制備工藝對(duì)TA7鈦合金板材外觀、力學(xué)性能和組織的影響

邢秋麗，王蕊寧，朱曉翠,李 輝，周玉川，謝英杰，王瑞琴

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

制備工藝對(duì)TA7鈦合金板材外觀、力學(xué)性能和組織的影響

邢秋麗，王蕊寧，朱曉翠,李 輝，周玉川，謝英杰，王瑞琴

(西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201)

TA7鈦合金可被用于制造飛機(jī)蒙皮、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)焊接輪環(huán)等中等強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)件，但由于存在成形塑性差、易開裂、成品率低等問題，TA7鈦合金板材的加工難度較大。為此，針對(duì)TA7鈦合金板材的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了3種不同制備工藝對(duì)TA7鈦合金板材開裂情況、顯微組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：開坯軋制在低溫區(qū)域進(jìn)行，一火軋制后板材表面開裂明顯，成品板材晶粒細(xì)小，但組織均勻性不高；開坯軋制在相變點(diǎn)附近的高溫區(qū)域進(jìn)行，一火軋制后板材開裂程度明顯改善，成品板材晶粒有所長(zhǎng)大，但組織均勻性依舊較差；開坯軋制在低溫區(qū)域進(jìn)行，且后期采用換向軋制得到的板材表現(xiàn)出最優(yōu)的綜合性能。此外，3種工藝制備的TA7鈦合金成品板材的室溫力學(xué)性能相差不大。

TA7鈦合金；板材；制備工藝；力學(xué)性能；顯微組織

0 引 言

TA7鈦合金含有5%Al和2.5%Sn(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，是美國(guó)20世紀(jì)50年代研制的單相α型鈦合金。該合金在-257～540 ℃具有足夠高的強(qiáng)度、抗蠕變性能以及良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，可在500 ℃長(zhǎng)期工作，短時(shí)間工作溫度可以達(dá)到800 ℃。因此，TA7鈦合金可以用于制造重要的中等強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)件，例如，飛機(jī)蒙皮、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)焊接輪環(huán)、噴管等。

20世紀(jì)60年代初，TA7鈦合金就已成為美國(guó)航空用鈦合金中的骨干合金，TA7、TC4、工業(yè)純鈦在航空領(lǐng)域中的用量占到了鈦合金總用量的80%。但是，由于成形塑性差、易開裂、成品率低等原因，該合金在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用較少。目前，TA7鈦合金板材成品率通常只有30%左右，且質(zhì)量非常不穩(wěn)定，是已產(chǎn)業(yè)化的鈦合金板材中“最難生產(chǎn)”的牌號(hào)。

本研究則針對(duì)TA7鈦合金板材生產(chǎn)工藝進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)，采用不同的工藝路線，制備3.0 mm厚的TA7鈦合金板材，并對(duì)其宏觀形貌、顯微組織、力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比和評(píng)價(jià)，旨在為西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司采用2 800 mm大型軋機(jī)實(shí)際生產(chǎn)TA7鈦合金板材制定工藝提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所選用的φ640 mm TA7鈦合金鑄錠由西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司采用3次真空自耗電弧熔煉而成，其化學(xué)成分如表1所示。金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為1 050～1 055 ℃。

表1 TA7鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA7 titanium alloy ingot

鑄錠在快鍛機(jī)上經(jīng)多次鐓拔鍛成厚度為48 mm的方坯，在鋸床上將其鋸切成若干個(gè)280 mm×280 mm×48 mm的熱軋坯料后，再在550 mm小型軋機(jī)上進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)制定了3種不同制備TA7鈦合金板材的工藝路線，具體如下。

A工藝 加熱(960 ℃)→一火軋制(69%變形量)→修磨→二火加熱(960 ℃)→二火軋制(60%變形量)→三火加熱(920 ℃)→三火軋制(50%變形量)→成品退火(800 ℃)。

B工藝 加熱(1 020 ℃)→一火軋制(69%變形量)→修磨→二火加熱(960 ℃)→二火換向軋制(60%變形量)→三火加熱(920 ℃)→三火軋制(50%變形量)→成品退火(800 ℃)。

C工藝 前兩火同A工藝→三火加熱(920 ℃)→三火換向軋制(50%變形量)→成品退火(800 ℃)。

首先對(duì)3種工藝制備的厚度為3.0 mm的TA7鈦合金板材進(jìn)行外觀觀察，再在剪床上進(jìn)行剪切取樣，并利用線切割將所取試樣加工成啞鈴狀拉伸試樣，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，在OLYMPUS光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行組織觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備工藝對(duì)TA7板材外觀及力學(xué)性能的影響

圖1為經(jīng)一火軋制后A、B工藝制備的TA7鈦合金板材的外觀照片。從圖1可以看到，A工藝軋制的TA7鈦合金板材邊裂嚴(yán)重，可見明顯裂紋；B工藝因加熱溫度較高，軋制后板材表面氧化較明顯，但基本無(wú)軋制裂紋出現(xiàn)。這說明TA7鈦合金的軋制對(duì)溫度敏感，合理的軋制溫度、軋制工藝將直接決定合金板材的外觀質(zhì)量、后期表面處理方式及最終成材率。

圖1 一火軋制后TA7鈦合金板材的外觀照片F(xiàn)ig.1 Photos of TA7 titanium alloy sheets after the first hot rolled

對(duì)經(jīng)A工藝與B工藝一火軋制后的板材在800 ℃下對(duì)其進(jìn)行熱處理后，板材的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同工藝一火軋制后TA7鈦合金板材的室溫力學(xué)性能Table 2 Room-temperature mechanical properties of TA7 sheets prepared by different processes after the first hot rolled

由表2可以看到，經(jīng)A工藝與B工藝一火軋制后，TA7鈦合金板材的力學(xué)性能比較接近，這是因?yàn)锳工藝與B工藝的一火軋制溫度均在TA7鈦合金的相變點(diǎn)以下，且該合金為全α鈦合金，因此在變形工藝相同的情況下，軋制溫度對(duì)力學(xué)性能的影響不大。但由于在高溫狀態(tài)下晶粒會(huì)略有長(zhǎng)大，且會(huì)有次生α相析出，因此，經(jīng)B工藝一火軋制后板材的屈服強(qiáng)度和塑性較A工藝一火軋制后板材的低。

圖2為經(jīng)三火軋制后，不同工藝得到的TA7鈦合金板材的外觀照片。經(jīng)三火軋制后，TA7鈦合金板材的表面開裂程度明顯減少，主要表現(xiàn)為少量的邊裂。這與TA7鈦合金隨著變形量的增加，晶粒被破碎，組織逐漸均勻化，加工塑性也隨之改善有關(guān)。

圖2 三火軋制后TA7鈦合金板材的外觀照片F(xiàn)ig.2 Photos of TA7 titanium alloy sheets after the third hot rolled

表3為3種工藝制備的TA7鈦合金板材經(jīng)800 ℃退火后的室溫力學(xué)性能。

表3 不同工藝制備的TA7鈦合金成品板材的室溫力學(xué)性能Table 3 Room-temperature mechanical properties of TA7 sheets prepared by different processes

由表3可以看出，3種工藝制備的TA7鈦合金板材的強(qiáng)度差別不大，A工藝制備的TA7鈦合金板材具有中等的強(qiáng)度與塑性；B工藝制備的TA7鈦合金板材的延伸率低于其他2種制備工藝，這與一火軋制溫度較高有關(guān)，后續(xù)軋制過程中若不能完全消除粗大的魏氏組織，則易造成組織不均勻，延伸率降低的情況；C工藝制備的TA7鈦合金板材具有優(yōu)良的塑性，這與該工藝軋制過程均在低溫段進(jìn)行有關(guān)。此外，換向軋制可以明顯改善加工織構(gòu)，從而影響板材性能，第三火進(jìn)行換向軋制更有利于板材組織均勻性的提高。

2.2 制備工藝對(duì)TA7板材組織的影響

圖3為采用3種工藝制備的厚度為3.0 mm的TA7鈦合金板材經(jīng)800 ℃熱處理后的顯微組織。

圖3 不同工藝制備的TA7鈦合金成品板材的顯微組織Fig.3 Microstructures of TA7 titanium alloy sheets prepared by different processes

由圖3可以看出，A工藝制備的板材具有更加細(xì)小的顯微組織，但組織均勻性不高，還存在少量片狀粗大組織，這與再結(jié)晶不充分有關(guān)。B工藝制備的板材其晶粒明顯長(zhǎng)大，但也存在少量片狀粗大組織，這是由于B工藝軋制溫度較高，晶粒有所長(zhǎng)大，雖然后期加工溫度降低，但晶粒破碎并不明顯，因此對(duì)應(yīng)的性能也表現(xiàn)出較低的塑性，這與組織不均勻有關(guān)。在相同的熱處理工藝下，A工藝軋制得到的板材表現(xiàn)出更加細(xì)小的組織，這說明低溫軋制對(duì)TA7鈦合金的晶粒破碎有明顯作用。此外，經(jīng)A工藝得到的板材的再結(jié)晶程度更高，這與低溫軋制更易于畸變能的儲(chǔ)存有關(guān)，而且全α鈦合金滑移系較少，位錯(cuò)集聚容易，在相同熱處理工藝下，A工藝軋制得到的板材也同時(shí)表現(xiàn)出更優(yōu)的強(qiáng)度與塑性。C工藝與A工藝的一火和二火軋制溫度相同，但第三火進(jìn)行了換向軋制，這對(duì)單相鈦合金的織構(gòu)影響較大。由于減少了單方向軋制在單個(gè)晶粒上產(chǎn)生的變形量，因此其組織表現(xiàn)出比A工藝的晶粒尺寸略大，但組織均勻性又明顯優(yōu)于A與B工藝的特點(diǎn)，這與其軋制均在低溫區(qū)進(jìn)行有關(guān)，進(jìn)而表現(xiàn)出最優(yōu)的塑性。可見，采用換向軋制可以改善TA7 鈦合金板材的組織均勻性，優(yōu)化力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

(1)TA7鈦合金對(duì)溫度敏感，一火軋制在高溫區(qū)域(即相變點(diǎn)附近)進(jìn)行可明顯減少裂紋，若降低一火軋制溫度則開裂明顯。

(2)3種工藝制備的TA7鈦合金成品板材的強(qiáng)度差別不大，其中，A、B工藝制備的板材組織均勻性較差，C工藝為換向工藝，由于其明顯改善了板材的加工織構(gòu)，因而表現(xiàn)出優(yōu)良的組織均勻性及塑性。

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Effect of Process on Appearance,Mechanical Properties and Microstructure of TA7 Titanium Alloy Sheet

Xing Qiuli,Wang Ruining,Zhu Xiaocui,Li Hui,Zhou Yuchuan,Xie Yingjie,Wang Ruiqin

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

TA7 titanium alloy can be used for manufacturing welded components with moderate strength,such as the skin of aircraft,welding ring of jet engine and so on.But it is difficult to process TA7 titanium alloy sheet,for the limits of low forming plasticity,easily cracked and low qualified.So the effect of three different processing technologies on appearance,microstructure and mechanical properties of TA7 titanium alloy sheet was studied in this paper.The results show that nonhomogeneous microstructure with fine grains are found in TA7 titanium alloy sheet which rolled in single direction and low temperature of the first hot rolled,while the homogeneous microstructure with fine grains are found in TA7 titanium alloy sheet which with cross rolling at the same rolling temperature,so the sheet prepared by this process has the best comprehesive performance.In addition,the nonhomogeneous microstructure and fewer cracks are found in the TA7 titanium alloy sheet which the first hot rolled at high temperature.Besides,the mechanical properties of TA7 titanium alloy sheet prepared by the three processes do not appear to be much different.

TA7 titanium alloy; sheet; process; mechanical properties; microstructure

2015-03-17

邢秋麗(1968—)，女，高級(jí)工程師。