純鈦線材的工藝，並對產品的組織、性能、形狀和尺寸公差進行了分析和討論。研究表明，該方法生產的產品具有良好的力學性能、均勻的組織和良好的表面質量。
2繪圖過程
2.1拉伸溫度
冷加工性能差的鈦合金通常采用熱拉拔加工，拉拔溫度對線材的組織、性能、間隙元素含量和表面質量有重要影響。朱等人對Ti2Cu鈦合金絲材拉拔方法的研究結果表明，Ti2Cu鈦合金絲材不適合冷拔，但采用熱拉拔方法可以成功地拉拔出合格的Ti2Cu鈦合金絲材。碳、氧、氮和氫的增加可以通過堿、酸洗和真空退火來消除。圖1顯示了Ti2Cu鈦合金絲在冷拔和熱拔下的拉伸性能。可以看出，在冷拉過程中，鋼絲的抗拉強度隨著直徑的減小而增大，伸長率隨著直徑的減小而迅速減小。在8mm~6.19mm範圍內，隨著直徑的減小，抗拉強度迅速增加，延伸率顯著下降，因為只發生了部分再結晶，硬化作用大於軟化作用。在6.19mm ~ 1.15mm範圍內，抗拉強度和延伸率基本保持不變，這是由於變形引起的硬化和再結晶引起的軟化的動態平衡。
2.2圖紙通過率加工率
在熱拉拔過程中，各道次的加工率主要取決於加工溫度和絲徑。對於室溫冷拔，各道次的加工率主要取決於氧化、塗層質量和潤滑劑質量。表1是室溫拉拔時孔型加工率隨直徑變化分布的通用規範。
2.3拉伸應力
拉拔時，拉應力應小於被拉拔金屬材料的屈服強度，這是實現拉拔過程的基本條件。影響拉伸應力的因素很多，如拉伸溫度、拉伸速度、加工速度、模具錐角等。加工速率的增加、拉拔溫度的降低、錐角過大或過小都會引起拉應力的增加；在線性拉拔中，拉拔速度對拉應力無顯著變化，但當線材直線通過模孔後纏繞在牽引絞車上時，若拉拔速度超過壹定範圍，拉應力會增大。為了降低拉伸過程中的拉應力，可以采用潤滑、減少變形、提高金屬變形塑性等方法。為此，人們研究了多種加工技術，包括輥模拉伸、超聲波振動拉伸等方法。
2.4拉伸潤滑
由於鈦合金在拉深時有粘模的傾向，很難拉深，所以除了良好的潤滑劑外，還要采取塗層、氧化等其他增強潤滑的措施。大多數鈦合金在拉制之前被氧化和塗覆。使用的塗料有石墨乳液、鹽石灰、鈣基塗料等。選擇塗層的依據不僅要與被加工的絲緊密結合，而且要與潤滑劑有良好的潤濕性，易於去除。在不同的拉伸工藝條件下，使用的潤滑劑是不同的。在鈦拉絲過程中，使用的潤滑劑有工業肥皂粉、石墨乳液以及肥皂粉與其他物質的混合物，應選擇潤濕性和熱穩定性好的潤滑劑。例如，在TB2鈦合金絲材加工中，選擇鈣基塗層作為塗層，並添加自制潤滑劑(HTK-SM)，可以獲得滿意的絲材表面。為了增強潤滑效果，常采用加壓模具來改善線材的表面質量。
2.5拉伸模
拉絲模的主要材料有硬質合金、天然金剛石、人造金剛石和聚晶金剛石。單晶天然金剛石模具常用於長絲生產。天然金剛石模具雖然成本高，但是耐用，尺寸變化小，不易造成粘著磨損，鋼絲劃傷等。為了使待加工的線材順利通過模具，實現變形的目的，並形成所需的規格和尺寸，要求被加工的模具形狀有利於潤滑，減少斷絲現象，有利於變形熱量的迅速散發。拉伸壹段時間的結果是模具表面被磨損，即有東西因摩擦、撕裂而從模具表面脫落，會劃傷線材表面。因此，有必要提高模具光潔度，減少模具缺陷，加強模具對準。
有了管理控制。
2.6表面處理
在拉絲過程中，表面處理也是影響線材表面質量和組織性能的壹個因素。其方法包括酸洗、機械拋光、電解拋光、磷化、氧化、電鍍等。西北有色金屬研究院和油研壹金新材料有限公司對鈦鉭合金絲和鈦鎳合金絲的表面處理進行了研究，結果表明，酸洗、機械拋光和電解拋光的拉伸試樣均呈韌性斷裂，但電解拋光由於減少了表面裂紋源，有效提高了鈦鎳合金絲的力學性能，而酸洗由於減少了表面夾雜物對拉伸的影響，表現出比機械拋光更好的綜合性能。磷化氧化處理由於磷化層和氧化層硬度高，可以有效保證線材表面在拉伸過程中不被劃傷，但拉伸過程中表面和芯部的變形會出現不協調，容易導致表面產生裂紋，導致材料斷裂。雖然電鍍線表面光潔，但由於氫脆，試樣呈現脆性斷裂，材料的力學性能顯著降低。
2.7熱處理工藝
退火廣泛應用於鈦及鈦合金線材的熱處理，包括中間退火和成品退火。其目的是提高線材的加工塑性，達到要求的成品性能。在制定退火工藝時，不僅要考慮生產的具體條件，還要考慮金屬的機械性能、變形程度和退火溫度之間的關系。比如工業純鈦，隨著加工率的增加，延伸率降低，而抗拉強度增加，說明冷加工硬化快，必須進行中間退火。線材產品的退火溫度應根據成品所需的性能來選擇，以達到最佳的性能匹配。如Ti-2Al-2.5Zr線材的最佳真空退火溫度為700~850℃，延伸率和拉伸性能均能滿足線材的要求。表2和表3是鈦和鈦合金絲的壹般退火規範。可見線材的退火制度也要考慮線材的尺寸。在實際應用中，應根據合金成分和加工工藝，通過實驗研究選擇最佳退火工藝。
除退火工藝外，通常還需要固溶時效等熱處理來獲得各種用途所需的性能。如眼鏡架用Ti-22V-4Al合金絲在780℃×30min退火，組織均勻，延伸率在20%以上。經520℃×4 h時效後，維氏硬度達到2800MPa，滿足眼鏡框絲硬度的技術要求。
3加工技術
傳統的定模拉伸(即常規拉伸)有其固有的缺陷，其突出的問題是模具與變形金屬接觸面之間的摩擦以及伴隨的熱效應。為此，人們發明了多種加工技術來解決上述問題。
(1)輥模拉拔:該技術結合了傳統軋制和拉拔的特點，降低了拉拔力，提高了道次加工率，降低了加工硬化程度。由於輥模是在由非驅動的、自由旋轉的軋輥組成的孔型中拉伸的，定模拉伸時材料與模孔之間的滑動摩擦大部分轉化為很小的滾動摩擦，從而大大降低了拉伸摩擦。輥模拉伸的缺點是尺寸精度沒有定模拉伸高，適合粗拉伸，而定模拉伸用於精拉伸中的精加工。
(2)超聲波振動拉伸:這種方法是20世紀50年代發展起來的。拉伸時，對拉伸模施加超聲波振動，可有效降低拉伸力，提高各道次的加工率。
(3)無模拉絲:該工藝是利用感應線圈或激光對線材進行局部加熱軟化，施加張力使線材變細。其優點是不需要拉伸模和潤滑劑，變形率高，效率高，但缺點是尺寸均勻性差，成品質量不穩定。
(4)升壓模拉伸:此工藝是指在拉伸模前安裝升壓噴嘴裝置的方法，可造成線材拉伸時自動加壓、強制潤滑的效果。其優點是:斷絲率降低了4/5，拉絲模壽命提高了20倍以上，表面質量得到了改善。
(5)塗層-包覆集束拉伸:該方法首先在鈦絲表面包覆壹層低碳鋼，然後將鍍好的鈦絲捆紮成低碳鋼管，再進行集束拉伸加工和中間退火，加工到最終尺寸後，用硫酸酸洗去除低碳鋼護套和塗層。其優點是效率高，生產成本低。
(6)包覆-碎屑擠壓:該工藝由日本東北大學開發，主要用於加工TiNi形狀記憶合金絲，可提高產品質量，降低生產成本。首先通過包覆軋制制備由不同金屬板材組成的多層復合板材，各種金屬層的厚度比例取決於確定的化學成分。然後，將軋制的包覆薄板切割成碎片，並將切割的碎片裝入容器中制成坯料，將坯料擠壓成細棒，然後加工成細絲。最後，通過熱擴散處理將復合絲轉變成所需的金屬間化合物絲。
(7)連續軋制生產線材的四輥線材軋機:這種軋機由四個呈圓孔狀的軋輥組成，工作時壹個驅動軋輥帶動另外三個軋輥轉動。多個這樣的機架組成壹個連軋機，可以生產鈦合金線材，從而大大提高線材的生產率和成品率。
4結論
鈦及鈦合金絲應用廣泛，但其價格昂貴是其應用的主要障礙。有必要開發和推廣新的線材制備技術，以降低線材的加工成本。國外關於線材加工技術的報道很多，采用了很多新技術，所以國外鈦合金線材產品質量好，規格多。但國內鈦合金線材生產技術還比較落後，目前需要解決的問題是生產流程長、效率低、成本高。因此，我國應加大對鈦合金線材加工的研究投入，盡快提高該領域的技術水平和裝備水平，生產出質優價廉的鈦合金線材產品，滿足市場需求。