軋制工藝對 TA15 鈦合金板微觀組織及拉伸力學性能的影響

摘要：

對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，力學性能更加優異、力學性能縱橫向差異小、綜合性能更好、室溫屈服強度更高，呈現出“橫向大于縱向、熱軋大于冷軋”的對比特征。熱軋工藝可弱化織構的方向，使成品鈦合金板呈現出“強度高、屈強比大、縱橫差小”的拉伸力學性能特性。

關鍵詞：熱軋；冷軋；顯微組織；拉伸性能；屈強比

中圖分類號：TG 146 " " " " " "文獻標志碼：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度高、耐蝕性好、生物相容性優越等性能特征，享有“戰略金屬、海洋金屬、生物金屬”等美譽。通過拉伸、擠壓、沖壓、鍛造、軋制等傳統加工方式，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品。材料使用環境逐漸趨于復雜化和多元化，對相應材料的加工方式和組織、性能要求也變得越來越苛刻，由此衍生出各種更加高效的加工方式（諸如連鑄?連軋、半固態加工、噴射成形、包套軋制等）以期能夠縮短生產周期、提高效率。

近年來，鈦及鈦合金板材，特別是TC4、TA15、TA3G等在航空、航天、航海、生物醫學等方面的應用比重驟增^[1-2]，因此，國內外學者先后針對所有可能影響板材軋制工藝的因素進行了深入研究。韓盈等^[3]對比研究TC4鈦合金板材換向及不換向軋制時對組織、織構及性能的影響。發現換向軋制的板材組織更為細密、性能更為優越，板材各向異性小；周博維等^[4]通過優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；考慮軋制溫度對板材組織及性能會產生影響，進而研究不同軋制溫區對應的軋制工藝^[5-6]。

TA15鈦合金板通常采用冷軋工藝進行生產，由于鈦合金板冷加工變形抗力大、冷作硬化快，導致冷軋生產工序多、工藝繁瑣、生產周期較長。包套軋制工藝不僅能同時完成多片板材的成品軋制，而且還能有效保證生產條件的一致性（包括加熱溫度、變形量、壓下分配等），這些優勢可以顯著縮短生產周期，并保證板材批次間的穩定性（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、變形量等）對板材組織及性能的影響^[7-9]，但鮮有關于同時對冷軋和包套軋制（以下簡稱“熱軋”）兩種工藝制備的合金板的組織及性能的對比探討和分析。本次研究嚴格保證板坯的化學成分及規格一致，整個生產過程中只有“熱軋”和“冷軋”兩個變量，從而通過控制變量法完成對這兩種生產工藝的合金板的組織及性能的對比研究^[10-11]。

1 " "實驗工藝

實驗以TA15鈦合金板作為研究對象，為保證板材軋制前鑄錠成分的一致性，擬選用兩個TA15鈦合金鑄錠（記為1#鑄錠、2#鑄錠），成分見表1。每個鑄錠選取兩塊板坯，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），具體工藝路線見表2。對比工藝A及工藝B發現：兩種工藝的差異性僅體現在“半成品熱軋之后”至“成品退火之前”的過程中，其余工藝設計及相應參數一致。

四塊TA15鈦合金板坯在1 200 mm四輥可逆式熱軋機上完成半成品軋制后，經表面處理合格的分別進行成品熱軋或冷軋，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圖1。

2 " "實驗結果

2.1 " "不同軋制工藝的顯微組織特征

分別在編號為1#-A、1#-B、2#-A、2#-B的成品板材上取縱、橫向樣品進行顯微組織分析，如圖2所示。對比發現：（1）兩種軋制工藝對應的縱、橫向樣品的顯微組織均為α+β兩相區加工組織，無完整的原始β晶界。兩者對應的縱、橫向顯微組織的初生α相含量相近，體積分數基本分布在65%～70%；（2）兩種軋制工藝對應的橫向樣品的晶粒度（14.5級）及晶粒尺寸（2.2 μm）均明顯優于縱向樣品的晶粒度（14.0級）及晶粒尺寸（2.8 μm），說明成品板材對應的晶粒度及平均晶粒尺寸僅與縱、橫方向有關，而與軋制工藝無明顯關聯性；（3）熱軋工藝及冷軋工藝對應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，詳見表3。說明維氏硬度也與軋制方向有關，而與軋制工藝無明顯關聯性。

2.2"不同軋制工藝的拉伸性能特征

對于軋制板材的3個不同主方向，一般是壓延方向強度最高，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象，縱向拉伸檢測結果僅列舉3組，詳見表4。根據檢測結果，分別繪制了兩種軋制工藝對應的室溫、高溫拉伸力學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對應4種編號的分界線：界限以左為1#鑄錠對應的1#-A和1#-B；界限以右為2#鑄錠對應的2#-A和2#-B。

不同軋制工藝橫向拉伸樣品的力學性能

（1）室溫拉伸抗拉強度。1）熱軋料的橫向抗拉強度整體高于冷軋料的，且受批次（1#-A與2#-A）的影響極小；2）冷軋料的橫向抗拉強度分布不穩定，受批次（B1#與B2#）的影響較大；3）熱軋料對應縱、橫向室溫抗拉強度差較小，而冷軋料對應的縱、橫向室溫抗拉強度差較大。

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

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

（4）高溫拉伸抗拉強度。1）熱軋料的橫向抗拉強度整體高于冷軋料的，受批次（1#-A與2#-A）變化的影響較小；2）冷軋料的橫向抗拉強度整體分布較穩定，同樣受批次性（B1#與B2#）的影響較小；3）熱軋料的縱向抗拉強度低于橫向的，而冷軋料的橫向抗拉強度低于縱向的。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、橫向顯微組織及結構特征幾乎一致，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。基于此，實驗對造成鈦合金板顯微組織及拉伸力學性能產生縱、橫向差異的原因進行深入探究。

3.1"不同軋制工藝對顯微組織差異性的影響

板材受軋制加工方式的影響，導致其內部組織沿壓延軋制方向被拉長，進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數相近（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，對應晶粒越細小^[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。主要是因為前者屬于熱加工工藝，軋制完成后因為鋼盒的存在而導致鈦板散熱慢，晶粒會出現一定程度的長大；（2） TA15鈦合金的再結晶開始溫度大致為800 ℃，再結晶終了溫度大致為950 ℃。本研究中的兩種軋制工藝對應的退火制度均為830 ℃/50 min空冷，屬于不完全再結晶退火，退火過程中僅有極少數的晶粒發生再結晶。所以導致兩種軋制工藝制備的樣品經過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）。樣品的強度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也就越高^[15]。參照圖3發現：熱軋工藝制備的樣品的縱、橫向抗拉強度接近，而冷軋工藝制備的樣品的縱向抗拉強度明顯高于橫向的。再結合強度與硬度的關系，推測冷軋工藝制備的樣品的縱向強度高于橫向的，可能導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的強度變化規律，可能是受熱軋工藝的影響導致更微觀界面的差異所引起（諸如織構的分布等）。

3.2"不同軋制工藝對拉伸性能差異性的影響

相較于冷軋工藝，熱軋工藝對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性能。這是因為冷軋會產生方向性較為明確的織構，而熱軋則會弱化織構的方向性，進而減小板材的縱、橫向組織及性能的差異，獲得優異的綜合性能^[16]。

鈦合金具有較高的屈強比，在板材中尤為明顯。實驗分別計算和對比了兩種軋制工藝制備的板材沿縱、橫向的屈強比，發現：兩者對應的縱向屈強比基本分布在0.90～0.93，而橫向屈強比則分布在0.97～0.99；熱軋工藝制備的樣品對應的橫向屈強比最高（0.98～0.99），冷軋工藝制備的樣品對應的橫向屈強比居第二（0.97～0.98），熱軋工藝制備的樣品對應的縱向屈強比次之（0.92～0.93），冷軋工藝制備的樣品對應的縱向屈強比最小（0.90～0.92）。熱軋工藝制備的樣品對應的縱、橫向屈強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，更不易發生塑性變形。

4"結 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數為65%～70%、晶粒度等級為14.0～14.5、晶粒尺寸為2.2～2.8 μm、維氏硬度為312～356的兩相區加工組織。這兩種工藝對應的組織特征相似。

（2） 在伸長率變化不大的前提下，熱軋工藝對應的樣品的強度明顯優于冷軋工藝的，且縱、橫向強度差異較小，受批次影響較弱。

（3） 熱軋工藝會弱化織構的方向性，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） 兩種軋制工藝對應的縱、橫向樣品的屈強比存在一定排布規律。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）