冷連軋對TC16鈦合金絲材組織性能的影響

羅錦華，孫小平，楊 輝，侯峰起，李海濤，賴運(yùn)金

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 特種鈦合金材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018)(2.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽，110035)

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冷連軋對TC16鈦合金絲材組織性能的影響

羅錦華1，孫小平1，楊 輝1，侯峰起1，李海濤2，賴運(yùn)金1

(1.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 特種鈦合金材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018)(2.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽，110035)

羅錦華

冷軋加工不僅可以實(shí)現(xiàn)小規(guī)格絲材尺寸的高精度控制，也可以滿足對組織和性能有特殊要求的絲材加工。通過對比分析冷連軋和熱拉拔兩種加工方式制備出的TC16鈦合金絲材的性能和組織，研究了冷連軋工藝對TC16鈦合金絲材退火態(tài)和固溶時(shí)效態(tài)性能的影響。結(jié)果表明，冷連軋獲得的TC16鈦合金絲材經(jīng)退火后的抗拉強(qiáng)度比熱拉拔加工絲材低，但是塑性較高，更有利于后續(xù)TC16鈦合金緊固件的冷鐓制成形；經(jīng)過熱處理強(qiáng)化后，冷連軋獲得的TC16鈦合金絲材強(qiáng)化效果明顯，抗拉強(qiáng)度提高和塑性降低程度更為顯著。相比熱拉拔加工，冷連軋可有效破碎縱向長條α相并儲存更多的加工畸變能，是獲得優(yōu)良退火態(tài)塑性和增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化作用的主要原因。

TC16鈦合金；冷連軋；冷鐓成形；顯微組織

1 前 言

冷軋絲材不僅表面質(zhì)量好，尺寸精度高，而且通過冷軋可以獲得更為理想的組織和性能。通過冷軋變形和熱處理的合理配合，不僅可以較容易地滿足用戶對加工質(zhì)量和綜合性能的要求，還特別有利于生產(chǎn)某些需要有特殊組織和性能的重要產(chǎn)品[1]。

TC16鈦合金含有少量的元素Al，較多的β穩(wěn)定元素(Mo, V)，β穩(wěn)定系數(shù)Kβ高達(dá)0.8，固溶時(shí)效狀態(tài)下具有高的比強(qiáng)度、塑性好，對缺口、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力集中敏感性小，是典型的固溶時(shí)效強(qiáng)化型兩相鈦合金，廣泛用于航空、航天領(lǐng)域的緊固件及結(jié)構(gòu)件[2-4]。TC16鈦合金室溫下具有良好的變形能力，退火后可以直接冷鐓成形。冷鐓成形的緊固件精度高、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、作業(yè)條件易實(shí)現(xiàn)且加工成本較低，是我國TC16鈦合金緊固件工程化生產(chǎn)的首選工藝方向。但是，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)冷鐓加工需對TC16合金絲材的退火態(tài)組織和性能進(jìn)行嚴(yán)格控制，冷鐓成形后的緊固件性能經(jīng)過固溶時(shí)效強(qiáng)化后也必須得到明顯提升，才能實(shí)現(xiàn)熱處理強(qiáng)化冷鐓TC16鈦合金緊固件的加工及應(yīng)用[5-7]。

國內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)通過熱處理工藝、相結(jié)構(gòu)和形變誘發(fā)馬氏體等方面對影響TC16鈦合金冷鐓成形的組織和性能原因進(jìn)行了全面分析[8,9]。楊洋等[10]基于Johnson-Cook本構(gòu)模型，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到了TC16合金本構(gòu)模型參量，為TC16合金冷鐓變形提供參考。張振剛等[11]對不同熱處理工藝下TC16鈦合金顯微組織的定量變化進(jìn)行了描述，合理的熱處理工藝可以使冷鐓用TC16合金的強(qiáng)化效果得到明顯提高。但是由于裝備條件的限制，國內(nèi)冷鐓用TC16鈦合金絲材制備局限于熱軋制、熱拉拔或兩者相結(jié)合的加工方式，對采用新型的冷連軋制備冷鐓用TC16鈦合金絲材的研究較少。

本文采用冷連軋方式制備出了冷鐓用TC16鈦合金絲材，通過與傳統(tǒng)熱拉拔方式制備的TC16鈦合金絲材的退火和固溶時(shí)效態(tài)性能對比分析，研究了冷連軋工藝對冷鐓用TC16鈦合金絲材組織和性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)鈦合金是由西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司軋制生產(chǎn)的直徑為?9.5 mm的盤圓絲材，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%)為：2.5～3.8 Al、4.5～5.5 Mo、4.0～5.0 V、0.10～0.30 Si、0.05～0.15 O余量為Ti。?9.5mm的坯料棒材的制備過程為：鑄錠→開坯→鍛造→精鍛→軋制。?9.5 mm棒材經(jīng)過退火扒皮獲得?8.5 mm絲材后分別進(jìn)行冷連軋和熱拉拔加工。

冷連軋加工是采用進(jìn)口的90D冷連軋機(jī)組，通過11道次冷連軋獲得橫截面形狀為12邊形的異形絲，再通過增加兩機(jī)架冷軋規(guī)圓機(jī)組，將異形絲軋至?4.0 mm的絲材；熱拉拔加工是在700 ℃下通過8道次的熱拉拔，將?8.5 mm坯料拉拔至?4.0 mm。將以上兩種方式獲得的?4.0 mm絲材分別進(jìn)行取樣，按照表1制度進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，并對樣品的組織、性能進(jìn)行對比分析。

表1 兩種加工方式下的熱處理制度

3 結(jié)果與討論

3.1 退火態(tài)組織和性能對比

對所使用的經(jīng)780 ℃/2 h，F(xiàn)C至550℃，AC退火后的?8.5 mm規(guī)格TC16鈦合金絲材坯料取樣進(jìn)行組織觀察，坯料橫向高倍組織為細(xì)小近網(wǎng)籃組織，縱向?yàn)檐堉品较虻睦L組織狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 ?8.5 mm規(guī)格TC16鈦合金絲材坯料的組織：(a)坯料橫向組織；(b)坯料縱向組織Fig.1 Microstructures of ?8.5 mm annealed TC16 alloy wire: (a) transverse microstructure and (b) longitudinal microstructure

TC16鈦合金?8.5 mm絲材坯料通過8道次熱拉拔后得到的?4.0 mm絲材經(jīng)過780 ℃/2 h，F(xiàn)C至550 ℃，AC制度退火處理后，其橫、縱向組織如圖2所示。兩相區(qū)的熱拉拔過程中雖然存在動態(tài)回復(fù)作用，但是拉拔的變形是由絲材邊部向心部逐漸過渡的方式，道次間變形量小，不能破碎坯料原始的縱向拉長α相組織，同時(shí)，拉拔過程中會導(dǎo)致部分α相沿拉拔方向被拉長，出現(xiàn)明顯的纖維組織，如圖2b所示。因此，兩相區(qū)熱拉拔后縱向軋制織構(gòu)變?yōu)槔Lα相和等軸α相共存的組織。

TC16鈦合金?8.5 mm絲材坯料通過10道次冷連軋和兩道次冷軋規(guī)圓得到的?4.0 mm規(guī)格絲材，經(jīng)過780 ℃/2 h，F(xiàn)C至550 ℃，AC制度的退火后，其橫、縱向組織如圖3所示。冷連軋加工相比熱拉拔的變形更為劇烈，在室溫下可有效破碎縱向原始的拉長α相組織，經(jīng)過退火后獲得的縱向組織中α相為等軸狀態(tài)，如圖3b所示。

圖2 熱拉拔加工獲得的?4.0 mm規(guī)格TC16鈦合金絲材退火態(tài)組織：(a)絲材橫向組織；(b)絲材縱向組織Fig.2 Microstructures for ?4.0 mm annealed TC16 alloy by hot-draw: (a) transverse microstructure and (b) longitudinal microstructure

圖3 冷連軋加工?4.0 mm TC16鈦合金絲材M態(tài)組織：(a)絲材橫向組織；(b)絲材縱向組織Fig.3 Microstructures for ?4.0 mm annealed TC16 alloy by cold tandem rolling: (a) transverse microstructure and (b) longitudinal microstructure

兩種不同的加工方式獲得的不同組織狀態(tài)的絲材經(jīng)過退火后按照GB/T 228進(jìn)行室溫拉伸性能測試，其抗拉強(qiáng)度(Rm)、屈服強(qiáng)度(Rp0.2)、延伸率(A)測試對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種加工方式獲得的?4.0 mm規(guī)格TC16絲材拉伸性能對比：(a)抗拉強(qiáng)度；(b)屈服強(qiáng)度；(c)延伸率Fig.4 Tension test of ?4.0 mm TC16 alloy with the two processing methods: (a) tensile strength；(b) yield strength；(c) ductility factor

通過對冷連軋和熱拉拔方式獲得的?4.0 mm規(guī)格TC16鈦合金絲材經(jīng)過相同退火后拉伸性能對比發(fā)現(xiàn)，冷連軋加工的TC16鈦合金絲材抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均低于熱拉拔加工，而塑性卻優(yōu)于熱拉拔絲材。

3.2 兩種加工方式的絲材冷鐓成形性能

通過對兩種方式加工的?4.0 mm規(guī)格TC16鈦合金絲材在經(jīng)過780 ℃/2 h，F(xiàn)C至550 ℃，AC相同制度退火后，按照HB 8015-2002(TC16鈦合金光桿公差帶f 9的六角頭螺栓)分別進(jìn)行?4 mm×20 mm緊固件冷鐓，最終冷鐓的緊固件如圖5所示。

圖5 兩種不同加工方式的TC16鈦合金冷鐓緊固件實(shí)物圖：(a)冷連軋加工的冷鐓樣品；(b)熱拉拔加工的冷鐓樣品Fig.5 Cold-upseting fastener samples of TC16 alloy with the two processing methods: (a) fastener samples of ?4.0 mm wire by cold tandem rolling and (b) fastener samples of ?4.0 mm wire by Hot-draw

通過冷連軋加工獲得的橫、縱向均為等軸α相組織的? 4.0 mm TC16鈦合金絲材，具有低強(qiáng)度、高塑性性能，使得在冷鐓過程中變形良好，冷鐓的緊固件表面無裂紋、拉傷等缺陷，如圖5a所示；通過熱拉拔加工獲得的橫向?yàn)榈容Sα相、縱向?yàn)殚L條α相的?4.0 mm TC16鈦合金絲材，其強(qiáng)度高、塑性性能低，使得在冷鐓過程中緊固件端頭存在開裂現(xiàn)象，同時(shí)桿部存在拉傷現(xiàn)象，如圖5b所示。

緊固件的冷鐓過程是鐓粗和擠壓共同作用下的復(fù)合成形方式，冷鐓能否順利實(shí)現(xiàn)不但要求材料具有一定的室溫塑性，同時(shí)對材料的縱向組織形態(tài)也有一定的要求[12-14]。縱向拉長的組織形態(tài)在冷鐓變形過程中的變形協(xié)調(diào)程度要差于縱向網(wǎng)籃組織和縱向等軸組織，因此對于冷鐓用TC16鈦合金絲棒材而言，縱向的拉長組織更易在冷鐓成形過程中產(chǎn)生開裂，而細(xì)小的等軸組織和網(wǎng)籃組織有利于冷鐓成形[15,16]。

3.3 固溶時(shí)效態(tài)的組織和性能對比

對兩種加工方式獲得TC16鈦合金絲材取樣，按照800 ℃/2 h，WQ+560 ℃/8 h，AC制度同時(shí)進(jìn)行固溶時(shí)效處理后，最后分別進(jìn)行橫、縱向金相組織的觀察，如圖6所示。

熱拉拔加工的絲材經(jīng)固溶時(shí)效后橫、縱向組織保留了退火態(tài)的組織形態(tài)，其橫向?yàn)榈容Sα相，縱向?yàn)槔Lα相和等軸α相共存的組織，但整體α相含量相比于冷連軋加工獲得的絲材組織較少。冷連軋加工的絲材經(jīng)固溶時(shí)效后的橫、縱向組織均為等軸的α相。

對經(jīng)過固溶時(shí)效處理的兩種加工方式的絲材進(jìn)行拉伸性能測試，其測試對比結(jié)果如圖7所示。

熱拉拔和冷連軋加工的TC16鈦合金絲材經(jīng)過固溶時(shí)效處理后絲材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均有明顯提升，塑性有所降低。但冷連軋加工的TC16鈦合金絲材經(jīng)過固溶時(shí)效處理后強(qiáng)化效果更為明顯，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均比熱拉拔加工的絲材性能高。

相比于熱拉拔加工，冷連軋加工制備的TC16合金絲材經(jīng)過普通退火后具有較低的抗拉和屈服強(qiáng)度的同時(shí)其優(yōu)越的塑性為實(shí)現(xiàn)TC16合金緊固件冷鐓加工提供良好基礎(chǔ)。冷連軋加工制備的TC16合金絲材經(jīng)過固溶時(shí)效后具有高的抗拉和屈服強(qiáng)度的同時(shí)其較高的剪切性能可以提高冷鐓加工后的緊固件使用性能。因此，冷連軋的加工方式對實(shí)現(xiàn)退火態(tài)可冷成形、固溶時(shí)效態(tài)可強(qiáng)化的鈦合金絲材具有良好的加工意義。

4 結(jié) 論

(1)熱拉拔加工的?4.0 mm規(guī)格TC16鈦合金絲材縱向組織為等軸和長條α相的混合組織；冷連軋加工可以有效破碎原始縱向組織，獲得橫、縱向均為等軸的α相的合金絲材。

圖7 兩種加工方式的?4.0 mm TC16鈦合金絲材拉伸及剪切性能對比：(a)抗拉強(qiáng)度對比；(b)屈服強(qiáng)度對比；(c)延伸率對比；(d)剪切強(qiáng)度對比Fig.7 Tension and shear test of ?4.0 mm TC16 alloy with the two processing methods: (a) tensile strength comparative；(b) yield strength comparative；(c) ductility factor comparative； (d) shear strength comparative

(2)冷連軋加工的?4.0 mm規(guī)格TC16鈦合金絲材，具有與熱拉拔加工的絲材相比較低的強(qiáng)度、較高的塑性，在冷鐓過程中變形良好，冷鐓的緊固件表面無裂紋、拉傷等缺陷。

(3)冷連軋加工的TC16鈦合金絲材經(jīng)過固溶時(shí)效處理后其強(qiáng)化效果比熱拉拔加工的絲材更為明顯，表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均比熱拉拔加工的絲材性能高。

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(編輯 蓋少飛)

Effects of Cold Tandem Rolling on Microstructures and Mechanical Properties of TC16 Titanium Alloy Wire for Fastener Use

LUO Jinhua1, SUN Xiaoping1, YANG Hui1, HOU Fengqi1, LI Haitao2, LAI Yunjin1

(1.NLEL for Special Titanium Alloy Material Manufacturing, Western Superconducting Technologies Co ., Ltd, Xi’an 710018, China)(2.AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang 110035, China)

TC16 Alloy wire which has high-precision dimension controlling and meets the special requirement of microstructures and mechanical properties was obtained by cold rolling. In this paper, the effects of cold tandem rolling on M and STA mechanical of TC16 alloy wire were investigated through comparative study of TC16 alloy wire prepared by cold tandem rolling and hot-draw. The results show that the M state tensile and yield strength of TC16 alloy wire obtained by cold tandem were lower, while the ductility was higher, and this benefits the subsequent cold heading formability. The result of solid solution for TC16 Alloy wire prepared by cold tandem rolling was evidenced, the tensile strength has been increased and the ductility has been reduced more drastically. Because the cold tandem rolling can break down elongated phaseαof vertical microstructure and store more machining deformation, it makes significant contributions to ductility by annealed and solution strengthening by thermal treatment.

TC16 titanium alloy； cold tandem rolling； cold heading forming; microstructures

2017-04-18

國家國際科技合作專項(xiàng)(2013DFB50180)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃(2016KTCQ01-81)

羅錦華，男，1964年生，碩士，高級工程師，Email: Luojinhua@c-wst.com

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.04.09

TG146.2+3

A

1674-3962(2017)04-0307-05