軋制工藝對TA5鈦合金薄板組織與性能的影響

TA5鈦合金是一種中等強度的全α鈦合金，名義成分Ti-4Al-0.005B，具有優良的耐蝕及焊接性能，被廣泛用于艦船煙囪蒙皮、桅桿等零部件[1-2]。熱軋與冷軋是鈦合金板材工業生產常見的加工方式，通常對于4mm以上中厚板，可直接采用熱軋方式經1~3個軋程軋至成品厚度，而對于3mm以下薄板可采用熱疊軋或多軋程冷軋進行加工生產[3-4]。目前關于鈦合金的研究主要是通過改變軋制、鍛造或熱處理中某個工藝參數來探索其對合金組織與性能的影響而關于不同工藝方法對鈦合金組織及性能影響的研究較少。本文通過對不同軋制工藝的分析，探索了熱疊軋與多道次冷軋對TA5鈦合金板材組織及性能的影響，以期對鈦合金工業薄板的生產提供一定的參考。

1、試驗材料及方法

試驗采用經三次真空熔煉生產的φ660mm的TA5鈦合金鑄錠，其化學成分符合GB/T3620.1標準要求，金相法測試相變點約1000°C。鑄錠經開坯鍛造后成為軋制用方述120mm×800mm×1000mm。軋制工藝采用自主研發的無包覆熱疊軋工藝A和多道次冷乳工藝B，熱乳與冷軋均在1450mm四輥可逆軋機上進行。具體工藝路線如下：

工藝A:板坯熱軋至5mm—>板材下料切割—>取2片鈦板組焊為疊軋包—>930℃加熱—>疊軋至3mm—>

650°C退火—>表面處理—>切割為3mm×1000mm×2000mm成品板材。

工藝B:板坯熱軋至3.5mm—>800°C再結晶退火—>表面處理—>經20道次冷軋至成品3mm—>650°C退火—>表面處理—>切割為3mm×1000mm×2000mm成品板材。

成品退火后，對兩種工藝方法下板材橫截面進行金相組織觀察，同時取橫向試樣進行拉伸及彎曲性能對比分析。金相腐蝕試劑體積配比為HF:HNO3:H₂O=1:4:5,腐蝕后在LeicaDMI5000M金相顯微鏡上進行組織觀察。拉伸及冷彎試驗分別在INSTRON5982及WDW-50材料試驗機上進行，拉伸取P7試樣，冷彎彎芯直徑D=3t(為板材厚度），其它試驗參數執行GB/T228標準。

2、試驗結果與分析

2.1不同軋制工藝下成品板組織

圖1為不同軋制工藝下成品板材的組織形貌。

采用工藝A生產的成品板存在明顯的拉長變形α晶粒，組織為等軸α+拉長α+晶間β,晶粒平均尺寸約15μm。工藝B板材退火后已完全再結晶，無變形組織殘留，組織為等軸α+晶間β,晶粒尺寸約10μm。兩種工藝相比，工藝B成品板α晶粒形態全部為等軸狀，晶粒尺寸細小，且組織均勻性明顯優于工藝A。TA5鈦合金為密排六方結構，滑移系少，變形抗力大，滑移和位錯運動需要外界提供更多的能量。

軋制前進行高溫加熱，可消除上一軋程形成的加工硬化，同時軋制時輸人了較高的能量加快了原子擴散，弱化了相鄰晶粒間的結合強度，使相鄰晶粒在切變作用下更易發生滑動，從而降低變形抗力[8]但不可避免，在加熱過程中部分處于有利取向的晶粒會迅速長大，導致軋制過程中不易被充分破碎。單張板軋制時，鈦板上下表面受到強烈的剪切力，晶粒破碎

較為充分，越靠近中心越接近平面應力狀態，晶粒受到的剪切力逐漸降低，晶粒也更不容易被破碎，從而造成表面至中心組織的不均勻性，板材越厚，不均勻程度越高[9]。乳制工藝A中，疊軋包由2片鈦板組焊而成，軋制時僅疊軋包的上下表面受到強烈的剪切作用，中間位置兩張鈦板相互擠壓、滑動，剪切作用明顯弱化。因此對于單張鈦板，上下表面及中心位置受力差異較大，截面各個位置破碎程度呈現不均勻性。此外，因為加熱溫度較高，軋制時同時發生著加工硬化與回復再結晶過程，晶粒不能充分破碎，導致大量的變形晶粒殘存在組織中。成品退火時，因為熱軋板較低的儲存能以及分布的不均勻性，形核位置較少，再結晶過程以晶粒長大為主，最終造成晶粒尺寸較大，同時拉長變形的晶粒也會繼續殘存在組織中。

工藝B中軋制所用的鈦板僅為3.5mm,厚度較薄，經多道次軋制后鈦板截面各個位置晶粒充分破碎，組織均勻。冷軋板材儲存能較高，成品退火時形核位置多，晶粒來不及長大，因此最終獲得的板材晶粒尺寸細小均勻。

2.2不同軋制工藝下成品板性能

工藝A、B成品板的性能如表1所示。從表中可以看出，A與B兩種工藝拉伸及冷彎性能均滿足GB/T3621標準要求，且工藝B成品板抗拉強度、屈服強度、伸長率以及最大冷彎角都明顯高于工藝A。

與標準相比，工藝B抗拉強度富余量達到了50MPa,屈服強度富余量113MPa,伸長率富余量11%,冷彎最大冷彎角富余量25°,表現出了優異的綜合性能。由兩種工藝下組織對比分析可知，工藝B晶粒尺寸及組織均勻性要優于工藝A,根據Hall-Petch公式，晶粒尺寸越小，晶界越多，造成的強化效應也越明顯，同時因為晶粒細小，晶粒內部與晶界處應變相差較小，變形均勻，因此在斷裂之前可以承受更大的變形量，所以表現出了較高的塑性[10]。冷彎性能是與板材表面質量、強度、組織形態等多個因素相關的一個綜合指標，從工藝A和B的組織形態來看，工藝B細小均勻的晶粒分布更不容易形成應力集中，延遲了裂紋萌生，從而對冷彎性能有利。

3、結論

(1)熱疊軋工藝生產的TA5成品板存在明顯的變形態晶粒，晶粒尺寸較大。與熱疊軋工藝相比，多道次冷軋工藝成品退火后，發生了完全再結晶，且晶粒細小，組織分布均勻。

(2)熱疊軋與多道次冷軋工藝生產的成品板均滿足GB/T3621標準要求，且多道次冷軋工藝生產的成品板表現出了優異的綜合性能，其強度、塑性以及冷彎性能，要明顯優于熱疊軋工藝。

參考文獻：

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