TC1鈦合金寬幅薄板軋制工藝研究

李 輝，劉松良，沙春鵬，盧影鋒，王瑞琴，王 興，舒 瀅，唐 進(jìn)

(1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)(2.?？振v沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110000)(3.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

?

TC1鈦合金寬幅薄板軋制工藝研究

李 輝1，劉松良2，沙春鵬3，盧影鋒3，王瑞琴1，王 興1，舒 瀅1，唐 進(jìn)1

(1.西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)(2.?？振v沈陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110000)(3.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

對(duì)比分析了包覆疊軋和冷軋兩種工藝制備TC1鈦合金寬幅薄板表面質(zhì)量、組織形貌和力學(xué)性能，并研究了成品退火溫度對(duì)冷軋板材力學(xué)性能和組織的影響。結(jié)果表明: 這兩種工藝生產(chǎn)的TC1鈦合金薄板力學(xué)性能均可滿足GJB 2505A—2008要求，冷軋工藝生產(chǎn)的TC1鈦合金成品板材表面質(zhì)量良好，性能穩(wěn)定，晶粒更為細(xì)?。焕滠埌宀某善吠嘶饻囟瓤刂圃?50～580 ℃較為適宜。

TC1鈦合金薄板；包覆疊軋；冷軋；組織形貌；力學(xué)性能

0 引 言

我國(guó)從20世紀(jì)60年代初開始研制TC1鈦合金，然而到目前為止，我國(guó)僅有少數(shù)幾家公司可生產(chǎn)1 000 mm以內(nèi)的TC1鈦合金薄板，并且所生產(chǎn)的薄板在尺寸精度、板形、表面質(zhì)量方面與國(guó)外存在一定差距。由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的TC1鈦合金薄板幅寬較窄，在加工大型零件時(shí)往往需要進(jìn)行大量的焊接。不僅焊接過程復(fù)雜，而且焊接中由于單位體積內(nèi)熱量集中，會(huì)造成熱影響區(qū)變寬，組織性能不穩(wěn)定，焊縫常成為易腐蝕源和斷裂源，極大影響零件使用的安全性和壽命。此外，由于軋制工藝的問題，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的TC1鈦合金薄板微觀組織不均勻，存在各向異性，成形性不穩(wěn)定。因此，我國(guó)航空航天工業(yè)中所需的高性能TC1鈦合金薄板尚需大量進(jìn)口。

近年來，隨著我國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展以及高性能戰(zhàn)機(jī)研發(fā)項(xiàng)目的推進(jìn)，對(duì)更寬更薄的TC1鈦合金薄板的需求更為迫切。如何生產(chǎn)出能夠滿足使用要求的TC1鈦合金寬幅薄板，成為我國(guó)鈦材加工行業(yè)亟待解決的問題。因此研制幅寬在1 200～1 500 mm的高性能鈦合金薄板勢(shì)在必行。

目前，西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱西部鈦業(yè))已建成一條稀有難熔金屬板帶材生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線自投產(chǎn)以來，在純鈦板材生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合軍工需要，研制了各種牌號(hào)的鈦合金寬幅薄板，其厚度為0.4～2.5 mm(精度為±0.05 mm)、幅寬為1 200～1 500 mm、長(zhǎng)度為2 000～3 000 mm，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)寬幅鈦合金薄板的空白。為了進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高批次穩(wěn)定性，本研究分別采用包覆疊軋和冷軋兩種工藝，制備TC1鈦合金寬幅薄板，對(duì)比分析兩種工藝制備的板材外觀質(zhì)量、組織與性能，并研究成品退火溫度對(duì)冷軋板材組織及性能的影響，旨在為大規(guī)模生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)原料為1級(jí)小顆粒海綿鈦和Al-Mn55中間合金，經(jīng)包合金包、電極壓制、等離子組焊后，采用真空自耗電弧熔煉得到3.0 t的φ640 mm TC1鈦合金鑄錠。鑄錠經(jīng)鋸床鋸切下料，用大噸位壓機(jī)鍛造加工至180±10 mm的板坯。板坯經(jīng)二火次開坯軋制軋至5 mm。再經(jīng)表面處理后，轉(zhuǎn)至包覆疊軋工藝試制和冷軋工藝試制。包覆疊軋工藝：將4塊板組合，之間涂敷隔離層，上下用鋼板包覆封焊，一火次軋制到成品尺寸；再經(jīng)退火、堿酸洗、砂帶拋光至成品。冷軋工藝：?jiǎn)螇K板經(jīng)二火次軋制到成品厚度，再經(jīng)退火、蠕變矯形、堿酸洗。對(duì)比兩種工藝制備的板材外觀質(zhì)量、組織及性能。分別在550、580、620、680 ℃對(duì)冷軋工藝制備的板材進(jìn)行熱處理，研究成品退火溫度對(duì)冷軋板材組織與力學(xué)性能的影響。在OLYMPUS PMG3光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，在Instron-1851萬能材料試驗(yàn)機(jī)上按照GB/T 228—2002進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速度為 1 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種工藝制備的TC1鈦合金寬幅板材的對(duì)比

2.1.1 板材的外觀質(zhì)量

圖1為兩種工藝制備的幅寬為1 350 mm的TC1鈦合金板材的表面照片。其中圖1a為包覆疊軋工藝制備的TC1鈦合金板材，圖1b為冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材。對(duì)比圖1a和圖1b可以看出，冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材表面質(zhì)量明顯優(yōu)于包覆疊軋板材。采用包覆疊軋工藝制備的TC1鈦合金板材堿酸洗后存在橘皮、小凸起、凹坑等缺陷，需經(jīng)過砂帶砂光機(jī)進(jìn)行磨削處理，表面處理較為困難，且費(fèi)用也比較高；而采用冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材堿酸洗后表面均勻一致，光潔度好，缺陷少，可根據(jù)成品要求砂光或不砂光。

圖1 不同軋制工藝制備的TC1鈦合金板材的表面照片F(xiàn)ig.1 Surface of TC1 titanium alloy plate processed by different rolling methods

2.1.2 板材的組織及性能

表1為采用包覆疊軋和冷軋兩種工藝分別制備的厚度為1.0 mm和0.8 mm的 TC1鈦合金板材的室溫力學(xué)性能。從表1可以看出，包覆疊軋和冷軋兩種工藝制備的厚度為1.0 mm和0.8 mm的TC1鈦合金板材的室溫力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)GJB 2505A—2008要求。

對(duì)比表1中的檢測(cè)結(jié)果可見，包覆疊軋工藝制備的厚度為1.0 mm的板材抗拉強(qiáng)度偏差約為33 MPa，厚度為0.8 mm的約為28 MPa；而冷軋工藝制備的厚度為1.0 mm的板材抗拉強(qiáng)度偏差約為2 MPa，厚度為0.8 mm的約為14 MPa。由此可見，冷軋板材強(qiáng)度較為集中，分散性小，其產(chǎn)生原因可能與軋制方式有關(guān)[1-2〗[3-4]，形核少且易聚集長(zhǎng)大，因此組織較為粗大，如圖2a～d所示，因此性能波動(dòng)較大。而冷軋為再結(jié)晶溫度以下的加工，對(duì)組織破碎充分，畸變能增大[5-6]，形核充分，熱處理后晶粒更為細(xì)小，如圖2e～h所示，因此性能更為穩(wěn)定。

表1 包覆疊軋和冷軋兩種工藝制備的TC1鈦合金板材室溫力學(xué)性能

圖2 不同軋制工藝制備的TC1鈦合金板材的金相照片F(xiàn)ig.2 Metallographs of TC1 titanium alloy plate processed by different rolling methods

綜上可知，與包覆疊軋工藝相比，采用冷軋工藝獲得的TC1鈦合金薄板的表面質(zhì)量更為良好，性能更為穩(wěn)定，晶粒更為細(xì)小，且各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)GJB 2505A—2008的要求。

2.2 熱處理對(duì)冷軋TC1鈦合金板材力學(xué)性能的影響

圖3為冷軋工藝得到的0.8 mm厚的TC1鈦合金板材經(jīng)550、580、620、680 ℃熱處理后的室溫力學(xué)性能變化趨勢(shì)。從圖3可以看出，板材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均隨退火溫度的升高而降低，延伸率隨退火溫度的升高略有增大。當(dāng)退火溫度為550 ℃時(shí)，Rm=668 MPa，Rp0.2=619 MPa，A=37%；當(dāng)退火溫度為580 ℃時(shí)，Rm=631 MPa，Rp0.2=540 MPa，A=41.0%，均滿足GJB 2505A—2008中590 MPa≤Rm≤735 MPa，Rp0.2≥460 MPa，A≥25%的要求，且富余量較大。當(dāng)退火溫度升高至620 ℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，但富余量不大；當(dāng)退火溫度從620 ℃升高至680 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度下降幅度不大，均為略高于或低于標(biāo)準(zhǔn)要求。而板材的屈服強(qiáng)度和延伸率在4種退火制度下均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此成品板材退火溫度控制在550～580 ℃較為合適。

圖3 退火溫度對(duì)0.8 mm厚冷軋TC1鈦合金板材力學(xué)性能的影響Fig.3 The effect of annealing temperature on mechanical properties of 0.8 mm cold rolling TC1 titanium alloy sheets

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于原料化學(xué)成分的波動(dòng)、軋制工藝的影響，要獲得滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能，且有一定的富余量，對(duì)板材的熱處理制度可作適當(dāng)調(diào)整，例如可以依據(jù)裝爐量選擇合適的退火保溫時(shí)間。

2.3 熱處理對(duì)冷軋TC1鈦合金板材組織的影響

圖4為經(jīng)冷軋工藝得到的0.8 mm厚的TC1鈦合金板材經(jīng)550、580、620、680 ℃退火后的顯微組織。由圖4可見，退火溫度為550 ℃時(shí)，TC1鈦合金板材已發(fā)生部分再結(jié)晶，但再結(jié)晶程度較低，因此板材的抗拉強(qiáng)度較高(如圖3所示)；當(dāng)退火溫度提高到580 ℃，板材已發(fā)生完全再結(jié)晶，等軸晶的數(shù)量明顯增多，同時(shí)纖維組織較550 ℃退火時(shí)明顯減少；退火溫度提高至620 ℃時(shí)，板材的顯微組織形貌與580 ℃時(shí)相似，變形纖維組織基本消失，因此其強(qiáng)度較580 ℃有所降低；當(dāng)退火溫度提高至680 ℃時(shí)，有個(gè)別大晶粒出現(xiàn)，但其顯微組織形貌與620 ℃相似，因此板材的性能與620 ℃時(shí)相當(dāng)。

圖4 0.8 mm厚冷軋TC1鈦合金板材經(jīng)不同溫度退火后的顯微組織Fig.4 Microstructures of 0.8 mm cold rolling TC1 titanium alloy sheets at different annealing temperatures

3 結(jié) 論

(1)包覆疊軋工藝制備的TC1鈦合金板材表面質(zhì)量較差，堿酸洗后仍存在橘皮、小凸起、凹坑等缺陷，表面處理較為困難；而冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材表面均勻一致，光潔度好，且缺陷少，表面質(zhì)量明顯優(yōu)于包覆疊軋板材。

(2)冷軋TC1鈦合金薄板成品退火溫度控制在550～580 ℃較為合適。原料化學(xué)成分波動(dòng)、軋制工藝改變，熱處理制度可作適當(dāng)調(diào)整。

[1]王蕊寧，楊建朝，舒瀅，等. TC4鈦合金薄板軋制的工業(yè)化試驗(yàn)研究[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(1)：29-31.

[2]洪權(quán). Ti-6Al-4V合金包覆疊軋薄板的加工工藝與組織性能研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

[3]唐仁政. 物理冶金基礎(chǔ)[M]. 湖南：冶金工業(yè)出版社. 1997.

[4]陳溪強(qiáng). 軋制工藝對(duì)工業(yè)純鈦組織性能的影響[J]. 鋼鐵釩鈦，2009, 30(4):16-20.

[5]張寶昌. 有色金屬及其熱處理[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[6]王瑞琴, 黃先明, 吳曉東, 等. 冷軋鈦板材缺陷分析與討論[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(13): 21-24.

Research on Rolling Technology of TC1 Titanium Alloy Wide Sheet

Li Hui1，Liu Songliang2,Sha Chunpeng3，Lu Yingfeng3，Wang Ruiqin1，Wang Xing1，Shu Ying1，Tang Jin1

(1. Western Titanium Technologies Co., Ltd.， Xi’an 710201, China)(2. Aviation Military Representative Office of Navy in Shenyang， Shenyang 110000, China)(3. Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110000, China)

The surface quality, microstructures and mechanical properties of TC1 titanium alloy sheets which were produced by canning ply-rolling and cold rolling were studied and compared, and the influence of annealing temperature on the sheets produced by cold rolling was also researched. The results indicate that the properties of the sheets produced by the two different processes can both meet the standard of GJB 2505A—2008. But the sheets produced by cold rolling can obtain better finished products with good surface quality, stable mechanical properties and small grain. Besides, it is found that the adequate annealing temperature for cold rolling sheet is between 550 ℃ and 580 ℃.

TC1 titanium alloy sheet; canning ply-rolling; cold rolling; microstructure; mechanical property

2014-07-02

李輝(1973—)，男，高級(jí)工程師。