冷軋過程中Q值對(duì)Gr.9鈦合金管材組織及力學(xué)性能的影響

楊碧蕓，雷 楊，陳 肖，趙文婷

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

Gr.9鈦合金，也稱Ti-3Al-2.5V型鈦合金，是一種近α型鈦合金[1]，具有抗裂紋擴(kuò)展能力好、比強(qiáng)度高、密度小、疲勞強(qiáng)度好的優(yōu)勢(shì)，與TC鈦合金相比，Gr.9鈦合金的冷成形性能和焊接能力更優(yōu)，因此被廣泛的應(yīng)用于航空領(lǐng)域[1，2]。Gr.9鈦合金常用于加工管材、箔材、帶材等，可用于飛機(jī)蜂窩制作等方面。

隨著我國航空航天工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)性能更加優(yōu)越的Gr.9鈦合金的需求量逐漸增多，但是Gr.9鈦合金管材在生產(chǎn)過程中仍然存在較多的技術(shù)難題，無法滿足現(xiàn)階段航空工業(yè)對(duì)Gr.9鈦合金管材質(zhì)量的基本要求[3]?；诖耍疚囊訥r.9鈦合金管材為研究對(duì)象，分析冷軋過程中Q值（相對(duì)減壁量與相對(duì)減徑量的比值）對(duì)Gr.9鈦合金管材組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及過程

本次試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)材料包括φ600mm的Gr.9鈦合金、AlV55中間合金、0級(jí)海綿鈦。

試驗(yàn)開始前將Gr.9鈦合金鍛造成棒材后鉆孔，經(jīng)過熱擠壓、酸洗等處理制作成φ55mm×9mm的管坯；再將φ55mm×9mm的管坯經(jīng)過軋制、內(nèi)外表面處理、退火處理等制作成φ16.4mm×2mm的中間管坯，以此作為試驗(yàn)原材料進(jìn)行不同Q值的試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中采用以下5種不同的管材：①冷軋工藝為φ16.4mm×2mm→φ14mm×1.8mm→φ12mm×1.6mm，此時(shí)Q值為0.75；②冷軋工藝為φ16.4mm×2mm→φ14mm×1.8mm→φ12mm×1.4 mm，Q值為1.12；③冷軋工藝為φ16.4mm×2mm→φ14 mm×1.4mm→φ12mm×1.0mm，Q值為1.86；④冷軋工藝為φ16.4mm×2mm→φ14mm×1.2mm→φ12mm×0.8mm，Q值為2.24；⑤冷軋工藝為φ16.4mm×2mm→φ1 4mm×0.9mm→φ13mm×0.7mm，此時(shí)Q值為3.14。對(duì)上述5種不同的軋制方案進(jìn)行700℃×60min真空熱退火處理，分析不同Q值對(duì)Gr.9鈦合金管材組織及力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 冷軋過程中不同Q值對(duì)管材組織的影響

通過5種不同管材的冷軋?jiān)囼?yàn)表明，在不同的Q值（相對(duì)減壁量與相對(duì)減徑量的比值）條件下，Gr.9鈦合金管材的顯微組織均發(fā)生明顯的變形，均為變形的纖維狀組織，在冷軋過程中α晶粒明顯拉長，使得α晶粒的晶界變得模糊，總體上晶粒拉長的方向趨于一致，且β相呈點(diǎn)狀分布在α相中[2]。

當(dāng)Gr.9鈦合金管材壁厚變形量相對(duì)徑向變形量較小是，即Q值較小時(shí)，Gr.9鈦合金管材的顯微組織變形量較小，α晶粒雖然有拉長現(xiàn)象，但是拉長變形程度不均勻；當(dāng)Q值從0.75逐漸增大時(shí)，Gr.9鈦合金管材的顯微組織變形量也隨之增大，使得鈦合金中金屬流動(dòng)更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致，α晶粒變形拉長程度更加明顯，且拉長變形程度逐漸向均勻化轉(zhuǎn)變；當(dāng)Q值持續(xù)增大時(shí)，Q值為3.14時(shí)變形量與Q值為2.24時(shí)的變形量基本一致，但是α晶粒的變形量持續(xù)增大，主要與Gr.9鈦合金管材壁厚變形量持續(xù)增加有關(guān)。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，Gr.9鈦合金管材在冷軋過程中的變形量不能完全反應(yīng)鈦合金中金屬流動(dòng)特征以及晶粒變形規(guī)律，還與Q值具有較為密切的關(guān)系，總體上具有“Q值越大，金屬流動(dòng)性越強(qiáng)烈，晶粒變形拉長程度越明顯，晶粒纖維化和取向趨勢(shì)越明顯”的變化規(guī)律。

2.2 冷軋過程中不同Q值對(duì)管材力學(xué)性能的影響

管材的拉伸性能是反映管材力學(xué)性能的一個(gè)重要方面，對(duì)綜合評(píng)估Gr.9鈦合金管材的整體力學(xué)性能至關(guān)重要。因此，本文進(jìn)行了不同Q值條件對(duì)Gr.9鈦合金管材拉伸性能的影響。根據(jù)不同Q值條件下冷軋?jiān)囼?yàn)結(jié)果顯示，不同的Q值對(duì)Gr.9鈦合金管材的拉伸性能影響極為明顯。當(dāng)Q值小于1.12時(shí)，Gr.9鈦合金管材的拉伸強(qiáng)度隨著Q值的逐漸增加而增大，但是管材的拉伸延伸率卻隨著Q值的增加而逐漸降低，即在冷軋過程中Gr.9鈦合金管材產(chǎn)生了一定程度的加工硬化。當(dāng)Q值介于1.12和2.24之間時(shí)，Gr.9鈦合金管材的拉伸強(qiáng)度和拉伸延伸率均隨著Q值的增加而增加，但是Gr.9鈦合金管材的屈服強(qiáng)度卻隨Q值增大而降低；當(dāng)Q值為2.24時(shí)，Gr.9鈦合金管材的延伸率和拉伸強(qiáng)度最大，此時(shí)屈服強(qiáng)度最小，Gr.9鈦合金管材的強(qiáng)度、塑性匹配最好。當(dāng)Q值從2.24持續(xù)增加至3.14時(shí)，管材的拉升強(qiáng)度明顯較低，拉伸延伸率幅度也明顯下降，此時(shí)Gr.9鈦合金管材的拉伸性能明顯惡化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，在同樣的中間管坯（φ16.4mm×2mm）條件下，Q值對(duì)管材的拉伸性能影響極為明顯，最佳的Q值為2.24左右，綜合考慮管材延伸率變化呈二次曲線分布規(guī)律，在Q值為1.86和2.62左右時(shí)管材的延伸率均較高，因此綜合認(rèn)為Q值為1.86～2.62時(shí)Gr.9鈦合金管材冷軋效果較好。

3 結(jié)語

綜上所述，Gr.9鈦合金管材具有抗裂紋擴(kuò)展能力好、比強(qiáng)度高、密度小、疲勞強(qiáng)度好、冷成形性能和焊接能力更優(yōu)的優(yōu)勢(shì)逐漸應(yīng)用于航空領(lǐng)域，促進(jìn)了我國航空工業(yè)的快速發(fā)展。針對(duì)我國Gr.9鈦合金管材總體性能無法滿足航空工業(yè)需求的基本現(xiàn)狀，本文以不同Q值條件進(jìn)行了Gr.9鈦合金管材的冷軋?jiān)囼?yàn)，進(jìn)而總結(jié)了Q值對(duì)Gr.9鈦合金管材顯微組織和力學(xué)性能的影響，為進(jìn)一步改進(jìn)Gr.9鈦合金管材冷軋工藝提供參考。