冷軋過程中Q值對Gr.9鈦合金管材組織及力學性能的影響

楊碧蕓，雷 楊，陳 肖，趙文婷

（西部鈦業有限責任公司，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]，具有抗裂紋擴展能力好、比強度高、密度小、疲勞強度好的優勢，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，因此被廣泛的應用于航空領域[1，2]。Gr.9鈦合金常用于加工管材、箔材、帶材等，可用于飛機蜂窩制作等方面。

隨著我國航空航天工業的快速發展，對性能更加優越的Gr.9鈦合金的需求量逐漸增多，但是Gr.9鈦合金管材在生產過程中仍然存在較多的技術難題，無法滿足現階段航空工業對Gr.9鈦合金管材質量的基本要求[3]。基于此，本文以Gr.9鈦合金管材為研究對象，分析冷軋過程中Q值（相對減壁量與相對減徑量的比值）對Gr.9鈦合金管材組織及力學性能的影響。

1 試驗材料及過程

本次試驗所采用的試驗材料包括φ600mm的Gr.9鈦合金、AlV55中間合金、0級海綿鈦。

試驗開始前將Gr.9鈦合金鍛造成棒材后鉆孔，經過熱擠壓、酸洗等處理制作成φ55mm×9mm的管坯；再將φ55mm×9mm的管坯經過軋制、內外表面處理、退火處理等制作成φ16.4mm×2mm的中間管坯，以此作為試驗原材料進行不同Q值的試驗。試驗過程中采用以下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Q值為3.14。對上述5種不同的軋制方案進行700℃×60min真空熱退火處理，分析不同Q值對Gr.9鈦合金管材組織及力學性能的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 冷軋過程中不同Q值對管材組織的影響

通過5種不同管材的冷軋試驗表明，在不同的Q值（相對減壁量與相對減徑量的比值）條件下，Gr.9鈦合金管材的顯微組織均發生明顯的變形，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相呈點狀分布在α相中[2]。

當Gr.9鈦合金管材壁厚變形量相對徑向變形量較小是，即Q值較小時，Gr.9鈦合金管材的顯微組織變形量較小，α晶粒雖然有拉長現象，但是拉長變形程度不均勻；當Q值從0.75逐漸增大時，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更加強烈，導致，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變；當Q值持續增大時，Q值為3.14時變形量與Q值為2.24時的變形量基本一致，但是α晶粒的變形量持續增大，主要與Gr.9鈦合金管材壁厚變形量持續增加有關。從上述實驗結果可以得出，Gr.9鈦合金管材在冷軋過程中的變形量不能完全反應鈦合金中金屬流動特征以及晶粒變形規律，還與Q值具有較為密切的關系，總體上具有“Q值越大，金屬流動性越強烈，晶粒變形拉長程度越明顯，晶粒纖維化和取向趨勢越明顯”的變化規律。

2.2 冷軋過程中不同Q值對管材力學性能的影響

管材的拉伸性能是反映管材力學性能的一個重要方面，對綜合評估Gr.9鈦合金管材的整體力學性能至關重要。因此，本文進行了不同Q值條件對Gr.9鈦合金管材拉伸性能的影響。根據不同Q值條件下冷軋試驗結果顯示，不同的Q值對Gr.9鈦合金管材的拉伸性能影響極為明顯。當Q值小于1.12時，Gr.9鈦合金管材的拉伸強度隨著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鈦合金管材產生了一定程度的加工硬化。當Q值介于1.12和2.24之間時，Gr.9鈦合金管材的拉伸強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度卻隨Q值增大而降低；當Q值為2.24時，Gr.9鈦合金管材的延伸率和拉伸強度最大，此時屈服強度最小，Gr.9鈦合金管材的強度、塑性匹配最好。當Q值從2.24持續增加至3.14時，管材的拉升強度明顯較低，拉伸延伸率幅度也明顯下降，此時Gr.9鈦合金管材的拉伸性能明顯惡化。從實驗結果可以得出，在同樣的中間管坯（φ16.4mm×2mm）條件下，Q值對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律，在Q值為1.86和2.62左右時管材的延伸率均較高，因此綜合認為Q值為1.86～2.62時Gr.9鈦合金管材冷軋效果較好。

3 結語

綜上所述，Gr.9鈦合金管材具有抗裂紋擴展能力好、比強度高、密度小、疲勞強度好、冷成形性能和焊接能力更優的優勢逐漸應用于航空領域，促進了我國航空工業的快速發展。針對我國Gr.9鈦合金管材總體性能無法滿足航空工業需求的基本現狀，本文以不同Q值條件進行了Gr.9鈦合金管材的冷軋試驗，進而總結了Q值對Gr.9鈦合金管材顯微組織和力學性能的影響，為進一步改進Gr.9鈦合金管材冷軋工藝提供參考。