TA6鈦合金板材換向軋制工藝研究

黃先明，王瑞琴，謝文龍，朱曉翠，張嫦娟，李 輝

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

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TA6鈦合金板材換向軋制工藝研究

黃先明，王瑞琴，謝文龍，朱曉翠，張嫦娟，李 輝

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

通過設(shè)計兩種換向軋制工藝，采用2 800 mm四輥可逆熱軋機成功制備了滿足GJB 2505A—2008標準要求的3.5 mm厚TA6鈦合金薄板，并研究了軋制工藝對TA6鈦合金板材顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：采用這兩種不同軋制工藝軋制TA6鈦合金板材，當總變形量為72%時，板材內(nèi)部均為混亂的魏氏組織，且組織均勻性差，縱橫向抗拉強度差值大于50 MPa；隨著變形量增大，組織不斷細化，強度不斷提高，當變形量達到89%以上時，與B工藝相比，采用A工藝得到的板材組織均勻性更好，且縱橫向抗拉強度差值小于20 MPa。采用A工藝制備的TA6鈦合金板材退火后為細小均勻的再結(jié)晶組織，且力學(xué)性能滿足GJB 2505A—2008標準要求。

TA6鈦合金；板材；軋制變形率；顯微組織；力學(xué)性能

0 引 言

TA6鈦合金是一種α型鈦合金，名義成分為Ti-5Al，該合金具有良好的焊接性、耐蝕性，有較高的蠕變強度，可熱狀態(tài)下變形，當承受軸向負荷時，對切口沒有敏感性，切削性能尚好，可用于加工成在400 ℃以下工作的零件及焊接件[1-2]。雖然TA6鈦合金具有上述優(yōu)點，但工藝可塑性較低。在工業(yè)生產(chǎn)中，具體表現(xiàn)為加工塑性差，即加工過程中易開裂，且熱加工窗口狹窄，對加工溫度特別敏感，加工難度大。目前，國內(nèi)外只有寶鈦集團有限公司、俄羅斯上薩爾達冶金生產(chǎn)聯(lián)合公司等少數(shù)廠家可生產(chǎn)該合金板材，但是未見相關(guān)生產(chǎn)工藝的報道。本研究采用兩種換向軋制工藝制備TA6鈦合金板材，研究軋制工藝對合金板材組織和性能的影響規(guī)律，探索滿足GJB 2505A—2008《航空用鈦及鈦合金板材和帶材規(guī)范》要求的TA6鈦合金板材的加工工藝，旨在為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱西部鈦業(yè))批量生產(chǎn)TA6鈦合金板材提供工藝指導(dǎo)。

1 實 驗

實驗材料為質(zhì)量3 t的φ640 mm TA6鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分見表1。

表1 TA6鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

經(jīng)2 500 t快鍛機開坯拔長鍛造成規(guī)格為180 mm×1 000 mm×3 700 mm(厚度×寬度×長度)的板坯，沿長度方向一分為三，每塊板坯長度為1 200 mm。鍛造板坯的顯微組織如圖1所示。

圖1 TA6鈦合金鍛造板坯的顯微組織Fig.1 Microstructures of TA6 titanium alloy forging slab

由圖1可見，晶粒沿板坯長度方向明顯拉長。參考西部鈦業(yè)其它難變形α型鈦合金的軋制工藝，先用輥底式電加熱爐將板坯加熱，加熱溫度為1 080～1 100 ℃，然后在2 800 mm四輥可逆熱軋機上進行四火次軋制，累積變形量分別為72%、89%、95%及98%，具體軋制工藝如下。

2 結(jié)果與討論

2.1 軋制變形對顯微組織的影響

兩種軋制工藝下，每火次軋制后TA6鈦合金板材的顯微組織如圖2所示。

圖2 TA6鈦合金板材加工態(tài)的顯微組織Fig.2 Microstructures of TA6 titanium alloy sheets under hot working state

由圖2可以看出，隨著總變形量的增加，板材組織發(fā)生了顯著變化，且組織隨變形量的變化規(guī)律與其它α鈦合金相似[3-6]。變形量為72%的板材保留了大量的鍛態(tài)組織，主要為粗大混亂的魏氏組織；當變形量增大至89%時，板材組織已明顯細化，晶粒取向性變得明顯，呈現(xiàn)典型的纖維組織形貌；當變形量為95%時，板材粗大的組織被進一步破碎，晶粒非常細小，分辨不出明顯的晶界；當變形量為98%時，α晶粒愈加被拉長或破碎成鏈狀排列，組織破碎最為充分，晶粒最細小。由圖2f、h還可以看出，采用B工藝得到的變形量為89%的板材內(nèi)部組織仍然不均勻，存在殘留的長條組織，且組織遺傳性較強，當變形量達到98%時，局部組織不均勻的現(xiàn)象仍然存在。而采用A工藝時，當變形量達到89%以上，得到的TA6鈦合金板材的組織細小且均勻。

2.2 軋制變形對力學(xué)性能的影響

TA6鈦合金板坯經(jīng)一火次軋制后，得到的板材的室溫力學(xué)性能如表2所示。從表2可以看出，兩種工藝條件下得到的板材的縱橫向性能差異均較大，抗拉強度相差達到50MPa以上，結(jié)合板材的組織形貌可知，由于火次變形量較小，板坯的魏氏組織未得到充分破碎，組織均勻性差，因此造成縱橫向的力學(xué)性能差異大。同A工藝相比，B工藝一火次軋制沒有換向，加工硬化更為明顯，故板材的強度比A工藝得到的板材的強度高。

表2 一火次軋制后TA6鈦合金板材加工態(tài)的室溫力學(xué)性能

板材經(jīng)過二火次軋制后，厚度為20mm，總變形量達到89%，室溫力學(xué)性能如表3所示。二火次兩種工藝下的板材均經(jīng)過了換向軋制，強度和延伸率明顯提高，縱橫向抗拉強度全部穩(wěn)定達到830MPa以上，并且差值小于20MPa，變形均勻性得到明顯改善。對照板材的微觀組織也能明顯看出，魏氏組織已經(jīng)完全消失，組織較一火次軋制后均相對均勻。

表3 二火次軋制后TA6鈦合金板材加工態(tài)的室溫力學(xué)性能

板材經(jīng)過三火次軋制后，總變形量達到95%，其室溫力學(xué)性能如表4所示。從表中可以看出，板材的強度進一步提高，尤其是A工藝得到的板材的縱橫向抗拉強度全部達到900MPa以上，且差值小于20MPa，而采用B工藝得到的板材，縱橫向抗拉強度差值接近100MPa。

表4 三火次軋制后TA6鈦合金板材加工態(tài)的室溫力學(xué)性能

板材經(jīng)過四火次軋制后，累積變形量達到98%，其室溫力學(xué)性能如表5所示。

表5 四火次軋制后TA6鈦合金板材加工態(tài)的室溫力學(xué)性能

從表中可以看出，經(jīng)本火次軋制后，A工藝得到的板材的強度沒有提高反而略有下降，抗拉強度下降至880～900MPa之間，但是縱橫向差值仍然較小。主要原因是隨著板材變薄，本次熱加工過程中板材發(fā)生的動態(tài)回復(fù)抵消了加工硬化的影響，造成板材強度有所下降。而B工藝得到的板材縱橫向強度與三火次軋制得到的板材強度基本相當，縱橫向抗拉強度差值依舊較大，達到50MPa，這是因為B工藝軋制過程中較A工藝少了一次換向，內(nèi)部組織的均勻性不如A工藝得到的板材。

2.3 成品板材的組織及力學(xué)性能

由于A工藝得到的加工態(tài)板材內(nèi)部組織均勻性更好、縱橫向性能差異更小，考慮到后續(xù)成品退火對組織均勻性的改善有限，因此實際生產(chǎn)過程中優(yōu)先采用A工藝制備TA6鈦合金板材。A工藝得到的3.5mm厚TA6鈦合金板材經(jīng)780 ℃×60min退火后的顯微組織如圖3所示，板材內(nèi)部為細小均勻的再結(jié)晶組織，且縱橫向無明顯差別。

圖3 A工藝軋制的TA6鈦合金板材退火態(tài)的顯微組織Fig.3 Microstructures of TA6 titanium alloy sheet rolled by process A after annealing

表6為采用A工藝軋制的TA6鈦合金板材退火后的室溫力學(xué)性能。由表6可以看出，退火后其室溫力學(xué)性能優(yōu)于GJB2505A—2008標準要求，且抗拉強度富余量達到50MPa以上，縱橫向性能差異很小。

表6 A工藝軋制的TA6鈦合金板材退火態(tài)的室溫力學(xué)性能

3 結(jié) 論

(1)兩種軋制方式下的TA6鈦合金板材，隨著變形量增大，纖維組織被逐漸拉長、細化，板材強度不斷提高，當變形量達到95%時，板材抗拉強度達到峰值900MPa左右，之后隨著變形量增加，板材強度開始下降。

(2)當變形量達到89%以上時，與B工藝相比，采用A工藝軋制的板材的組織均勻性更好，且縱橫向抗拉強度差值小于20MPa。

(3)采用A工藝得到的3.5mm厚TA6鈦合金板材，經(jīng)780 ℃×60min退火后，板材內(nèi)部組織細小均勻，且力學(xué)性能完全滿足GJB2505A—2008標準要求。

[1]稀有金屬材料加工手冊編寫組. 稀有金屬材料加工手冊[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1985: 56-58.

[2]王瑞琴, 陳均偉, 鄧家彬, 等. 退火溫度對TA6合金板材組織和性能的影響[J]. 金屬熱處理, 2015, 40(6): 142-144.

[3]余永寧. 金屬學(xué)原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2003: 436-437.

[4]邢秋麗, 王蕊寧, 朱曉翠, 等. 制備工藝對TA7鈦合金板材外觀、力學(xué)性能和組織的影響[J]. 鈦工業(yè)進展, 2015, 32(3): 26-29.

[5]王瑞琴, 黃先明, 付文杰, 等.TA1鈦板材的組織和性能改進[J]. 金屬熱處理, 2014, 39(8): 88-91.

[6]王懷柳. 改善TA1板材硬度的工業(yè)生產(chǎn)研究[J]. 鈦工業(yè)進展, 2012, 29(1): 32-34.

Study on Alternative Rolling Process of TA6 Titanium Alloy Sheet

Huang Xianming, Wang Ruiqin, Xie Wenlong, Zhu Xiaocui, Zhang Changjuan, Li Hui

(Western Titanium Technologies Co. ,Ltd. , Xi’an 710201, China)

TA6 titanium alloy sheets with thickness of 3.5 mm had been produced by the 2.8-meter high reversible hot mill, the effects of alternative rolling process on microstructure and mechanical properties of TA6 titanium alloy sheets were studied in this paper.The results indicate that under 72% deformation the microstructure is the disorderd widmanstatten structure,and the tensile strength difference between transverse and longitudinal is more than 50 MPa; with the increasing ofdeformation,the structure is refined and the strength is improved,while the total deformation is up to 89% or more,the process A is better for the uniformity of the sheet compare to process B, the tensile strength difference between transverse and longitudinal is less than 20 MPa.The annealed recrystallizationmicrostructure of TA6 titanium alloy sheet is tiny and uniform prepared by the process A, andmechanical properties can meet the requirement of GJB 2505A—2008.

TA6 titanium alloy; sheet; rolling deformation ratio; microstructure; mechanical properties

2016-08-09

陜西省重大科技創(chuàng)新專項資金項目(2015ZKC05-03)

黃先明(1982—)，男，工程師。

TG335.5+5

A

1009-9964(2016)05-0021-04