軋制工藝對(duì) TA15 鈦合金板微觀組織及拉伸力學(xué)性能的影響

摘要：

對(duì)比研究了采用包套軋制工藝及普通冷軋工藝制備的TA15 鈦合金薄板的縱、橫向微觀組織及室溫和高溫拉伸力學(xué)性能。研究表明：兩種工藝獲得的鈦合金板縱、橫向微觀組織的物相、尺寸、體積占比相似，縱向維氏硬度較橫向的高。熱軋工藝與冷軋工藝制備的鈦合金板相比，力學(xué)性能更加優(yōu)異、力學(xué)性能縱橫向差異小、綜合性能更好、室溫屈服強(qiáng)度更高，呈現(xiàn)出“橫向大于縱向、熱軋大于冷軋”的對(duì)比特征。熱軋工藝可弱化織構(gòu)的方向，使成品鈦合金板呈現(xiàn)出“強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比大、縱橫差小”的拉伸力學(xué)性能特性。

關(guān)鍵詞：熱軋；冷軋；顯微組織；拉伸性能；屈強(qiáng)比

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 146 " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Effect of rolling process on microstructure and tensile

properties of TA15 titanium alloy sheet

SUN Mengtong， " " "GUO Jinbang， " " "GAO Fei， " " "QIANG Ganggang， " " "WEN Zhigang

（Baoji Titanium Industry Co.， Ltd.， Baoji 721014， China）

Abstract：A comparative study was conducted on the microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy thin sheets prepared using the pack rolling process and conventional cold rolling process. The study revealed that the phases， sizes， and volume fractions of the microstructures in both longitudinal and transverse directions were similar for the two processes， with higher Vickers hardness in the longitudinal direction. Compared to TA15 titanium alloy thin sheets prepared by cold rolling， those produced by hot rolling exhibited superior mechanical properties， with smaller differences in mechanical properties between the longitudinal and transverse directions， better overall performance， and higher room temperature yield strength. This demonstrated a contrasting characteristic of \"transverse greater than longitudinal， hot rolling greater than cold rolling\". The hot rolling process can weaken directional texture， resulting in sheets with a tensile mechanical property characteristic of \"high strength， large yield-to-tensile ratio， small difference between longitudinal and transverse directions\".

Keywords： hot rolling; cold rolling; microstructure; tensile property; yield ratio

鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、生物相容性優(yōu)越等性能特征，享有“戰(zhàn)略金屬、海洋金屬、生物金屬”等美譽(yù)。通過(guò)拉伸、擠壓、沖壓、鍛造、軋制等傳統(tǒng)加工方式，可獲得管材、棒材、型材、線材、板材、帶材、條材、箔材等典型的鈦及鈦合金產(chǎn)品。材料使用環(huán)境逐漸趨于復(fù)雜化和多元化，對(duì)相應(yīng)材料的加工方式和組織、性能要求也變得越來(lái)越苛刻，由此衍生出各種更加高效的加工方式（諸如連鑄?連軋、半固態(tài)加工、噴射成形、包套軋制等）以期能夠縮短生產(chǎn)周期、提高效率。

近年來(lái)，鈦及鈦合金板材，特別是TC4、TA15、TA3G等在航空、航天、航海、生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用比重驟增^[1-2]，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后針對(duì)所有可能影響板材軋制工藝的因素進(jìn)行了深入研究。韓盈等^[3]對(duì)比研究TC4鈦合金板材換向及不換向軋制時(shí)對(duì)組織、織構(gòu)及性能的影響。發(fā)現(xiàn)換向軋制的板材組織更為細(xì)密、性能更為優(yōu)越，板材各向異性??；周博維等^[4]通過(guò)優(yōu)選變形量以保證板材完全軋透，從而促使組織分布更加均勻；考慮軋制溫度對(duì)板材組織及性能會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而研究不同軋制溫區(qū)對(duì)應(yīng)的軋制工藝^[5-6]。

TA15鈦合金板通常采用冷軋工藝進(jìn)行生產(chǎn)，由于鈦合金板冷加工變形抗力大、冷作硬化快，導(dǎo)致冷軋生產(chǎn)工序多、工藝繁瑣、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。包套軋制工藝不僅能同時(shí)完成多片板材的成品軋制，而且還能有效保證生產(chǎn)條件的一致性（包括加熱溫度、變形量、壓下分配等），這些優(yōu)勢(shì)可以顯著縮短生產(chǎn)周期，并保證板材批次間的穩(wěn)定性（組織、性能、尺寸等）。

以往是分別研究包套軋制工藝（軋制溫度、變形量、軋制換向方式等）或冷軋工藝（軋程數(shù)、變形量等）對(duì)板材組織及性能的影響^[7-9]，但鮮有關(guān)于同時(shí)對(duì)冷軋和包套軋制（以下簡(jiǎn)稱“熱軋”）兩種工藝制備的合金板的組織及性能的對(duì)比探討和分析。本次研究嚴(yán)格保證板坯的化學(xué)成分及規(guī)格一致，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中只有“熱軋”和“冷軋”兩個(gè)變量，從而通過(guò)控制變量法完成對(duì)這兩種生產(chǎn)工藝的合金板的組織及性能的對(duì)比研究^[10-11]。

1 " "實(shí)驗(yàn)工藝

實(shí)驗(yàn)以TA15鈦合金板作為研究對(duì)象，為保證板材軋制前鑄錠成分的一致性，擬選用兩個(gè)TA15鈦合金鑄錠（記為1#鑄錠、2#鑄錠），成分見(jiàn)表1。每個(gè)鑄錠選取兩塊板坯，分別采用熱軋工藝A及冷軋工藝B制備厚度為1.5 mm的TA15鈦合金板，記為：1#鑄錠?熱軋工藝A（1#-A）、1#鑄錠?冷軋工藝B（1#-B）、2#鑄錠?熱軋工藝A（2#-A）、2#鑄錠?冷軋工藝B（2#-B），具體工藝路線見(jiàn)表2。對(duì)比工藝A及工藝B發(fā)現(xiàn)：兩種工藝的差異性僅體現(xiàn)在“半成品熱軋之后”至“成品退火之前”的過(guò)程中，其余工藝設(shè)計(jì)及相應(yīng)參數(shù)一致。

四塊TA15鈦合金板坯在1 200 mm四輥可逆式熱軋機(jī)上完成半成品軋制后，經(jīng)表面處理合格的分別進(jìn)行成品熱軋或冷軋，直至完成成品退火。在完成退火的成品薄板上剪切取樣，對(duì)比分析其在縱截面、橫截面上的組織，及縱、橫方向上的拉伸性能（室溫、高溫），具體取樣方式及位置見(jiàn)圖1。

2 " "實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 " "不同軋制工藝的顯微組織特征

分別在編號(hào)為1#-A、1#-B、2#-A、2#-B的成品板材上取縱、橫向樣品進(jìn)行顯微組織分析，如圖2所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：（1）兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的縱、橫向樣品的顯微組織均為α+β兩相區(qū)加工組織，無(wú)完整的原始β晶界。兩者對(duì)應(yīng)的縱、橫向顯微組織的初生α相含量相近，體積分?jǐn)?shù)基本分布在65%～70%；（2）兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的橫向樣品的晶粒度（14.5級(jí)）及晶粒尺寸（2.2 μm）均明顯優(yōu)于縱向樣品的晶粒度（14.0級(jí)）及晶粒尺寸（2.8 μm），說(shuō)明成品板材對(duì)應(yīng)的晶粒度及平均晶粒尺寸僅與縱、橫方向有關(guān)，而與軋制工藝無(wú)明顯關(guān)聯(lián)性；（3）熱軋工藝及冷軋工藝對(duì)應(yīng)的縱截面的維氏硬度基本分布在340～360，橫截面的維氏硬度則分布在310～320，詳見(jiàn)表3。說(shuō)明維氏硬度也與軋制方向有關(guān)，而與軋制工藝無(wú)明顯關(guān)聯(lián)性。

2.2"不同軋制工藝的拉伸性能特征

對(duì)于軋制板材的3個(gè)不同主方向，一般是壓延方向強(qiáng)度最高，橫向其次。因此，本研究主要以TA15薄板的橫向拉伸性能作為研究對(duì)象，縱向拉伸檢測(cè)結(jié)果僅列舉3組，詳見(jiàn)表4。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，分別繪制了兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的室溫、高溫拉伸力學(xué)性能的橫向變化分布圖，如圖3所示。圖3中的豎直虛線是表2對(duì)應(yīng)4種編號(hào)的分界線：界限以左為1#鑄錠對(duì)應(yīng)的1#-A和1#-B；界限以右為2#鑄錠對(duì)應(yīng)的2#-A和2#-B。

不同軋制工藝橫向拉伸樣品的力學(xué)性能

（1）室溫拉伸抗拉強(qiáng)度。1）熱軋料的橫向抗拉強(qiáng)度整體高于冷軋料的，且受批次（1#-A與2#-A）的影響極?。?）冷軋料的橫向抗拉強(qiáng)度分布不穩(wěn)定，受批次（B1#與B2#）的影響較大；3）熱軋料對(duì)應(yīng)縱、橫向室溫抗拉強(qiáng)度差較小，而冷軋料對(duì)應(yīng)的縱、橫向室溫抗拉強(qiáng)度差較大。

（2）室溫拉伸屈服強(qiáng)度。1）熱軋料的橫向屈服強(qiáng)度整體高于冷軋料的，受批次（1#-A與2#-A）的影響不明顯；2）冷軋料橫向屈服強(qiáng)度受批次（B1#與B2#）的影響很明顯，且整體波動(dòng)性較大。

（3）室溫伸長(zhǎng)率。熱軋料與冷軋料的伸長(zhǎng)率變化特征不明顯，且受批次影響不明顯。

（4）高溫拉伸抗拉強(qiáng)度。1）熱軋料的橫向抗拉強(qiáng)度整體高于冷軋料的，受批次（1#-A與2#-A）變化的影響較?。?）冷軋料的橫向抗拉強(qiáng)度整體分布較穩(wěn)定，同樣受批次性（B1#與B2#）的影響較??；3）熱軋料的縱向抗拉強(qiáng)度低于橫向的，而冷軋料的橫向抗拉強(qiáng)度低于縱向的。即熱軋料及冷軋料均存在明顯縱、橫向差。

在塑性變化不大的前提下，熱軋料的拉伸強(qiáng)度明顯高于冷軋料，縱、橫向的性能偏差較小，且受批次性的影響較弱。

3"試驗(yàn)分析

由上述分析可知，兩種軋制工藝的縱、橫向顯微組織及結(jié)構(gòu)特征幾乎一致，但是縱、橫向差異較為明顯（晶粒度、晶粒尺寸、維氏硬度等）。此外，熱軋料與冷軋料的縱、橫向拉伸性能也存在一定的差異?；诖?，實(shí)驗(yàn)對(duì)造成鈦合金板顯微組織及拉伸力學(xué)性能產(chǎn)生縱、橫向差異的原因進(jìn)行深入探究。

3.1"不同軋制工藝對(duì)顯微組織差異性的影響

板材受軋制加工方式的影響，導(dǎo)致其內(nèi)部組織沿壓延軋制方向被拉長(zhǎng)，進(jìn)而使得縱向樣品的微觀組織尺寸大于橫向樣品的（縱向2.8 μm/橫向2.2 μm）。此外，同一變形量下晶粒的破碎程度大體一致，所以縱、橫向的微觀組織體積分?jǐn)?shù)相近（65%～70%）。

退火后樣品的晶粒尺寸主要取決于變形程度（主）和退火溫度（次），一般變形程度越大或退火溫度越低，對(duì)應(yīng)晶粒越細(xì)小^[12-14]。（1）本研究中熱軋工藝的變形程度要大于冷軋工藝的，但是兩者的晶粒尺寸相近。主要是因?yàn)榍罢邔儆跓峒庸すに?，軋制完成后因?yàn)殇摵械拇嬖诙鴮?dǎo)致鈦板散熱慢，晶粒會(huì)出現(xiàn)一定程度的長(zhǎng)大；（2） TA15鈦合金的再結(jié)晶開(kāi)始溫度大致為800 ℃，再結(jié)晶終了溫度大致為950 ℃。本研究中的兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的退火制度均為830 ℃/50 min空冷，屬于不完全再結(jié)晶退火，退火過(guò)程中僅有極少數(shù)的晶粒發(fā)生再結(jié)晶。所以導(dǎo)致兩種軋制工藝制備的樣品經(jīng)過(guò)成品退火后的晶粒尺寸沿縱、橫方向都存在不同程度的減小。

兩類(lèi)軋制工藝制備的樣品的縱截面的維氏硬度均高于橫截面的（約30）。樣品的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也就越高^[15]。參照?qǐng)D3發(fā)現(xiàn)：熱軋工藝制備的樣品的縱、橫向抗拉強(qiáng)度接近，而冷軋工藝制備的樣品的縱向抗拉強(qiáng)度明顯高于橫向的。再結(jié)合強(qiáng)度與硬度的關(guān)系，推測(cè)冷軋工藝制備的樣品的縱向強(qiáng)度高于橫向的，可能導(dǎo)致其縱截面維氏硬度大于橫截面的；但是熱軋工藝制備的樣品的縱、橫截面維氏硬度差不符合相應(yīng)的強(qiáng)度變化規(guī)律，可能是受熱軋工藝的影響導(dǎo)致更微觀界面的差異所引起（諸如織構(gòu)的分布等）。

3.2"不同軋制工藝對(duì)拉伸性能差異性的影響

相較于冷軋工藝，熱軋工藝對(duì)TA15鈦合金板的拉伸性能的作用效果更為顯著，可以獲得縱、橫向差異較小的綜合力學(xué)性能。這是因?yàn)槔滠垥?huì)產(chǎn)生方向性較為明確的織構(gòu)，而熱軋則會(huì)弱化織構(gòu)的方向性，進(jìn)而減小板材的縱、橫向組織及性能的差異，獲得優(yōu)異的綜合性能^[16]。

鈦合金具有較高的屈強(qiáng)比，在板材中尤為明顯。實(shí)驗(yàn)分別計(jì)算和對(duì)比了兩種軋制工藝制備的板材沿縱、橫向的屈強(qiáng)比，發(fā)現(xiàn)：兩者對(duì)應(yīng)的縱向屈強(qiáng)比基本分布在0.90～0.93，而橫向屈強(qiáng)比則分布在0.97～0.99；熱軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的橫向屈強(qiáng)比最高（0.98～0.99），冷軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的橫向屈強(qiáng)比居第二（0.97～0.98），熱軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的縱向屈強(qiáng)比次之（0.92～0.93），冷軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的縱向屈強(qiáng)比最?。?.90～0.92）。熱軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的縱、橫向屈強(qiáng)比均略高于冷軋工藝的，間接表明熱軋制備的TA15鈦合金板抗變形能力較強(qiáng)，更不易發(fā)生塑性變形。

4"結(jié) 論

（1）熱軋和冷軋兩種工藝在830 ℃/50 min的成品退火制度下，可獲得初生相體積分?jǐn)?shù)為65%～70%、晶粒度等級(jí)為14.0～14.5、晶粒尺寸為2.2～2.8 μm、維氏硬度為312～356的兩相區(qū)加工組織。這兩種工藝對(duì)應(yīng)的組織特征相似。

（2） 在伸長(zhǎng)率變化不大的前提下，熱軋工藝對(duì)應(yīng)的樣品的強(qiáng)度明顯優(yōu)于冷軋工藝的，且縱、橫向強(qiáng)度差異較小，受批次影響較弱。

（3） 熱軋工藝會(huì)弱化織構(gòu)的方向性，減小板材的縱橫向組織及性能差異，且受批次的影響較小。

（4） 兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的縱、橫向樣品的屈強(qiáng)比存在一定排布規(guī)律。大體遵循：熱軋橫向（0.98～0.99）、冷軋橫向（0.97～0.98）、熱軋縱向（0.92～0.93）、冷軋縱向（0.90～0.92）的順序降低。

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（編輯：畢莉明）