退火工藝對(duì)板式換熱器用冷軋TA1鈦卷組織與性能的影響

張孝軍*，向午淵，孔 玢，劉正喬，陳 兵，韓 聰，蔣孟玲

（1.湖南湘投金天鈦金屬股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2.湖南湘投金天科技集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

工業(yè)純鈦耐蝕性能突出，同時(shí)具有良好力學(xué)性能和焊接性能，可作為重要的耐蝕結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于化工設(shè)備、濱海發(fā)電裝備、海水淡化裝置和艦艇零部件等，是我國(guó)近年來(lái)強(qiáng)力推薦發(fā)展的鈦材之一[1]。純鈦具有一定的深沖性能和優(yōu)異的耐腐蝕性能，越來(lái)越多的被應(yīng)用在板式換熱器中，全球市場(chǎng)需求量日益增長(zhǎng)。由于我國(guó)對(duì)鈦卷產(chǎn)品的開發(fā)起步較晚，每年仍需大量進(jìn)口鈦卷和鈦加工產(chǎn)品[2]。隨著近幾年國(guó)內(nèi)鈦卷冷軋生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)生產(chǎn)的板式換熱器用鈦卷開始在國(guó)際市場(chǎng)中占有一席之地[3]。鈦卷冷軋后需要通過(guò)熱處理消除內(nèi)部應(yīng)力，得到均勻組織，改善鈦卷性能，熱處理是工業(yè)控制和改變金屬材料組織、結(jié)構(gòu)和性能的重要手段[4，5]。文獻(xiàn)中一般對(duì)純鈦板的熱處理工藝進(jìn)行了研究，但對(duì)鈦卷的退火工藝研究報(bào)道的較少。本文從鈦卷上取樣開展退火工藝試驗(yàn)，研究退火制度對(duì)板式換熱器用TA1鈦卷的組織和性能的影響，為板式換熱器用鈦卷在工業(yè)化生產(chǎn)中的退火工藝提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的2.8mm厚度熱軋鈦卷作為冷軋?jiān)希葘?duì)熱軋鈦卷進(jìn)行連續(xù)退火和表面處理，然后再采用二十輥冷軋機(jī)將鈦卷軋制到0.5mm的成品厚度。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

從0.5mm厚度的冷軋鈦卷一端截取試樣加工成若干個(gè)室溫拉伸標(biāo)準(zhǔn)樣，冷軋鈦卷化學(xué)成分見表1。

表1 冷軋TA1鈦卷的化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）

將試樣用銅箔保護(hù)，然后采用箱式電阻爐對(duì)試樣進(jìn)行加熱，樣品隨爐升溫至設(shè)定溫度（580℃、610℃、640℃、670℃、700℃），保溫一定時(shí)間（15min、25min、35min、45min、55min）后出爐空冷。采用AG-X拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣橫向和縱向力學(xué)性能，試樣標(biāo)距為50mm。然后制備金相試樣，金相試樣采用600#、800#、1000#、1200#砂紙打磨拋光后，再用HF+HNO3+H2O的混合溶液進(jìn)行腐蝕，然后在Axiovert40MAT金相顯微鏡上觀察顯微組織。

圖1 不同溫度退火后試樣的顯微組織（0.5mm）（a）580℃ ；（b）610℃ ；（c）640℃ ；（d）670℃ ；（e）700℃

2 結(jié)果與分析

2.1 退火工藝與顯微組織的關(guān)系

0.5 mm厚度試樣經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織如圖1所示，保溫時(shí)間均為35min。從圖1可以看出，試樣在580℃退火后已發(fā)生完全再結(jié)晶，只是晶粒比較細(xì)小，尺寸約10μm；當(dāng)退火溫度升高至610℃時(shí)，晶粒尺寸變大，約20μm；當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高至640℃時(shí)，晶粒發(fā)生明顯長(zhǎng)大；隨著溫度升高，晶粒持續(xù)長(zhǎng)大，當(dāng)退火溫度為700℃時(shí)，晶粒形態(tài)沒(méi)有明顯變化，晶粒尺寸相比670℃退火后有輕微長(zhǎng)大，尺寸約56.6μm。

0.5 mm厚度試樣在580℃退火不同時(shí)間后的顯微組織如圖2所示。從圖2可以看出，隨著退火時(shí)間的增加，晶粒尺寸沒(méi)有明顯變化。

圖3為0.5mm試樣在700℃退火保溫不同時(shí)間的顯微組織。從圖3可以看出，隨著退火保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒逐漸長(zhǎng)大并等軸化，當(dāng)保溫35min時(shí)，晶粒完成了等軸化，隨著保溫時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，晶粒尺寸基本沒(méi)有變化。

退火前，0.5mm試樣經(jīng)過(guò)了冷軋變形，試樣內(nèi)部產(chǎn)生了較多的點(diǎn)缺陷以及位錯(cuò)，而且還留存了較多的殘余應(yīng)力，試樣內(nèi)部畸變能較高。退火過(guò)程中，畸變能為試樣發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶提供了驅(qū)動(dòng)力，試樣內(nèi)部因冷加工殘留的各種缺陷隨溫度升高逐漸消失[6]，再結(jié)晶晶粒逐漸長(zhǎng)大并粗化，最后趨于穩(wěn)定。

鈦材晶粒尺寸對(duì)深沖性能有一定影響，當(dāng)晶粒尺寸較小時(shí)，晶界之間界面強(qiáng)度較高，在沖壓過(guò)程中，鈦材因界面強(qiáng)度高容易開裂。當(dāng)晶粒尺寸較大時(shí)，鈦材沖壓后表面容易形成橘皮紋而影響后續(xù)使用。所以在實(shí)際生產(chǎn)中，要嚴(yán)格控制好鈦卷晶粒尺寸，保證鈦卷深沖性能處于穩(wěn)定范圍內(nèi)。

2.2 退火工藝與性能的關(guān)系

圖4為試樣在580℃～700℃退火保溫35min后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。從圖4可知，隨著退火溫度增加，試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，縱向延伸率呈增加趨勢(shì)，670℃時(shí)縱向延伸率增幅開始下降，在700℃時(shí)縱向延伸率達(dá)到峰值47%；橫向延伸率波動(dòng)范圍比較小，整體呈輕微上升趨勢(shì)。從圖4還可看出，試樣在670℃～700℃退火時(shí)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后延伸率變化較小，力學(xué)性能逐漸趨于穩(wěn)定。但值得注意的是，由于鈦卷在較高溫度進(jìn)行真空退火時(shí)，鈦卷層間容易發(fā)生粘接[7]，所以為了實(shí)現(xiàn)鈦卷較好的深沖性能，在對(duì)鈦卷進(jìn)行較高溫度成品退火時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┛刂普辰訂?wèn)題。

隨著退火溫度升高，試樣冷軋變形時(shí)產(chǎn)生的位錯(cuò)發(fā)生攀移，逐漸形成大角度晶界并在該處產(chǎn)生細(xì)小晶核[8]。當(dāng)試樣在640℃溫度退火后，這些細(xì)小的晶核以“吞食”周圍基體的形式逐漸長(zhǎng)大并等軸化；同時(shí)試樣內(nèi)部位錯(cuò)密度和因軋制殘留的各種缺陷隨著溫度退火的升高逐漸降低。當(dāng)退火溫度達(dá)到670℃時(shí)，試樣的再結(jié)晶軟化作用的增長(zhǎng)率開始逐漸減小，試樣的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定。由于試樣在冷軋過(guò)程中橫向方向幾乎沒(méi)有發(fā)生變形，退火后在橫向方向產(chǎn)生了再結(jié)晶織構(gòu)，當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高后，冷軋織構(gòu)開始全部轉(zhuǎn)變?yōu)樵俳Y(jié)晶織構(gòu)，所以橫向延伸率呈輕微上升趨勢(shì)[9]。

圖5 為試樣在700℃保溫不同時(shí)間后的力學(xué)性能圖。從圖5可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，縱向延伸率先增加后降低，當(dāng)保溫45min，試樣縱向延伸率最高。當(dāng)保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)，晶粒長(zhǎng)大的速度加劇，粗大的晶粒內(nèi)部大量位錯(cuò)塞積到晶界處，從而因局部應(yīng)力過(guò)大造成晶界開裂，最終導(dǎo)致延伸率開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。試樣橫向延伸率總體變化較小。抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍很小。

圖5 不同退火時(shí)間對(duì)試樣力學(xué)性能的影響

3 結(jié)論

（1）從0.5mm厚度TA1鈦卷上取樣進(jìn)行了退火工藝試驗(yàn)，當(dāng)退火溫度在580℃～700℃時(shí)保溫35min，580℃已發(fā)生完全再結(jié)晶，640℃時(shí)晶粒發(fā)生明顯長(zhǎng)大，700℃時(shí)晶粒尺寸達(dá)到56.6μm。試樣在700℃進(jìn)行保溫時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒逐漸長(zhǎng)大并等軸化，當(dāng)保溫35min時(shí)，晶粒完成了等軸化。

（2）隨著退火溫度的升高，0.5mm厚度的TA1試樣縱向延伸率逐漸升高，在700℃時(shí)縱向延伸率達(dá)到峰值47%；橫向延伸率波動(dòng)范圍比較小，整體呈輕微上升趨勢(shì)。試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。

（3）綜合組織與性能，0.5mm厚度TA1鈦卷退火溫度宜控制在670℃～700℃左右。