退火工藝對冷軋工業(yè)純鈦帶卷各向異性的影響

余世倫，張孝軍，孔 玢，劉正喬，余 偉，蔣孟玲

(1.湖南湘投金天鈦金屬股份有限公司，湖南 長沙 410205；2.北京科技大學(xué) 工程技術(shù)研究院，北京 100083)

各向異性會顯著影響工業(yè)純鈦板帶材的成形性能，如沖壓、拉深等。研究表明，降低工業(yè)純鈦的各向異性可提高其沖壓性能，因此，鈦及鈦合金各向異性調(diào)控成為該領(lǐng)域重點研究課題之一。大量有關(guān)鈦材各向異性研究的文獻(xiàn)將研究重點聚焦于成分調(diào)節(jié)[9]、交叉軋制[10]等方法上，盡管這些方法可一定程度上改善，甚至消除鈦材的各向異性，但其對實際的工業(yè)化生產(chǎn)的借鑒意義有限。例如，對于特定牌號的鈦及鈦合金產(chǎn)品需求，其成分無調(diào)整空間；交叉軋制僅適用于單張板軋制，無法用于連續(xù)高效的帶卷軋制[11]。退火工藝對金屬材料的再結(jié)晶行為有顯著影響，而再結(jié)晶行為的差異亦可影響材料退火后的織構(gòu)特征[12]。因此，調(diào)整冷軋后鈦帶卷的退火工藝也有望實現(xiàn)對其各向異性的調(diào)控。基于此，本文旨在研究退火工藝對冷軋工業(yè)純鈦帶卷力學(xué)性能各向異性影響的規(guī)律，分析其微觀層面的作用機(jī)理，為工業(yè)純鈦帶卷各向異性調(diào)控提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

試驗所用材料取自0.6 mm厚、1250 mm寬的冷軋態(tài)TA1鈦帶卷，該帶卷由1.8 mm厚的完全退火態(tài)母卷經(jīng)8道次室溫往復(fù)軋制所得，冷軋變形量為67%，其實測化學(xué)成分如表1所示。

表1 所用TA1鈦帶卷的實測化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

退火試驗在馬弗爐中進(jìn)行，對所研究鈦材分別進(jìn)行了610 ℃和700 ℃不同時間(10～60 min)退火以及30 min和60 min不同溫度(580～700 ℃)退火，達(dá)到預(yù)設(shè)退火時間后，試樣出爐空冷至室溫。室溫拉伸試驗在AG-X plus萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，測試方法遵循GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，拉伸試樣標(biāo)距寬度12.5 mm、長度50 mm。采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)表征試樣的顯微組織及織構(gòu)，EBSD表征所用試樣采用機(jī)械拋光+電解拋光方式制備，電解拋光所用電解液(體積分?jǐn)?shù))為20%高氯酸+80%甲醇的混和溶液，電壓為30 V，溫度為-30 ℃；EBSD表征在JSM-7900F型掃描電鏡上進(jìn)行，采用Channel 5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能及各向異性

表2和表3為冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后的拉伸力學(xué)性能，表中以鈦帶縱橫向屈服強(qiáng)度差值ΔRp0.2及伸長率差值ΔA50表示其力學(xué)性能各向異性的顯著程度。結(jié)果表明，退火溫度固定時，隨退火時間的延長，TA1鈦帶強(qiáng)度逐漸降低，退火超過一定時間后(610 ℃時約50 min，700 ℃時約30 min)，其強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；此外，隨退火時間延長，TA1鈦帶縱向伸長率緩慢上升，而橫向伸長率在退火時間達(dá)到10 min后即基本保持穩(wěn)定(見表2)。退火時間固定時，隨退火溫度升高，TA1鈦帶的力學(xué)性能呈現(xiàn)出類似趨勢，即強(qiáng)度逐漸降低，且縱向屈服強(qiáng)度降低程度大于橫向；同時，其縱向伸長率緩慢升高，而橫向伸長率在35%左右波動(見表3)。

表2 經(jīng)610 ℃及700 ℃不同時間退火后TA1鈦帶的力學(xué)性能及各向異性

表3 經(jīng)30 min及60 min不同溫度退火后TA1鈦帶的力學(xué)性能及各向異性

為清晰呈現(xiàn)退火工藝對冷軋TA1鈦帶力學(xué)性能各向異性的影響規(guī)律，將其縱橫向屈服強(qiáng)度差值ΔRp0.2及伸長率差值ΔA50與退火工藝的關(guān)系示于圖1。由圖1(a)可知，固定退火溫度，隨退火時間延長，TA1鈦帶縱橫向屈服強(qiáng)度差值ΔRp0.2逐漸增大，即其各向異性逐漸加劇；退火超過一定時間后，ΔRp0.2趨于穩(wěn)定，700 ℃退火時，約30 min后ΔRp0.2達(dá)到穩(wěn)定階段，610 ℃退火時，約40 min后達(dá)到穩(wěn)定階段，即退火溫度越高，TA1鈦帶的ΔRp0.2越快達(dá)到穩(wěn)定階段，且其對應(yīng)的ΔRp0.2穩(wěn)定值越大(700 ℃時ΔRp0.2穩(wěn)定值為82 MPa，610 ℃時ΔRp0.2穩(wěn)定值為58 MPa)。同時，如圖1(c)所示，延長退火時間，冷軋TA1鈦帶縱橫向伸長率差值ΔA50逐漸增大，700 ℃退火后的ΔA50整體處于較高水平，且其增大速度小于610 ℃退火時，ΔA50的增大速度，說明在較高溫度退火時，冷軋TA1鈦帶的各向異性程度在較短時間內(nèi)即可接近其穩(wěn)定階段，然后緩慢升高。圖1(b，d)顯示，退火時間固定時，在所研究范圍內(nèi)，退火溫度越高，TA1鈦帶的ΔRp0.2和ΔA50越大，即各向異性越顯著。上述結(jié)果表明，冷軋TA1鈦帶卷退火越充分，即退火溫度越高或/和退火時間越長，其各向異性越顯著。

圖1 冷軋TA1鈦帶各向異性與退火工藝的關(guān)系

2.2 組織演變

圖2為冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后的IPF(Inverse pole figure)圖。無論是610 ℃×10 min低溫短時退火還是700 ℃×30 min高溫長時退火，其IPF圖中各晶粒內(nèi)部均顏色一致、無襯度變化，表明冷軋TA1鈦帶經(jīng)上述工藝退火后晶體畸變得以消除，發(fā)生了完全再結(jié)晶。

圖2 冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后的IPF圖

圖3統(tǒng)計了冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后的晶粒尺寸分布及平均值。在610 ℃退火時，隨退火時間從10 min延長至30 min，鈦帶平均晶粒尺寸從7.4 μm增大到15.2 μm，晶粒長大幅度達(dá)105.4%，繼續(xù)延長退火時間至60 min，晶粒長大至19.4 μm，長大幅度下降至27.6%。固定退火時間為30 min，將退火溫度提高至700 ℃時，鈦帶平均晶粒尺寸從15.2 μm長大至43.5 μm，長大幅度達(dá)186.2%。上述對比表明，相較于退火時間，冷軋TA1鈦帶的晶粒尺寸對退火溫度更為敏感。晶粒長大是冷軋TA1鈦帶退火后強(qiáng)度下降的主要原因，圖4所示結(jié)果表明，鈦帶經(jīng)不同工藝退火后的屈服強(qiáng)度與其平均晶粒尺寸之間遵循Hall-Petch關(guān)系，H-P系數(shù)為544 MPa·μm1/2[13-14]。

圖3 冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后的晶粒尺寸分布圖

圖4 退火態(tài)TA1鈦帶縱向屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系

2.3 織構(gòu)演變

織構(gòu)是導(dǎo)致材料力學(xué)性能出現(xiàn)各向異性的主要原因。為深入理解不同工藝退火后冷軋TA1鈦帶各向異性的變化規(guī)律，對其織構(gòu)演變進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖5所示。經(jīng)不同工藝退火后，冷軋TA1鈦帶均呈現(xiàn)棱錐織構(gòu)，即{0001}基面的最大極密度點從ND向TD偏離30°～40°。整體而言，經(jīng)4種工藝退火后的TA1鈦帶均呈現(xiàn)棱錐織構(gòu)，但其存在如下差異：①延長退火時間或/和升高退火溫度，棱錐織構(gòu)強(qiáng)度逐漸增大；②延長退火時間或/和升高退火溫度，{0001}基面極點的發(fā)散程度逐漸減小，最大極密度點逐漸向35°-TD(即從ND向TD偏轉(zhuǎn)35°所指方向)處匯聚，{0001}∥ND的基面織構(gòu)組分逐漸減少。

圖5 冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后的極圖

棱錐織構(gòu)屬于非對稱織構(gòu)，會使鈦板帶呈現(xiàn)明顯的力學(xué)性能各向異性，具體表現(xiàn)為RD方向的屈服強(qiáng)度低于TD方向，而伸長率高于TD；基面織構(gòu)屬于對稱織構(gòu)，具有基面織構(gòu)的鈦板帶會呈現(xiàn)力學(xué)性能各向同性[15-16]。因此，延長退火時間或/和升高退火溫度導(dǎo)致的棱錐織構(gòu)增強(qiáng)和基面織構(gòu)減弱會使TA1鈦帶的力學(xué)性能各向異性逐漸加劇。

圖6 冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后沿RD和TD拉伸時柱面滑移的施密特因子分布

圖7 冷軋TA1鈦帶經(jīng)不同工藝退火后ΔRp0.2與柱面滑移ΔSF的對應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)論

1)冷軋TA1鈦帶卷經(jīng)不同工藝退火后呈現(xiàn)出不同程度的各向異性。延長退火時間或/和升高退火溫度，鈦帶各向異性加劇；同一溫度下，退火超過一定時間后，鈦帶各向異性趨于穩(wěn)定，且退火溫度越高，對應(yīng)的鈦帶縱橫向屈服強(qiáng)度差值的穩(wěn)定值越高。

2)隨退火時間延長或/和退火溫度升高，冷軋TA1鈦帶晶粒尺寸逐漸增大，屈服強(qiáng)度逐漸降低，平均晶粒尺寸與屈服強(qiáng)度之間符合Hall-Petch關(guān)系，H-P系數(shù)為544 MPa·μm1/2。

3)退火導(dǎo)致TA1鈦帶呈現(xiàn)棱錐織構(gòu)，{0001}基面的最大極密度點從ND向TD偏離30°～40°。退火越充分，棱錐織構(gòu)強(qiáng)度越高，室溫拉伸時縱橫向柱面 滑移的施密特因子的差值越大，TA1鈦帶卷各向異性越顯著。