TB5鈦合金薄板微觀組織與彎曲性能關(guān)系研究*

孫永娜，柳長(zhǎng)旭，吳國(guó)清

（1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院系統(tǒng)工程研究中心， 北京 101304；2.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

鈦合金零件由于輕質(zhì)、互換性好、表面粗糙度小、成本低等優(yōu)勢(shì)，在飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上占有相當(dāng)?shù)谋戎?，并且呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)集成度愈來(lái)愈高、結(jié)構(gòu)愈來(lái)愈復(fù)雜的發(fā)展趨勢(shì)，在減輕飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)重量，改善和提高性能等方面發(fā)揮著日益重要的作用[1-2]。板材成形中，材料本身的微觀組織和這些微觀組織在變形過程中的變化則更本質(zhì)地決定了材料的成形性能[3-4]。TB5鈦合金板材適用于帶材冷軋生產(chǎn)并具有優(yōu)良的冷成形性能，可在室溫下成形中等復(fù)雜的板材零件[5-7]，然而TB5鈦合金板材的定形性不好，成形后的回彈很大程度限制了其應(yīng)用。零件的最后回彈形狀是其整個(gè)成形過程的累積效應(yīng)，回彈也是彎曲工藝質(zhì)量的常見問題，因而回彈控制也是彎曲工藝中的技術(shù)難點(diǎn)。

回彈實(shí)質(zhì)上是一個(gè)彈性卸載過程，由于彎曲件形狀的復(fù)雜性，可能伴有局部加載過程，因而板料彎曲成形的回彈問題非常復(fù)雜。在實(shí)際生產(chǎn)中要根據(jù)產(chǎn)品批量大小，彎曲件精度要求，模具設(shè)計(jì)制造條件來(lái)選擇相應(yīng)的方法，以便保證質(zhì)量，提高產(chǎn)品精度[8-10]。

以探求TB5鈦合金板材性能和微觀組織的關(guān)系為目標(biāo)，對(duì)彎曲變形中TB5鈦合金板材微觀和性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過定量分析變形過程中晶粒的形狀大小與位向的變化等微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，深入觀察和分析TB5鈦合金板材的變形行為，探討其微結(jié)構(gòu)和性能的演變規(guī)律和兩者間的關(guān)系。

試驗(yàn)材料與方法

1 試驗(yàn)材料

以902廠提供的TB5鈦合金板材為研究對(duì)象，板材厚度為1.0mm、1.5mm、2.0mm。板材化學(xué)成分見表1。圖1給出了TB5鈦合金板材3個(gè)方向的微觀組織。

表1 試驗(yàn)用TB5合金的主要化學(xué)成分%

圖1 1.5mm TB5鈦合金板材3個(gè)方向截面的微觀組織Fig.1 Microstructure of 3 directions of 1.5mm TB5 sheet metal

圖2 TB5鈦合金板材彎曲試驗(yàn)示意圖Fig.2 Sketch of TB5 sheet bending test

圖3 TB5鈦合金板材微觀組織隨彎曲角度的變化情況（彎曲半徑為5mm）Fig.3 Differences of TB5 sheet microstructure along the bending angle(bending radius is 5mm)

2 板材彎曲試驗(yàn)

按 照 GB/T15825.5—1995《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法彎曲試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，在TE電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同厚度板材彎曲試驗(yàn)（見圖2）。凸模速度為 6～8mm/min，彎曲角度為180°。試樣寬度為（50±0.5）mm、長(zhǎng) 度 為（75±1.0）mm，選取平行于軋制方向（L）和垂直于軋制方向（LT）兩個(gè)方向制備試樣，獲得最小彎曲半徑、最小相對(duì)彎曲半徑等指標(biāo)。選取平行于軋制方向的板材試樣，按照彎曲半徑范圍0.5～8mm，彎曲角度范圍60～120°，獲取彎曲回彈角數(shù)據(jù)。

3 顯微組織觀察和分析試驗(yàn)

采用OLYMPUS公司的BX51M光學(xué)金相顯微鏡下對(duì)TB5鈦合金的組織進(jìn)行觀察。金相試樣經(jīng)拋光后，采用Kroll腐蝕液（成分為96%H2O＋3%HNO3＋1%HF），對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為20s。觀察時(shí)，從板材形變最劇烈處，開始向邊緣依次觀察。

以像素為基本單位可以獲得每個(gè)β晶粒所代表圖形的幾何信息，例如β晶粒的平均面積、晶粒橫縱比等。

結(jié)果與討論

1 彎曲變形對(duì)板材微觀組織的影響

圖3給出了1.5mm板厚的彎曲試樣在彎曲半徑為5mm時(shí)的微觀組織隨彎曲角度的變化情況。圖4給出了1.5mm板厚的彎曲試樣在彎曲角度為60°時(shí)的微觀組織隨彎曲半徑的變化情況。TB5鈦合金板材在彎曲變形后，其微觀組織的外側(cè)部分被拉長(zhǎng)，而其內(nèi)側(cè)部分被壓縮。

本文以彎曲半徑為5mm的TB5鈦合金彎曲試驗(yàn)為例，由圖5可以看出板材中心變形處微觀組織的晶粒面積隨著彎曲角度的增加而近線性增大（圖5 （a）），從687μ m2增大到999μ m2，其增大幅度約為 45%。當(dāng)TB5鈦合金板材彎曲角度為60°時(shí)，板材中心變形處微觀組織橫縱比隨著彎曲半徑的增大而增大（圖5（b）），從0.77增大到0.86，其增大幅度約為12%。彎曲角度對(duì)TB5鈦合金板材中心變形處組織晶粒面積影響大于彎曲半徑對(duì)板材組織橫縱比的影響。

TB5鈦合金板材塑性變形越劇烈，冷硬作用越強(qiáng)；板材的塑性愈大，冷硬現(xiàn)象就愈嚴(yán)重。TB5鈦合金板材在固定彎曲半徑的情況下，板材中心變形處顯微硬度隨著板材彎曲角度的增加而呈近線性增大（圖6），其擬合后的線性關(guān)系式為：

圖4 TB5鈦合金板材微觀組織隨彎曲半徑的變化情況（彎曲角度為60°）Fig.4 Differences of TB5 sheet microstructure along the bending radius（bending angle is 60°)

圖5 TB5鈦合金板材彎曲試樣中心變形處微觀組織與彎曲半徑、彎曲角度的關(guān)系Fig.5 Relation of microstructure at the TB5 deformation specimen center and bending radius, bending angle

式中，x為彎曲角度，y為中心變形處硬度。當(dāng)彎曲角度從60°到120°，其硬度從259HV增大到266HV，增大幅度為2.7%。

TB5鈦合金板材在固定彎曲角度的情況下，板材中心變形處硬度隨著彎曲半徑的增大總體上呈近線性下降趨勢(shì)（圖7），其擬合后的線性關(guān)系式為：

式中，x為彎曲半徑，y為中心變形處硬度。當(dāng)彎曲半徑從0.5mm增大到8mm，其硬度從265HV減小到257HV，其變化幅度為3%。可見，板材彎曲半徑和彎曲角度對(duì)板材中心變形處硬度的影響基本相同。

2 板材組織與彎曲成形特性的關(guān)系

為了進(jìn)一步探討不同彎曲角度、彎曲半徑TB5鈦合金板材中心變形處微觀組織與其冷成形性能之間的關(guān)系，故將兩者之間結(jié)合起來(lái)進(jìn)行探討分析。當(dāng)彎曲半徑為5mm時(shí)，板材彎曲回彈角隨著板材彎曲角度的增加而增大，見圖8（a），從14.1°增大到27.6°，其變化幅度為96%，而板材中心變形處微觀組織晶粒面積也隨著板材彎曲角度的增大而增大，從687μ m2增大到 999μ m2，其變化幅度為 45%，可見板材彎曲回彈角和中心變形處晶粒面積成正相關(guān)，且彎曲角度對(duì)彎曲回彈角的影響大于對(duì)中心變形處晶粒面積。同時(shí)，板材中心變形處硬度隨著板材彎曲角度的增加而增大，見圖8（b），從 258.9HV 增大到266HV，其變化幅度為3%，而板材中心變形處微觀組織晶粒面積也隨著板材彎曲角度的增加而增大，從687μ m2增大到 999μ m2，其變化幅度為45%，可見板材中心變形處硬度和晶粒面積成正相關(guān)，且彎曲角度對(duì)硬度的影響小于對(duì)微觀組織晶粒面積。

當(dāng)彎曲角度為60°時(shí)，板材彎曲回彈角隨著板材彎曲角度的增加而增大，見圖9（a），從 9.1°增大到14.1°，其變化幅度為55%，而板材中心變形處微觀組織晶粒橫縱比隨著板材彎曲角度的增加而增大，從0.77增大到0.86，其變化幅度為12%，可見板材彎曲回彈角和中心變形處晶粒面積成正相關(guān)，且彎曲角度對(duì)彎曲回彈角的影響大于對(duì)中心變形處晶粒橫縱比。同時(shí)，板材中心變形處硬度隨著板材彎曲角度的增加而減小，見圖9（b），從 264.7HV 減小到261.3HV，其變化幅度為1%，而板材中心變形處微觀組織晶粒橫縱比卻隨著板材彎曲角度的增加而增大，從0.77增大到0.86，其變化幅度為12%，可見板材中心變形處硬度和晶粒面積成負(fù)相關(guān)，且彎曲角度對(duì)板材中心變形處硬度的影響小于對(duì)微觀組織晶粒橫縱比。

圖6 彎曲角度對(duì)TB5鈦合金板材中心變形處硬度影響（彎曲半徑為5mm）Fig.6 Effect of TB5 bending angle on deformation center hardness （bending radius is 5mm）

圖7 彎曲半徑對(duì)TB5鈦合金板材中心變形處硬度影響（彎曲角度為60°）Fig.7 Effect of TB5 bending radius on deformation center hardness （bending angle is 60°）

圖8 不同彎曲角度TB5鈦合金板材冷成形性能與其中心變形處晶粒面積的關(guān)系Fig.8 Relationship between cooling forming property and grain size of central deformation of TB5 with different bending angles

圖9 不同彎曲半徑TB5鈦合金板材冷成形性能與其中心變形處晶粒橫縱比的關(guān)系Fig.9 Relationship between cooling forming property and horizontal-vertical ration of central deformation of TB5 with different bending radius

結(jié)論

（1）彎曲角度對(duì)TB5鈦合金板材中心變形處組織晶粒面積影響大于彎曲半徑對(duì)板材組織橫縱比的影響。板材彎曲半徑和彎曲角度對(duì)板材中心變形處硬度的影響基本相同。

（2）隨著板材彎曲角度的增大或彎曲半徑的減小，板材彎曲回彈角與中心變形處晶粒面積、晶粒橫縱比正相關(guān)；板材中心變形處硬度和中心變形處晶粒面積正相關(guān)，與中心變形處晶粒橫縱比負(fù)相關(guān)。

參 考 文 獻(xiàn)

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