鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、生物相容性優(yōu)越等性能特征，享有“戰(zhàn)略金屬、海洋金屬、生物金屬”等美譽(yù)。通過拉伸、擠壓、沖壓、鍛造、軋制等傳統(tǒng)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(chǎn)品。材料使用環(huán)境逐漸趨于復(fù)雜化和多元化，對(duì)相應(yīng)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(tài)加工、噴射成形、包套軋制等）以期能夠縮短生產(chǎn)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(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用比重驟增 [1-2] ，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后針對(duì)所有可能影響板材軋制工藝的因素進(jìn)行了深入研究。韓盈等 [3] 對(duì)比研究TC4鈦合金板材換向及不換向軋制時(shí)對(duì)組織、織構(gòu)及性能的影響。發(fā)現(xiàn)換向軋制的板材組織更為細(xì)密、性能更為優(yōu)越，板材各向異性??；周博維等 [4] 通過優(yōu)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(duì)板材組織及性能會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而研究不同軋制溫區(qū)對(duì)應(yīng)的軋制工藝 [5-6] 。

TA15鈦合金板通常采用冷軋工藝進(jìn)行生產(chǎn)，由于鈦合金板冷加工變形抗力大、冷作硬化快，導(dǎo)致冷軋生產(chǎn)工序多、工藝繁瑣、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。包套軋制工藝不僅能同時(shí)完成多片板材的成品軋制，而且還能有效保證生產(chǎn)條件的一致性（包括加熱溫度、變形量、壓下分配等），這些優(yōu)勢(shì)可以顯著縮短生產(chǎn)周期，并保證板材批次間的穩(wěn)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(shù)、變形量等）對(duì)板材組織及性能的影響 [7-9] ，但鮮有關(guān)于同時(shí)對(duì)冷軋和包套軋制（以下簡(jiǎn)稱“熱軋”）兩種工藝制備的合金板的組織及性能的對(duì)比探討和分析。本次研究嚴(yán)格保證板坯的化學(xué)成分及規(guī)格一致，整個(gè)生產(chǎn)過程中只有“熱軋”和“冷軋”兩個(gè)變量，從而通過控制變量法完成對(duì)這兩種生產(chǎn)工藝的合金板的組織及性能的對(duì)比研究 [10-11] 。

1 、實(shí)驗(yàn)工藝

實(shí)驗(yàn)以TA15鈦合金板作為研究對(duì)象，為保證板 材 軋 制 前 鑄 錠 成 分 的 一 致 性 ， 擬 選 用 兩 個(gè)TA15 鈦合金鑄錠（記為 1#鑄錠、2#鑄錠），成分見表 1。每個(gè)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(duì)比工藝 A 及工藝 B 發(fā)現(xiàn)：兩種工藝的差異性僅體現(xiàn)在“半成品熱軋之后”至“成品退火之前”的過程中，其余工藝設(shè)計(jì)及相應(yīng)參數(shù)一致。

四塊TA15鈦合金板坯在 1 200 mm 四輥可逆式熱軋機(jī)上完成半成品軋制后，經(jīng)表面處理合格的分別進(jìn)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同軋制工藝的顯微組織特征

分別在編號(hào)為 1#-A、1#-B、2#-A、2#-B 的成品板材上取縱、橫向樣品進(jìn)行顯微組織分析，如圖 2 所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：（1）兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的縱、橫向樣品的顯微組織均為 α+β 兩相區(qū)加工組織，無完整的原始 β 晶界。兩者對(duì)應(yīng)的縱、橫向顯微組織的初生α 相含量相近，體積分?jǐn)?shù)基本分布在 65%～70%；（ 2） 兩 種 軋 制 工 藝 對(duì) 應(yīng) 的 橫 向 樣 品 的 晶 粒 度（14.5 級(jí)）及晶粒尺寸（2.2 μm）均明顯優(yōu)于縱向樣品的晶粒度（14.0 級(jí)）及晶粒尺寸（2.8 μm），說明成品板材對(duì)應(yīng)的晶粒度及平均晶粒尺寸僅與縱、橫方向

有關(guān)，而與軋制工藝無明顯關(guān)聯(lián)性；（3）熱軋工藝及冷軋工藝對(duì)應(yīng)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(guān)，而與軋制工藝無明顯關(guān)聯(lián)性。

因此，通過對(duì)比不同軋制工藝的縱、橫向樣品顯微組織發(fā)現(xiàn)：不論熱軋工藝還是冷軋工藝生產(chǎn)的板材，其對(duì)應(yīng)的顯微組織（形貌及含量等）相似。

2.2 不同軋制工藝的拉伸性能特征

對(duì)于軋制板材的 3 個(gè)不同主方向，一般是壓延方向強(qiáng)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(duì)象，縱向拉伸檢測(cè)結(jié)果僅列舉 3 組，詳見表 4。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，分別繪制了兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的室溫、高溫拉伸力學(xué)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(duì)應(yīng) 4 種編號(hào)的分界線：界限以左為 1#鑄錠對(duì)應(yīng)的 1#-A 和 1#-B；界限以右為 2#鑄錠對(duì)應(yīng)的 2#-A 和 2#-B。

（1）室溫拉伸抗拉強(qiáng)度。1）熱軋料的橫向抗拉強(qiáng)度整體高于冷軋料的，且受批次（1#-A 與 2#-A）的影響極?。?）冷軋料的橫向抗拉強(qiáng)度分布不穩(wěn)定，受批次（B1#與 B2#）的影響較大；3）熱軋料對(duì)應(yīng)縱、橫向室溫抗拉強(qiáng)度差較小，而冷軋料對(duì)應(yīng)的縱、橫向室溫抗拉強(qiáng)度差較大。

（2）室溫拉伸屈服強(qiáng)度。1）熱軋料的橫向屈服強(qiáng)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(qiáng)度受批次（B1#與B2#）的影響很明顯，且整體波動(dòng)性較大。

（3）室溫伸長(zhǎng)率。熱軋料與冷軋料的伸長(zhǎng)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(qiáng)度。1）熱軋料的橫向抗拉強(qiáng)度整體高于冷軋料的，受批次（1#-A 與 2#-A）變化的影響較??；2）冷軋料的橫向抗拉強(qiáng)度整體分布較穩(wěn)定，同樣受批次性（B1#與 B2#）的影響較??；3）熱軋料的縱向抗拉強(qiáng)度低于橫向的，而冷軋料的橫向抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)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(jié)構(gòu)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?；诖耍瑢?shí)驗(yàn)對(duì)造成鈦合金板顯微組織及拉伸力學(xué)性能產(chǎn)生縱、橫向差異的原因進(jìn)行深入探究。

3.1 不同軋制工藝對(duì)顯微組織差異性的影響

板材受軋制加工方式的影響，導(dǎo)致其內(nèi)部組織沿壓延軋制方向被拉長(zhǎng)，進(jìn)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 2.2μm）。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(shù) 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(duì)應(yīng)晶粒越細(xì)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?yàn)榍罢邔儆跓峒庸すに?，軋制完成后因?yàn)殇摵械拇嬖诙鴮?dǎo)致鈦板散熱慢，晶粒會(huì)出現(xiàn)一定程度的長(zhǎng)大；（2）TA15鈦合金的再結(jié)晶開始溫度大致為 800 ℃，再結(jié)晶終了溫度大致為 950 ℃。

本研究中的兩種軋制工藝對(duì)應(yīng)的退火制度均為830 ℃/50 min 空冷，屬于不完全再結(jié)晶退火，退火過程中僅有極少數(shù)的晶粒發(fā)生再結(jié)晶。所以導(dǎo)致兩種軋制工藝制備的樣品經(jīng)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(qiáng)度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也就越高 [15] 。參照?qǐng)D 3 發(fā)現(xiàn)：熱軋工藝制備的樣品的縱、橫向抗拉強(qiáng)度接近，而冷軋工藝制備的樣品的縱向抗拉強(qiáng)度明顯高于橫向的。再結(jié)合強(qiáng)度與硬度的關(guān)系，推測(cè)冷軋工藝制備的樣品的縱向強(qiáng)度高于橫向的，可能導(dǎo)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(yīng)的強(qiáng)度變化規(guī)律，可能是受熱軋工藝的影響導(dǎo)致更微觀界面的差異所引起（諸如織構(gòu)的分布等）。

3.2 不同軋制工藝對(duì)拉伸性能差異性的影響

相較于冷軋工藝，熱軋工藝對(duì)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(xué)性能。這是因?yàn)槔滠垥?huì)產(chǎn)生方向性較為明確的織構(gòu)，而熱軋則會(huì)弱化織構(gòu)的方向性，進(jìn)而減小板材的縱、橫向組織及性能的差異，獲得優(yōu)異的綜合性能 [16] 。

鈦合金具有較高的屈強(qiáng)比，在板材中尤為明顯。實(shí)驗(yàn)分別計(jì)算和對(duì)比了兩種軋制工藝制備的板材沿縱、橫向的屈強(qiáng)比，發(fā)現(xiàn)：兩者對(duì)應(yīng)的縱向屈強(qiáng)比基本分布在 0.90～0.93，而橫向屈強(qiáng)比則分布在0.97～0.99；熱軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的橫向屈強(qiáng)比最高（0.98～0.99），冷軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的橫向屈強(qiáng)比居第二（0.97～0.98），熱軋工藝制備的樣品

對(duì)應(yīng)的縱向屈強(qiáng)比次之（0.92～0.93），冷軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的縱向屈強(qiáng)比最?。?.90～0.92）。熱軋工藝制備的樣品對(duì)應(yīng)的縱、橫向屈強(qiáng)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(qiáng)，更不易發(fā)生塑性變形。

4、 結(jié)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?jǐn)?shù)為 65%～70%、晶粒度等級(jí)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(qū)加工組織。這兩種工藝對(duì)應(yīng)的組織特征相似。

（2） 在伸長(zhǎng)率變化不大的前提下，熱軋工藝對(duì)應(yīng)的樣品的強(qiáng)度明顯優(yōu)于冷軋工藝的，且縱、橫向強(qiáng)度差異較小，受批次影響較弱。

（3） 熱軋工藝會(huì)弱化織構(gòu)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(duì)應(yīng)的縱、橫向樣品的屈強(qiáng)比 存 在 一 定 排 布 規(guī) 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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