冷軋及熱處理對TA16鈦合金管材組織與性能的影響

張亞峰，于振濤，余 森，皇甫強，賀新杰，劉春潮，袁思波

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

冷軋及熱處理對TA16鈦合金管材組織與性能的影響

張亞峰，于振濤，余 森，皇甫強，賀新杰，劉春潮，袁思波

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

通過改變冷軋過程中的工藝參數，研究了加工變形量、Q值(相對減壁量和相對減徑量的比值)對TC16(Ti-2Al-2.5Zr)鈦合金管材拉伸力學性能的影響，同時研究了退火溫度對管材拉伸力學性能及顯微組織的影響。結果表明:Ti-2Al-2.5Zr合金管材具有良好的冷加工性能，當冷軋變形量在25%時可獲得較佳的強塑性匹配;當軋制Q值在1.2～2.0變化時，管材強度、塑形均隨Q增大而提高，可獲得綜合性能優異的管材。此外，研究發現隨著退火溫度的升高，管材強度、塑性及屈強比均呈現下降趨勢。

Ti-2Al-2.5Zr管材;冷軋;熱處理;組織;力學性能

1 前言

為提高飛機的整體飛行性能，滿足飛機重量相對輕、壽命長、機動性能好等要求，大型客機和戰斗機管路系統的工作壓力將逐步提高，因此需要對已經研制的飛機管路用材料進行完善、改進，探索和研究綜合性能更好的新型材料及其相關的加工技術，實現管路系統的不斷升級［1］。

鈦及鈦合金作為一種先進的輕量化結構材料，憑借其優異的綜合性能，已成為航空航天領域最具吸引力的材料之一。TA16(Ti-2Al-2.5Zr)合金是前蘇聯于20世紀60年代中期研制成功的一種中強、高塑的單相α鈦合金，具有高的比強度、優異的抗腐蝕性能和良好的冷加工性能等優點，主要在國外航空發動機、艦船、核反應堆等領域充當連接的管路系統，并已得到廣泛應用［2－9］。在我國，鈦合金管材的應用研究相對薄弱，在民用飛機和軍用飛機上均還未獲得廣泛應用，而且航空鈦合金管材的研制和加工技術尚未完全成熟，因此開展Ti-2Al-2.5Zr合金管材加工的相關研究具有重要意義。

2 實驗

實驗選擇0級海綿鈦、原子能級海綿鋯和鋁箔為原料，經過2次真空自耗電弧爐熔煉制備成Ti-2Al-2.5Zr合金鑄錠(化學成分見表1)。鑄錠經過鍛造、機械加工后制成擠壓坯，在600 t立式擠壓機上擠壓成管坯，經過兩輥開坯軋制，在三輥軋機上進行冷軋加工，變形量分別為20%、25%、30%、35%，得到外徑為4～6 mm管材。對冷軋管材進行不同溫度的真空退火處理，退火溫度分別為600、650、700、750℃，保溫時間1 h，以充氬氣方式快速冷卻。

表1 Ti-2Al-2.5Zr合金鑄錠化學成分(w/%)Table 1 Chemical compositions of Ti-2Al-2.5Zr alloy ingot

用MPG3立式金相顯微鏡觀察管材的顯微組織。管材室溫拉伸性能在INSTRON5985萬能材料實驗機上按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》測定，管材高溫拉伸性能在INSTRON5982萬能材料實驗機上按照GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》測定。

3 結果與討論

3.1 冷軋加工變形量對管材力學性能的影響

分別在經過20%、25%、30%、35%4種不同變形量冷軋加工后的Ti-2Al-2.5Zr合金管材上取樣進行拉伸試驗，測得的加工變形量與管材力學性能的關系如圖1所示。由圖1可見，當變形量在20%～30%時，隨變形量增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的強度增加比較明顯，但延伸率呈現下降趨勢。這主要是由于金屬在塑性變形時，晶粒發生滑移，出現位錯的纏結，使晶粒拉長、破碎，金屬內部產生殘余應力。當變形量大于30%時，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的強度反而下降，延伸率變化不明顯。

圖1 變形量ε對管材力學性能的影響Fig.1 Effects of ε value on the mechanical properties of the tubes

3.2 軋制Q值對管材力學性能的影響

Q值是管材軋制過程中相對減壁量和相對減徑量的比值。控制Q值能改變管材織構取向，不同的織構取向對材料性能的影響不同。圖2為不同軋制Q值所獲得的Ti-2Al-2.5Zr合金管材的力學性能。由圖2可見，Q值在0.5～1.2區間變化時，隨著Q值的增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材強度降低，塑性升高。這主要是由于在此Q值范圍內，形成的織構以環向織構為主，管材的工藝性能提高［10］。當Q值在1.2～2.0區間變化時，隨著 Q值的增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材強度、塑性均提高。這主要是由于當在此Q值范圍內，形成的織構以徑向織構為主，管材的強度和塑性提高［10］。

圖2 Q值對管材力學性能的影響Fig.2 Effects of Q value on the mechanical properties of the tubes

3.3 退火溫度對管材金相組織及力學性能的影響

3.3.1 退火溫度對管材金相組織的影響

圖3為不同熱處理溫度下管材的金相組織。由圖3可以看出:管材試樣在600℃以上退火后均為等軸組織，但隨著退火溫度的升高，再結晶組織出現了均勻長大。

圖3 經不同溫度熱處理后管材的金相照片Fig.3 Metallographs of Ti-2Al-2.5Zr alloy tubes heat treated under differet temperature

3.3.2 退火溫度對管材力學性能的影響

經過30%變形量軋制的管材試樣分別在600、650、700、750℃熱處理1 h后，以充氬氣的方式快速冷卻。圖4為退火溫度對Ti-2Al-2.5Zr合金管材室溫力學性能的影響曲線。結果表明:隨著熱處理溫度的升高，管材的強度和塑性均呈現下降趨勢，但從700℃開始，管材的抗拉強度變化不明顯。

圖4 退火溫度對管材力學性能的影響Fig.4 Effects of annealing temperature on the mechanical properties of the tubes

屈強比是制定金屬塑性加工工藝的重要依據之一，屈強比大，變形條件差，不易進行壓力加工。圖5為退火溫度對Ti-2Al-2.5Zr合金管材屈強比的影響曲線。結果表明，隨著退火溫度的升高，管材的屈強比減小，這與管材塑性的變化規律正好一致。

圖5 退火溫度對管材屈強比的影響Fig.5 Effect of solution annealing temperature on the yield-tensile ratio of the tubes

4 結論

(1)Ti-2Al-2.5Zr合金管材具有較好的冷加工性能，在冷軋變形量為25%時可獲得較佳的強塑性匹配。

(2)軋制Q值對Ti-2Al-2.5Zr合金管材性能具有重要的影響，當1.2＜Q≤2.0時，可獲得綜合性能優異的管材。

(3)隨著熱處理溫度的升高，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的強度、屈強比和塑性均呈現下降趨勢。

［1］江志強，楊合，詹梅，等．鈦合金管材研制及其在航空領域應用的現狀與前景［J］．塑性工程學報，2009，16(4):44－50．

［2］于振濤，周廉，鄧炬，等．Ti-2Al-2.5Zr合金管、板材織構研究［J］．稀有金屬材料與工程，2000，29(2):86－89．

［3］于振濤，周廉，鄧炬，等．Ti-2Al-2.5Zr合金再結晶特性及動力學機制［J］．稀有金屬材料與工程，1999，28(6):340－344．

［4］佟學文，李勝杰，李勝杰，等．TA16鈦合金熱加工管材工藝研究［J］．金屬學報，2002，38(增刊 1):397－399．

［5］李遠睿，胡躍均，王書珍．Ti-2%Al-2.5%Zr鈦合金的高溫持久強度［J］．重慶大學學報，2007，30(3):56－59．

［6］王航，徐燕靈，孫巧艷，等．Ti-2Al-2.5Zr合金的高溫低周疲勞行為［J］．材料研究學報，2010，24(2):165－168．

［7］魏壽庸，祝瀑，劉峰，等．Ti-2Al-2.5Zr鈦合金簡介［J］．鈦工業進展，1998，15(3):6－8．

［8］張亞峰，于振濤，牛金龍，等．加工及熱處理對Ti5Zr6Mo15Nb鈦合金組織和性能的影響［J］．鈦工業進展，2010，27(4):30－33．

［9］王治國，祖小濤，封向東，等．Ti-2Al-2.5Zr合金N+離子注入表面XPS和XRD分析［J］．中國有色金屬學報，2001，11(2):207－210．

［10］楊英麗，盧亞鋒，郭荻子，等．氧含量及軋制工藝對純鈦管材性能的影響［J］．鈦工業進展，2011，28(5):27－30．

Effects of Cold Rolling and Heat Treatment on Microstructure and Properties of TA16 Titanium Alloy Tubes

Zhang Yafeng，Yu Zhentao，Yu Sen，Huang Fuqiang，He Xinjie，Liu Chunchao，Yuan Sibo
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

The effects of process deformation and Q value on tensile mechanical properties of Ti-2Al-2.5Zr titanium alloy tubes were investigated by changing the process parameters in cold rolling process．And the effects of heat treatment temperature on microstructure and tensile property of the alloy tubes were also studied．The results show that Ti-2Al-2.5Zr titanium alloy tubes have good cold rolling properties，and have excellent tensile strength and plasticity when the process deformation is 25%．When the Q value in the range of 1.2～2.0，both the strength and elongation increase．Besides，the strength and ductility of the tubes shows a downward trend with the increasing of annealing temperature．

Ti-2Al-2.5Zr titanium alloy;tube;cold rolling;heat process;microstructure;mechanical property

2012－03－13

國家863計劃資助項目(2011AA030101);國家科技支撐計劃項目(2012BAI18B021);陜西省“1311 5”科技創新工程重大科技專項(2010ZDKG-96)

張亞峰(1981—)，男，工程師。