TC16鈦合金板材冷軋工藝及組織性能研究

劉志強(qiáng)，張青來，韓偉東，柏秋生

(1.江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)(2.寶雞市博信金屬材料有限公司, 陜西 寶雞 721013)

鈦合金緊固件在飛機(jī)上使用不僅可以達(dá)到減重、耐腐蝕的目的，而且是鈦合金構(gòu)件與碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件連接的最佳連接件[1,2]。TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)鈦合金屬于α+β兩相合金，通過熱軋或熱拉拔加工成棒材和絲材，大量用于制備航空緊固件[3-5]。退火態(tài)TC16鈦合金棒材或絲材具有良好的冷加工塑性，其室溫冷鐓比達(dá)到1∶4，冷鐓后可直接使用或固溶時(shí)效后使用[6-8]。張青來等[9-11]對(duì)TC16鈦合金熔煉工藝、鍛造、熱軋、熱處理規(guī)范以及組織性能和冷鐓成形等方面進(jìn)行了大量的前期實(shí)驗(yàn)研究，所研制的TC16熱軋棒材經(jīng)退火處理后具有優(yōu)異的室溫成形性能，如斷面收縮率達(dá)到64%，冷鐓變形量達(dá)到80%。冷變形對(duì)材料力學(xué)性能具有明顯的影響，如冷變形量的增加致使BT-14和近α型TC2鈦合金板材抗拉強(qiáng)度和硬度得以提高[12,13]。經(jīng)檢索，國(guó)內(nèi)關(guān)于α+β兩相TC16鈦合金的研究主要集中在其棒材和絲材的加工方面，鮮有關(guān)于其冷軋板材軋制的報(bào)道。

以TC16鈦合金熱軋棒材為研究對(duì)象，通過冷軋實(shí)驗(yàn)研究TC16鈦合金冷軋成形性能，分析冷軋板材的組織與力學(xué)性能，為今后TC16鈦合金板材冷軋工藝開發(fā)提供必要的技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用真空自耗電極熔化爐3次重熔制備直徑為210 mm的TC16鈦合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。鑄錠在β相區(qū)開坯，開始和結(jié)束溫度分別控制在1150和800 ℃左右，之后熱鍛和軋制成直徑為7.72 mm的棒材。為了提高TC16鈦合金棒材的冷鐓性能，根據(jù)前期的研究結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)TC16鈦合金棒材進(jìn)行退火處理：將熱軋棒材加熱至780 ℃，保溫2 h后，隨爐冷卻至500 ℃時(shí)空冷。利用磨床去除熱處理棒材表面氧化層。經(jīng)拉伸和冷頂鍛試驗(yàn)，退火態(tài)TC16鈦合金棒材性能如表2所示。

表1 TC16鈦合金化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC16 titanium alloy

表2 TC16鈦合金棒材拉伸性能和冷鐓性能Table 2 Tensile properties and cold upset of TC16 titanium alloy bars

采用兩輥軋機(jī)對(duì)直徑為7.72 mm的退火態(tài)TC16合金棒材進(jìn)行縱向多道次冷軋板材試制試驗(yàn)，以觀察合金冷軋成形性能和冷軋變形量對(duì)其組織與性能的影響。

從冷軋板材上截取試樣。金相試樣經(jīng)過鑲嵌、粗磨、精磨和拋光，采用Kroll試劑(HF、HNO3和H2O按體積比1∶2∶50混合)腐蝕。利用LEICA DM2500M型正置光學(xué)顯微鏡(OM)和JEOL JSEM-7001F型高分辨掃描電鏡(SEM)觀察和分析材料的微觀組織。由于冷軋板材尺寸限制，拉伸試樣采用非標(biāo)準(zhǔn)，其尺寸(mm)如圖1所示。拉伸性能測(cè)試采用KX-WDW 3200萬能試驗(yàn)機(jī)完成。使用HVS-1000Z型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微硬度計(jì)，沿板材橫斷面取3～5個(gè)點(diǎn)測(cè)量顯微硬度，加載載荷為4.9 N，保壓時(shí)間為15 s。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

利用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相分析，采用2θ角連續(xù)掃描模式，電壓和電流分別為40 kV和200 mA，掃描速度為4°/min，掃描范圍為30°～90°。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷軋實(shí)驗(yàn)結(jié)果

退火態(tài)TC16合金的縱向多道次冷軋板材試制結(jié)果表明，當(dāng)冷變形量為73%時(shí)，僅在冷軋板材頭部出現(xiàn)微裂紋(見圖2a)，板材其他部位未見任何缺陷出現(xiàn)；冷變形量達(dá)到79%時(shí)，板材頭部裂紋向內(nèi)擴(kuò)展(見圖2b)，即冷軋變形達(dá)到極限，與前期該合金冷鐓極限變形量80%[10]結(jié)果吻合。因此，對(duì)TC16鈦合金進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚?，利用其?yōu)異的冷鐓成形性能，完全可以實(shí)施冷軋加工，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱軋工藝。

圖2 不同變形量TC16冷軋板材照片F(xiàn)ig.2 Photos of TC16 cold rolled sheets with different deformations： (a) 73%; (b) 79%

2.2 微觀組織

圖3所示為不同冷軋變形量后TC16冷軋板材SEM照片。退火后的熱軋TC16鈦合金棒材組織由細(xì)小的等軸α晶粒和β相組成，如圖3a所示。經(jīng)過冷軋后，隨著冷軋變形量的增加，α晶粒沿軋制方向逐漸被拉長(zhǎng)、破碎，最后完全變成纖維狀。當(dāng)冷軋變形量為18%時(shí)，合金內(nèi)組織變形不均勻，由原始的等軸α晶粒和彎曲交錯(cuò)狀α晶粒以及β相組成，如圖3b所示；當(dāng)冷軋變形量為39%～47%時(shí)，等軸α晶粒被拉長(zhǎng)，存有一定數(shù)量的未充分變形的α晶粒，如圖3c和3d所示；當(dāng)冷軋變形量為73%～79%時(shí)，等軸α晶粒完全被拉長(zhǎng)成纖維狀，但仍存有極少量的未充分變形的α晶粒，且組織分布均勻，如圖3e和3f所示。

圖3 不同變形量TC16冷軋板材的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM microstructures of TC16 cold rolled sheets with different deformations： (a) 0%; (b) 18%; (c) 39%; (d) 47%; (e) 73%; (f) 79%

圖4為TC16冷軋板材的金相組織。由圖4可見，冷軋板材組織為與壓縮軸線方向垂直的纖維狀組織；隨著冷軋變形量的增加，β相比例增加，特別是冷軋變形量達(dá)到73%以后，可觀察到明顯的黑色帶狀組織，這些黑色帶狀組織幾乎全部為β相。β或亞穩(wěn)β鈦合金劇烈冷軋變形后，組織中除了纖維組織和孿晶外，在高倍透射電鏡(TEM)下還可觀察到形成的高密度位錯(cuò)[14，15]。

圖4 不同變形量TC16冷軋板材的金相組織Fig.4 Optical microstructures of TC16 cold rolled sheets with different deformations： (a) 47%; (b) 73%

2.3 XRD物相分析

圖5為不同冷軋變形量TC16冷軋板材的XRD圖譜。從圖5可以看出，冷變形量為18%時(shí)，在2θ角56°附近出現(xiàn)少量的α″馬氏體相[16]；變形量大于73%時(shí)，α相和β相峰值強(qiáng)度均得到增強(qiáng)，除了56°附近出現(xiàn)少量的α″馬氏體相外，在45°附近發(fā)現(xiàn)新的α″馬氏體相峰，其峰強(qiáng)度隨著變形增加而增強(qiáng)，說明在劇烈的冷變形后產(chǎn)生了數(shù)量較多的α″馬氏體相。

圖5 不同變形量TC16冷軋板材的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of TC16 cold rolled sheets with different deformations

2.4 顯微硬度和力學(xué)性能

2.4.1 顯微硬度

為了說明冷變形對(duì)TC16鈦合金強(qiáng)化的影響，在冷軋過程中對(duì)不同冷軋變形量板材分別取樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，TC16冷軋板材顯微硬度隨冷軋變形量增大而增加，發(fā)生了冷變形強(qiáng)化，其強(qiáng)化程度取決于變形量大小[17]。當(dāng)冷變形量為39%時(shí)，維氏顯微硬度為3.07 GPa，相比原始態(tài)顯微硬度(2.96 GPa)提高了3.72%；此時(shí)應(yīng)力誘發(fā)的α″馬氏體相含量很少(見圖5)，對(duì)其硬度影響較小；之后顯微硬度快速增加，當(dāng)冷變形量為73%時(shí)，顯微硬度為3.40 GPa，增加了14.86%，合金板材獲得了明顯的冷形變強(qiáng)化。除了冷加工硬化和形成的高密度位錯(cuò)外，產(chǎn)生的數(shù)量較多的α″馬氏體相也是其影響因素之一。

圖6 不同變形量TC16冷軋板材的顯微硬度Fig.6 Microhardness of TC16 cold rolled sheets with different deformations

2.4.2 力學(xué)性能

圖7為不同變形量TC16鈦合金板材的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可觀察到，熱軋棒材經(jīng)780 ℃保溫2 h，隨爐冷卻至500 ℃空冷后，其室溫拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變的增加快速達(dá)到最大應(yīng)力(900 MPa)，之后隨應(yīng)變?cè)黾佣徛郎p小，發(fā)生明顯的縮頸，最后斷裂，延伸率和斷面收縮率分別達(dá)到16%和64%。不同變形量的冷軋板材室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)“雙屈服”現(xiàn)象(圖7中箭頭所示)，第一屈服點(diǎn)“A”是由于少量的亞穩(wěn)β相在應(yīng)力驅(qū)使下轉(zhuǎn)變成α″馬氏體，即β→α″馬氏體相變；隨著應(yīng)變的增加，生成新的α″馬氏體所需要的應(yīng)力超過了α相或β相屈服強(qiáng)度，應(yīng)力誘發(fā)相變停止，出現(xiàn)第二屈服點(diǎn)“B”。

圖7 不同變形量TC16冷軋板材的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Tensile stress-strain curves of TC16 cold rolled sheets with different deformations

隨著冷軋變形量的增加，抗拉強(qiáng)度(最大應(yīng)力)相應(yīng)增加，獲得不同程度的應(yīng)變強(qiáng)化。當(dāng)冷變形量為73%時(shí)，冷軋板材拉伸斷面收縮率為43.85%，伸長(zhǎng)率則為15.96%，抗拉強(qiáng)度為1098.7 MPa(約提高22%)。TC16冷軋板材得到明顯的加工硬化(形變強(qiáng)化)，這主要是由于劇烈的冷變形后形成的纖維結(jié)構(gòu)、高密度位錯(cuò)和應(yīng)變誘發(fā)形成的α″馬氏體相所致。

3 結(jié) 論

(1) 利用退火態(tài)TC16鈦合金優(yōu)異的冷鐓性能，對(duì)其進(jìn)行多道次冷軋?jiān)囍?，最大冷軋變形量達(dá)到79%，此時(shí)板材表面無任何缺陷，僅在板材端部出現(xiàn)裂紋。因此，α+β型TC16板材冷軋加工是可行的。

(2) 隨著冷軋變形量的增加，α晶粒沿軋制方向逐漸被拉長(zhǎng)、破碎，最后完全變成纖維狀。當(dāng)冷軋變形量大于73%時(shí)，形成分布均勻的纖維狀組織，組織中有極少量未充分變形的α晶粒，并產(chǎn)生因劇烈應(yīng)變誘導(dǎo)的α″馬氏體相。

(3) TC16冷軋板材室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)“雙屈服”現(xiàn)象，即發(fā)生β→α″馬氏體相。冷變形量為73%時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和顯微硬度分別提高了約為22%和14.86%，得到明顯的冷形變強(qiáng)化。