TA5鈦合金是一種中等強(qiáng)度的全α鈦合金，名義成分Ti-4Al-0.005B，具有優(yōu)良的耐蝕及焊接性能，被廣泛用于艦船煙囪蒙皮、桅桿等零部件[1-2]。熱軋與冷軋是鈦合金板材工業(yè)生產(chǎn)常見(jiàn)的加工方式，通常對(duì)于4mm以上中厚板，可直接采用熱軋方式經(jīng)1~3個(gè)軋程軋至成品厚度，而對(duì)于3mm以下薄板可采用熱疊軋或多軋程冷軋進(jìn)行加工生產(chǎn)[3-4]。目前關(guān)于鈦合金的研究主要是通過(guò)改變軋制、鍛造或熱處理中某個(gè)工藝參數(shù)來(lái)探索其對(duì)合金組織與性能的影響而關(guān)于不同工藝方法對(duì)鈦合金組織及性能影響的研究較少。本文通過(guò)對(duì)不同軋制工藝的分析，探索了熱疊軋與多道次冷軋對(duì)TA5鈦合金板材組織及性能的影響，以期對(duì)鈦合金工業(yè)薄板的生產(chǎn)提供一定的參考。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用經(jīng)三次真空熔煉生產(chǎn)的φ660mm的TA5鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分符合GB/T3620.1標(biāo)準(zhǔn)要求，金相法測(cè)試相變點(diǎn)約1000°C。鑄錠經(jīng)開(kāi)坯鍛造后成為軋制用方述120mm×800mm×1000mm。軋制工藝采用自主研發(fā)的無(wú)包覆熱疊軋工藝A和多道次冷乳工藝B，熱乳與冷軋均在1450mm四輥可逆軋機(jī)上進(jìn)行。具體工藝路線如下：

工藝A:板坯熱軋至5mm—>板材下料切割—>取2片鈦板組焊為疊軋包—>930℃加熱—>疊軋至3mm—>

650°C退火—>表面處理—>切割為3mm×1000mm×2000mm成品板材。

工藝B:板坯熱軋至3.5mm—>800°C再結(jié)晶退火—>表面處理—>經(jīng)20道次冷軋至成品3mm—>650°C退火—>表面處理—>切割為3mm×1000mm×2000mm成品板材。

成品退火后，對(duì)兩種工藝方法下板材橫截面進(jìn)行金相組織觀察，同時(shí)取橫向試樣進(jìn)行拉伸及彎曲性能對(duì)比分析。金相腐蝕試劑體積配比為HF:HNO3:H₂O=1:4:5,腐蝕后在LeicaDMI5000M金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察。拉伸及冷彎試驗(yàn)分別在INSTRON5982及WDW-50材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸取P7試樣，冷彎彎芯直徑D=3t(為板材厚度），其它試驗(yàn)參數(shù)執(zhí)行GB/T228標(biāo)準(zhǔn)。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1不同軋制工藝下成品板組織

圖1為不同軋制工藝下成品板材的組織形貌。

采用工藝A生產(chǎn)的成品板存在明顯的拉長(zhǎng)變形α晶粒，組織為等軸α+拉長(zhǎng)α+晶間β,晶粒平均尺寸約15μm。工藝B板材退火后已完全再結(jié)晶，無(wú)變形組織殘留，組織為等軸α+晶間β,晶粒尺寸約10μm。兩種工藝相比，工藝B成品板α晶粒形態(tài)全部為等軸狀，晶粒尺寸細(xì)小，且組織均勻性明顯優(yōu)于工藝A。TA5鈦合金為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系少，變形抗力大，滑移和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)需要外界提供更多的能量。

軋制前進(jìn)行高溫加熱，可消除上一軋程形成的加工硬化，同時(shí)軋制時(shí)輸人了較高的能量加快了原子擴(kuò)散，弱化了相鄰晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度，使相鄰晶粒在切變作用下更易發(fā)生滑動(dòng)，從而降低變形抗力[8]但不可避免，在加熱過(guò)程中部分處于有利取向的晶粒會(huì)迅速長(zhǎng)大，導(dǎo)致軋制過(guò)程中不易被充分破碎。單張板軋制時(shí)，鈦板上下表面受到強(qiáng)烈的剪切力，晶粒破碎

較為充分，越靠近中心越接近平面應(yīng)力狀態(tài)，晶粒受到的剪切力逐漸降低，晶粒也更不容易被破碎，從而造成表面至中心組織的不均勻性，板材越厚，不均勻程度越高[9]。乳制工藝A中，疊軋包由2片鈦板組焊而成，軋制時(shí)僅疊軋包的上下表面受到強(qiáng)烈的剪切作用，中間位置兩張鈦板相互擠壓、滑動(dòng)，剪切作用明顯弱化。因此對(duì)于單張鈦板，上下表面及中心位置受力差異較大，截面各個(gè)位置破碎程度呈現(xiàn)不均勻性。此外，因?yàn)榧訜釡囟容^高，軋制時(shí)同時(shí)發(fā)生著加工硬化與回復(fù)再結(jié)晶過(guò)程，晶粒不能充分破碎，導(dǎo)致大量的變形晶粒殘存在組織中。成品退火時(shí)，因?yàn)闊彳埌遢^低的儲(chǔ)存能以及分布的不均勻性，形核位置較少，再結(jié)晶過(guò)程以晶粒長(zhǎng)大為主，最終造成晶粒尺寸較大，同時(shí)拉長(zhǎng)變形的晶粒也會(huì)繼續(xù)殘存在組織中。

工藝B中軋制所用的鈦板僅為3.5mm,厚度較薄，經(jīng)多道次軋制后鈦板截面各個(gè)位置晶粒充分破碎，組織均勻。冷軋板材儲(chǔ)存能較高，成品退火時(shí)形核位置多，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，因此最終獲得的板材晶粒尺寸細(xì)小均勻。

2.2不同軋制工藝下成品板性能

工藝A、B成品板的性能如表1所示。從表中可以看出，A與B兩種工藝?yán)旒袄鋸澬阅芫鶟M足GB/T3621標(biāo)準(zhǔn)要求，且工藝B成品板抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及最大冷彎角都明顯高于工藝A。

與標(biāo)準(zhǔn)相比，工藝B抗拉強(qiáng)度富余量達(dá)到了50MPa,屈服強(qiáng)度富余量113MPa,伸長(zhǎng)率富余量11%,冷彎最大冷彎角富余量25°,表現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合性能。由兩種工藝下組織對(duì)比分析可知，工藝B晶粒尺寸及組織均勻性要優(yōu)于工藝A,根據(jù)Hall-Petch公式，晶粒尺寸越小，晶界越多，造成的強(qiáng)化效應(yīng)也越明顯，同時(shí)因?yàn)榫Я＜?xì)小，晶粒內(nèi)部與晶界處應(yīng)變相差較小，變形均勻，因此在斷裂之前可以承受更大的變形量，所以表現(xiàn)出了較高的塑性[10]。冷彎性能是與板材表面質(zhì)量、強(qiáng)度、組織形態(tài)等多個(gè)因素相關(guān)的一個(gè)綜合指標(biāo)，從工藝A和B的組織形態(tài)來(lái)看，工藝B細(xì)小均勻的晶粒分布更不容易形成應(yīng)力集中，延遲了裂紋萌生，從而對(duì)冷彎性能有利。

3、結(jié)論

(1)熱疊軋工藝生產(chǎn)的TA5成品板存在明顯的變形態(tài)晶粒，晶粒尺寸較大。與熱疊軋工藝相比，多道次冷軋工藝成品退火后，發(fā)生了完全再結(jié)晶，且晶粒細(xì)小，組織分布均勻。

(2)熱疊軋與多道次冷軋工藝生產(chǎn)的成品板均滿足GB/T3621標(biāo)準(zhǔn)要求，且多道次冷軋工藝生產(chǎn)的成品板表現(xiàn)出了優(yōu)異的綜合性能，其強(qiáng)度、塑性以及冷彎性能，要明顯優(yōu)于熱疊軋工藝。

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