鈦合金板材制備技術(shù)的現(xiàn)狀及展望（上）
——薄板制備技術(shù)*

張智鑫，樊江昆，李瑞鋒，唐 斌，王 儉，李金山

（1. 西北工業(yè)大學(xué)重慶科創(chuàng)中心，重慶 401120；2. 重慶三航新材料技術(shù)研究院有限公司，重慶 401120；3. 寶鈦集團(tuán)有限公司，寶雞 721014）

鈦及鈦合金板、帶、箔材在鈦加工材的生產(chǎn)和應(yīng)用上均占有重要地位[1]。根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[2]，2021 年度中國(guó)鈦加工材的總產(chǎn)量為135941 t，其中鈦及鈦合金板、帶、箔材的產(chǎn)量為70130 t，占鈦加工材總產(chǎn)量的51.6%。鈦板材是指通過(guò)平面軋制[3]獲得厚度≥0.3 mm的片狀產(chǎn)品[4]，鈦帶材是指通過(guò)平面軋制獲得厚度為0.1～ 4.76 mm 的卷狀產(chǎn)品[4–5]，鈦箔材是指通過(guò)冷軋和退火多次循環(huán)得到厚度< 0.25 mm 的片狀產(chǎn)品[6]，以上3 種產(chǎn)品可以統(tǒng)稱為鈦平面軋制產(chǎn)品。鈦板、帶、箔材主要應(yīng)用于化工、航空航天航海和醫(yī)療3 大板塊[2，7–8]。其中，純鈦帶材主要用于化工行業(yè)，純鈦板材用于航空航天航海和醫(yī)療領(lǐng)域，合金板材、箔材主要用于航空航天航海領(lǐng)域。

根據(jù)化學(xué)成分、產(chǎn)品規(guī)格和使用需求的不同，鈦及鈦合金板材的制備技術(shù)有較大區(qū)別。在軋制成形工藝上，鈦板材根據(jù)厚度不同可以分為厚板 （厚度>4.76 mm）和薄板 （厚度≤4.76 mm）[9]，通常厚板通過(guò)熱軋到成品尺寸，薄板則可以選擇性地通過(guò)單片熱軋隨后冷軋到成品尺寸[10]，或者包套疊軋到成品尺寸。厚板的軋制過(guò)程可以通過(guò)控制軋制溫度、軋制方向和變形量調(diào)控組織與性能[11–12]。合金薄板的制備過(guò)程采用兩片疊軋和包套軋制[13]工藝可以提高變形量和軋制效率。此外，采用包套軋制工藝可以制備變形抗力較大和裂紋敏感性較高的合金薄板[14]。在軋制裝備上，國(guó)內(nèi)外主流的板材熱軋?jiān)O(shè)備為兩輥、三輥、四輥、八輥熱軋機(jī)，熱軋機(jī)寬度在1200 ～ 4060 mm；主流的板材冷軋?jiān)O(shè)備為四輥、八輥可逆式冷軋機(jī)，冷軋機(jī)寬度在1200 ～ 1780 mm。國(guó)內(nèi)外主流的帶材熱軋?jiān)O(shè)備為多機(jī)架熱連軋機(jī)組，冷軋?jiān)O(shè)備為二十輥Sendzimir 冷軋機(jī)。達(dá)到成品尺寸的板材經(jīng)熱處理、板型處理和表面處理后則完成產(chǎn)品制備。

隨著全球工業(yè)用鈦需求量的增加[15]，以及鈦材在航空、航天、海洋、船舶領(lǐng)域的推廣[16–18]，鈦板材類產(chǎn)品的產(chǎn)量與性能需求不斷提升，促進(jìn)了板材類新產(chǎn)品的開發(fā)和鈦板、帶、箔材制備技術(shù)發(fā)展。首先，以高溫鈦合金為例，自20 世紀(jì)50 年代發(fā)展至今，鈦合金板材產(chǎn)品的服役溫度逐漸由300 ℃提升到650 ℃，使用部位也逐漸由飛機(jī)蒙皮表面升級(jí)到關(guān)鍵核心承力部件，如圖1 所示。1950 —1960 年設(shè)計(jì)了OT4 – 1（TC1）、OT4（TC2）、Ti–6Al–4V（TC4）、BT6 等在200 ～ 400 ℃使用的鈦合金，其薄板類產(chǎn)品大量應(yīng)用于飛機(jī)薄壁鈑金零件[19]，Ti–6Al–4V 合金厚板和薄板也被應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)寬弦空心風(fēng)扇葉片制造[20–21]。1960 —1970 年設(shè)計(jì)了BT20（TA15）、Ti6242、Ti6246（TC19）等在400 ～ 500 ℃使用的鈦合金，BT20（TA15）合金厚板產(chǎn)品通過(guò)機(jī)械加工應(yīng)用于大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制備[22–24]，而其薄板也廣泛用于超塑成形帶筋結(jié)構(gòu)件[25–26]。Ti6242 合金板材、鍛件應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中低溫壓氣機(jī)盤、葉片和葉輪，服役溫度可達(dá)500 ℃[27–28]。1970 —1990 年設(shè)計(jì)了Ti6242S（TA19）、IMI834、Ti1100等在520 ～ 600 ℃使用的鈦合金[29–30]，IMI834 合金厚板、鍛件應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫壓氣機(jī)機(jī)盤、葉片和葉輪，服役溫度可達(dá)550 ℃[31–32]。Ti1100 合金板材用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形燃燒室筒體和高壓壓氣機(jī)葉片和盤件，服役溫度可達(dá)600 ℃[33–34]。1990年至今國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)了Ti55（TA32）、Ti60（TA33）、Ti65 等在550～650 ℃使用的鈦合金[35–37]，Ti55（TA32）合金厚度板材、鍛件用于國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室筒體和巡航導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)研制，服役溫度可達(dá)550 ℃[38]。Ti60（TA33）合金厚板用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤、鼓筒等高溫部件，服役溫度可達(dá)600℃[39]。Ti65 合金薄板用于超音速飛機(jī)蜂窩結(jié)構(gòu)和壁板，服役溫度可達(dá)650 ℃[40]。此外，高強(qiáng)高韌鈦合金板材類產(chǎn)品也被廣泛應(yīng)用于航空和海洋工程 （圖1），Ti15333（TB5）合金薄板抗拉強(qiáng)度和延伸率可達(dá)1375 MPa 和5%[41]，成形后應(yīng)用于大型運(yùn)輸機(jī)管路和冷成形鈑金零件[42–43]。Ti5553 合金強(qiáng)度可達(dá)1517 MPa[44]，用于飛機(jī)起落架。Ti62A 合金板材強(qiáng)度和斷裂韌性可達(dá)1134 MPa 和72.79 MPa·m1/2[45]，這種高強(qiáng)高韌損傷容限型鈦合金板材應(yīng)用于深海載人潛水器[46–47]。最后，船用鈦合金板材類產(chǎn)品的應(yīng)用也呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)。以TA5、Ti70（TA23）、Ti75（TA24）和Ti80（TA31）為代表的船用鈦合金在船體上應(yīng)用的加工材類型主要為板材，包括桅桿[48]、導(dǎo)流罩[49]、耐壓氣瓶[50]和殼體[16]等結(jié)構(gòu)部件，如圖1 所示。整體而言，鈦合金板材類產(chǎn)品應(yīng)用十分廣泛，除了以上列舉的航空、航天、海洋、船舶領(lǐng)域，在兵器、裝甲[51–52]、化工[53]、醫(yī)療器械[54]、汽車[55]等行業(yè)均應(yīng)用廣泛。鈦合金板材制備技術(shù)則根據(jù)不同的使用需求，在外觀、顯微組織和性能上有不同的控制方法和技術(shù)要點(diǎn)。

圖1 鈦合金發(fā)展及其板材應(yīng)用Fig.1 Titanium alloy development and the application of titanium alloy plate

1 鈦合金板材制備技術(shù)概況

鈦合金板材制備是一個(gè)通過(guò)冶金和物理方法得到滿足目標(biāo)需求幾何外形和力學(xué)性能板材的過(guò)程。板材幾何外形控制是基本的制備要求，包括厚度、寬度、長(zhǎng)度、翹曲度、表面質(zhì)量等。板材的力學(xué)性能取決于合金元素的添加和熱機(jī)械過(guò)程 （軋制、熱處理），通過(guò)合金化和熱機(jī)械過(guò)程調(diào)控組織形貌、第二相類型、相比例和織構(gòu)類型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)性能的定量調(diào)控。

根據(jù)鈦合金板材的厚度、β 相穩(wěn)定系數(shù)Kβ和熱變形特性，其軋制工藝可以分為單相區(qū)熱軋、兩相區(qū)熱軋、冷軋及三者的組合工藝，配合相應(yīng)的熱處理工藝可制備不同厚度和多種組織狀態(tài)的板材 （圖2）。在厚度控制上，厚板制備過(guò)程通常是在相變點(diǎn)附近軋制，通過(guò)1 ～ 3 個(gè)火次直接熱軋至成品厚度；薄板制備過(guò)程通常采用熱軋至中間厚度，冷軋到成品厚度，再結(jié)晶退火后達(dá)到交貨狀態(tài)；難變形高合金化薄板通常采用包套疊軋 （熱軋）至成品厚度。在組織控制上，通過(guò)對(duì)軋制火次、軋制溫度、變形量、熱處理溫度等工藝參數(shù)調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)組織形貌的控制，如圖2 所示。組織形貌決定了板材的力學(xué)性能，通常認(rèn)為全片層組織[56]具有良好的韌性、較高的蠕變強(qiáng)度和較低的裂紋擴(kuò)展速率，雙態(tài)組織[57]具有較高的疲勞壽命和良好的強(qiáng)塑性匹配，等軸組織[58]具有較高的抗拉強(qiáng)度、良好的塑性和優(yōu)異的超塑性。

圖2 鈦合金分類與板材制備工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of titanium alloy classification and its plate preparation process

2 鈦合金薄板制備技術(shù)現(xiàn)狀及問(wèn)題

受熱軋機(jī)厚度控制精度和軋制力的限制，鈦合金薄板的成品加工過(guò)程通常采用冷軋和包套疊軋制備技術(shù)。

2.1 冷軋鈦合金薄板

由于常溫下近α 鈦合金和α + β兩相鈦合金主要為α 相，而β 和近β 鈦合金主要為β 相，相種類和相結(jié)構(gòu)不同使不同鈦合金的塑性加工能力和板材成形方式不同。圖3 為鈦合金板材冷軋加工硬化曲線，可知不同類型鈦合金的冷軋加工能力有較大差異，整體上隨著合金化程度的提高，板材抗拉強(qiáng)度 （Rm）越高，延伸率 （A5）越低加工硬化過(guò)程越明顯。純鈦和β 合金的塑性成形能力有顯著優(yōu)勢(shì)，冷軋變形量可達(dá)80%左右。受合金化的影響，TA5 近α 合金和TC6 兩相合金冷成形能力較差，極限變形量分別為26.5%和31.0%，超過(guò)極限變形量后板材表面和邊部開始形成微裂紋。通過(guò)冷軋制備鈦合金薄板主要分為兩個(gè)步驟：第1 步熱軋至中間厚度；第2 步冷軋加工板材至成品厚度。冷軋制備的鈦合金板材，其表面質(zhì)量、板材不平度、厚度精度等可以得到良好控制，因此冷軋制備技術(shù)在鈦及鈦合金薄板制備過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。

圖3 鈦合金板材冷軋加工硬化曲線Fig.3 Cold rolling hardening curves of titanium alloy sheet

2.1.1 α 鈦合金及α + β 兩相鈦合金

圖4為α 鈦合金和α + β 兩相鈦合金通過(guò)冷軋制備技術(shù)加工薄板的工藝流程和組織演變情況。通常α 鈦合金和α + β 兩相鈦合金冷軋薄板加工工藝如圖4（a）所示，此工藝在TA10、TA18、TC1、TC2、TC4 等[59–61]鈦合金薄板制備過(guò)程中均有應(yīng)用。鈦合金鍛坯經(jīng)過(guò)單相區(qū)Ⅱ軋制，可以降低變形抗力，充分破碎鍛坯的粗晶組織，并且提高軋制效率。Ⅲ均一化過(guò)程為加熱至單相區(qū)然后快速冷卻，主要是均勻化變形組織并且弱化形變織構(gòu)，控制冷卻速率可以實(shí)現(xiàn)對(duì)α片層尺寸的控制（冷卻越快越細(xì)?。┖途Ы绂?析出量的控制 （冷卻越快越不易析出）。Ⅳ兩相區(qū)熱軋至中間厚度 （一般是熱軋極限厚度），然后通過(guò)中間退火獲得充分軟化的再結(jié)晶等軸組織，為冷軋?zhí)峁┙M織和性能條件。需要說(shuō)明的是，隨著熱軋機(jī)組精度的提高，僅通過(guò)Ⅳ熱軋過(guò)程也可制備出較薄板材。α 鈦合金、α + β 兩相鈦合金經(jīng)過(guò)Ⅴ中間退火后，室溫下主要為α 相。Ⅵ冷軋變形過(guò)程主要是α 相的變形過(guò)程，此過(guò)程主要通過(guò)控制板材的道次變形量和火次變形量，最終獲得目標(biāo)尺寸和性能的板材。不同鈦合金板材的最優(yōu)冷軋變形量是不同的，可通過(guò)繪制冷軋加工硬化曲線獲得（圖3），一般最優(yōu)冷軋變形量為極限變形量 （表面出現(xiàn)微裂紋時(shí)的變形量）的60% ～ 80%，如TC4 合金優(yōu)化的冷軋火次變形量為26.3%[62]，TC6 合金優(yōu)化的冷軋火次變形量為25% ～ 27%[63]。合理的冷軋變形量既有利于冷軋高效加工，又可在成品退火后得到均勻的再結(jié)晶組織。

圖4 鈦合金冷軋薄板的加工工藝和組織演變Fig.4 Processing technology and microstructure evolution of cold rolling titanium alloy sheet

α 鈦合金和α + β 兩相鈦合金在室溫下主要由α 相構(gòu)成 （體積分?jǐn)?shù)> 90%），因此這兩類合金板材冷軋變形過(guò)程有相似的變形特征，如TA1 與TC4 板材，室溫變形主要表現(xiàn)為α 晶粒的滑移變形和轉(zhuǎn)動(dòng)，晶粒拉長(zhǎng)、破碎，形成冷軋變形組織。圖4（b）～（d）為典型的全α 相純鈦板材經(jīng)中間退火后冷軋過(guò)程的組織演變、位相差演變和織構(gòu)演變[64]。隨著軋制變形量由10%增加至40%，顯微組織沿軋制方向逐漸拉長(zhǎng)，球狀組織充分破碎，形成大角度晶界 （圖4（b）[64]）；小角度晶 （LAGB）界由8.4%增加至66.1%，說(shuō)明變形過(guò)程位錯(cuò)纏結(jié)塞積程度增加（圖4（c）[64]）；軋制過(guò)程板材形成雙峰基面織構(gòu)和基面織構(gòu) （圖4（d）[64]）。

對(duì)冷軋板材進(jìn)行Ⅶ再結(jié)晶退火后顯微組織演變主要包括再結(jié)晶過(guò)程和第二相的析出，形成再結(jié)晶織構(gòu)和相變織構(gòu)。以近α 鈦合金Ti65 合金（相變點(diǎn)1035 ℃）板材為例，通過(guò)對(duì)軋制狀態(tài)2.0 mm 板材控制熱處理溫度獲得等軸和雙態(tài)兩種組織狀態(tài)的板材 （圖5）。對(duì)Ti65 合金板材進(jìn)行800 ℃/30 min 和990 ℃/30 min熱處理后，軋制變形態(tài)長(zhǎng)條α 組織迅速減少，得到細(xì)小的等軸組織 （圖5（a）和（b）），隨著溫度升高，沿初生α 相αp晶界處析出次生α 相αs片層，αp晶界清晰，晶粒尺寸增加 （圖5（b））。經(jīng)兩相區(qū)高溫 （1020 ℃/30 min AC + 700 ℃/4 h AC ）熱處理后形成雙態(tài)組織 （圖5（c）），主要表現(xiàn)為αp含量不同，圖5（a）～（c）中αp體積分?jǐn)?shù)分別為90%、70%和30%，隨著熱處理溫度提高αp減少，αs增加，最終形成雙態(tài)組織。兩相區(qū)熱處理過(guò)程板材織構(gòu)種類保持不變，包括Ⅰ織構(gòu) （1-21-0）[101-0]織構(gòu)，（1-21-0）面//軋制面，[101-0]//軋向和Ⅲ織構(gòu)為 （011-3）//軋面的纖維織構(gòu)?？棙?gòu)強(qiáng)度隨著熱處理溫度逐漸演變，高溫固溶時(shí)效板材的織構(gòu)強(qiáng)度明顯增加。

圖5 Ti65 合金板材不同熱處理制度的顯微組織與織構(gòu)3D–ODF 圖Fig.5 Microstructure and 3D – ODF maps of texture of Ti65 alloy sheet with different heat treatment

2.1.2 近β 鈦合金

圖6 所示為近β 兩相鈦合金通過(guò)冷軋制備技術(shù)加工薄板的工藝流程和組織演變。通常β 鈦合金和近β 鈦合金冷軋薄板的加工工藝如圖6（a）所示，此工藝在TB5、TB6、TB8、TB15 等[64–66]鈦合金薄板制備過(guò)程中均有應(yīng)用。與α 鈦合金和α + β 兩相鈦合金冷軋薄板的加工工藝 （圖4（a））的主要區(qū)別在于熱軋過(guò)程無(wú)均一化處理和中間退火采用單相區(qū)固溶退火。近β 鈦合金相變點(diǎn)較低，兩相區(qū)軋制溫度較低，變形抗力較大，不利于板型和表面質(zhì)量控制。因此，通常熱軋過(guò)程Ⅱ選擇單相區(qū)或相變點(diǎn)附近軋制，降低變形抗力，提高軋制效率。Ⅲ單相區(qū)固溶處理的主要原因在于避免低溫?zé)崽幚砝鋮s過(guò)程時(shí)效強(qiáng)化，軟化板材，為冷軋階段提供組織和性能基礎(chǔ)[67]。近β 鈦合金和β 鈦合金經(jīng)過(guò)Ⅴ固溶退火后，室溫下主要為β 相（BCC 結(jié)構(gòu)），室溫下塑性良好，因此根據(jù)制備板材的厚度情況，通過(guò)Ⅲ固溶和Ⅳ冷軋工序多次反復(fù)循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)較薄板材的制備[68]。

圖6 鈦合金冷軋薄板的加工工藝和組織演變Fig.6 Processing route and microstructure evolution of cold rolling titanium alloy sheet

β 鈦合金固溶處理后在室溫下主要由β 相構(gòu)成 （殘余少量α 相），因此這類合金板材冷軋變形過(guò)程有相似的變形特征，如TB5 合金和Ti–23Nb–0.7Ta–2Zr 合金[69]薄板，主要表現(xiàn)為β 晶粒的滑移變形，晶粒拉長(zhǎng)、破碎，形成冷軋變形組織。典型的β 鈦合金 （Ti–14.23%V–3.62%Al–3.74%Sn–2.67%Cr–0.43%Si，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不同冷軋變形量和再結(jié)晶退火后的顯微組織，如圖6（b）和（c）所示[64]，隨著變形量的增加形成大量滑移帶和應(yīng)變局部化現(xiàn)象加劇，再結(jié)晶退火后獲得均勻的等軸組織。近β 鈦合金（Ti–3.5Al–5Mo–6V–3Cr–2Sn–0.5Fe，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）軋制和退火過(guò)程的織構(gòu)演變，如圖6（e）～（h）所示[68]，冷軋和退火過(guò)程形成γ 纖維織構(gòu) （<111>晶向//軋面法向）。由于β 鈦合金優(yōu)良的冷加工性能，可以實(shí)現(xiàn)超大冷軋變形和交叉軋制，如TB8（β21S）亞穩(wěn)β 鈦合金冷軋加工變形量可達(dá)到80%以上 （圖3）。通常β 鈦合金和近β 鈦合金冷軋變形量須達(dá)到50%以上才能充分變形獲得均勻的軋制組織[70]。

2.1.3 冷軋制備技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題

冷軋鈦合金薄板受到軋制變形量、軋制方向的限制，通過(guò)冷軋制備技術(shù)加工的鈦合金薄板易出現(xiàn)以下問(wèn)題。

（1）加工效率低。以TC4 為例，從2.8 mm 冷軋至1.0 mm，根據(jù)圖2給出的TC4 最優(yōu)加工率 （20% ～ 25%）計(jì)算，需要4 個(gè)軋程，中間需要進(jìn)行3次退火和表面處理，效率低、資源浪費(fèi)大。通過(guò)熱軋疊軋技術(shù)[71]、包套疊軋技術(shù)[72]或卷帶式生產(chǎn)[73]可以提高加工效率。

（2）板材組織不均勻。HCP 結(jié)構(gòu)α 相具有12 種滑移系，少于BCC結(jié)構(gòu)β 相的48 種滑移系[74]，而室溫下α 鈦合金和α + β 鈦合金大部分為α 相，HCP 結(jié)構(gòu)限制了鈦合金塑性變形能力和加工率。導(dǎo)致板材心部區(qū)域無(wú)法充分變形，出現(xiàn)組織不均勻現(xiàn)象。圖7（a）為TC4 板材經(jīng)18.1%冷軋變形后的顯微組織，紅框中區(qū)域不充分變形，最終導(dǎo)致退火后組織粗大且不均勻，影響板材的超塑成形過(guò)程[62]。增大冷軋變形量和合理地提高熱處理溫度可以改善此類問(wèn)題。

（3）板材翹曲度問(wèn)題?，F(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)翹曲度的要求最高<1.2%（TB5 合金薄板），而通過(guò)冷軋制備技術(shù)加工的鈦合金薄板，翹曲度可達(dá)1.5% ～3%，如圖7（b）所示。翹曲度不達(dá)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)焊接焊縫不對(duì)中、冷熱成形不均勻。帶張力軋制[75]、液壓彎輥[76]、彎曲矯直[77]和蠕變退火[78]技術(shù)的應(yīng)用可以有效改善薄板的板型問(wèn)題，降低板材的翹曲度。

（4）板材易形成微區(qū)織構(gòu)。由于熱軋過(guò)程變形量和軋制溫度的不良匹配，片層α 取向球化過(guò)程形成取向近似一致的晶粒聚集區(qū)域，后續(xù)常規(guī)冷軋變形和退火過(guò)程無(wú)法徹底消除此類微觀區(qū)域，此類大尺寸、多晶粒取向一致的區(qū)域稱為微區(qū)織構(gòu)（Macro-zone，MZ）[79–80]。 圖7（c）和 （d）為35%冷軋變形后750 ℃/30 min 退火的1.0 mm 厚TC1 合金板材的顯微組織和再結(jié)晶分布圖。從圖7（c）中可以看出MZ 區(qū)呈現(xiàn)黑色條帶狀分布于顯微組織中，MZ 區(qū)內(nèi)部為小角度晶界聚集的未再結(jié)晶、細(xì)晶區(qū)域。MZ 區(qū)內(nèi)的細(xì)晶呈現(xiàn)出相似取向，如圖7（d）所示。MZ 區(qū)在外力作用下易產(chǎn)生應(yīng)力集中，會(huì)顯著降低板材的疲勞性能[81]。通過(guò)熱軋半成品板材組織優(yōu)化或增大冷軋累積變形量可以消除此類MZ 區(qū)。

2.2 包套疊軋鈦合金薄板

2.2.1 制備工藝

包套疊軋制備鈦合金薄板通常分兩步進(jìn)行[71]。第1 步是將板材換向軋制到中間厚度，大約是最終軋制厚度的3 ～ 4 倍；第2 步是將鈦板以類似三明治的方式疊放裝配在鋼套中，加熱軋制到所需的成品尺寸。換向軋制是為了使軋制板材的縱向和橫向性能均勻。

圖8 所示[82]為通過(guò)包套疊軋制備技術(shù)加工鈦合金薄板的加工工藝和組織演變。鈦合金薄板的包套疊軋制備工藝如圖8（a）所示，通常高合金化的近α 鈦合金和α + β 兩相鈦合金薄板用此方法制備，如TA15、TA32、Ti65合金[83–84，40]。包套疊軋前的加工工藝與冷軋薄板制備工藝相似，鈦合金鍛坯經(jīng)過(guò)單相區(qū)軋制Ⅱ，單相區(qū)均一化處理Ⅲ后快速冷卻，兩相區(qū)熱軋至中間厚度Ⅳ （一般是成品厚度的3 ～ 4倍），然后進(jìn)行包套疊軋Ⅴ。主要是將多層疊放的鈦板用鋼套包套 （圖8（b）），進(jìn)行整體加熱和軋制。最后進(jìn)行熱處理和表面處理得到成品板材。包套疊軋技術(shù)的關(guān)鍵控制要點(diǎn)在于軋制溫度、疊軋片數(shù)、板型和厚度均勻性。圖8（c）是用包套疊軋技術(shù)制備1.0 mm 厚TC4 板材的顯微組織，等軸組織均勻細(xì)小，平均晶粒尺寸為3.9 μm，包套疊軋工藝的火次變形量遠(yuǎn)大于單片冷軋工藝，因此更容易獲得細(xì)小均勻的顯微組織。此外，包套疊軋工藝可以實(shí)現(xiàn)多次換向軋制，有利于獲得對(duì)稱性較好的基面織構(gòu)，如圖8（d）所示，此類織構(gòu)板材力學(xué)性能各向異性較小，有利于塑性成形和深加工應(yīng)用。

圖8 鈦合金包套疊軋薄板的加工工藝和組織演變[82]Fig.8 Processing technology and microstructure evolution of pack ply-rolling titanium alloy sheet[82]

2.2.2 包套疊軋制備技術(shù)現(xiàn)存問(wèn)題

包套疊軋軋制技術(shù)的包套鋼套可以實(shí)現(xiàn)保溫軋制，對(duì)制備難變形鈦合金、冷軋加工性差的鈦合金板材，實(shí)用性很高。此外，包套疊軋軋制技術(shù)可以增加軋制厚度，實(shí)現(xiàn)熱軋可控軋制薄板；提高軋制效率，熱軋減小抗力，縮短薄板制備周期；實(shí)現(xiàn)多次換向軋制，控制板材織構(gòu)；保溫效果良好，可實(shí)現(xiàn)大變形，制備細(xì)晶板材。主要的工藝難點(diǎn)是多工序、流程復(fù)雜、過(guò)程控制難度大。

通過(guò)包套疊軋制備技術(shù)加工鈦合金薄板出現(xiàn)的主要問(wèn)題包括3 點(diǎn)，如圖9 所示。

圖9 包套疊軋鈦合金薄板的常見問(wèn)題Fig.9 Common problems of pack ply-rolling titanium alloy sheet

（1）板材殘余應(yīng)力較大。包套疊軋制備技術(shù)加工鈦合金薄板火次變形量大，且軋制后板材表面處理工序復(fù)雜，軋制和表面處理 （磨削、砂光）過(guò)程均會(huì)引入殘余應(yīng)力，致使板材殘余應(yīng)力增大。如包套疊軋制備的TC4 薄板 （2.0 mm 厚度）沿厚度方向從板材表面至心部的殘余應(yīng)力分布，如圖9（a）紅色曲線所示，板材殘余應(yīng)力較大，在–101～ –4 MPa之間。較大的板材殘余應(yīng)力不利于應(yīng)用過(guò)程薄板的冷、熱成形。通過(guò)再結(jié)晶熱處理與真空蠕變處理結(jié)合的方法可以顯著降低板材殘余應(yīng)力，處理后板材殘余應(yīng)力降低至–18～27 MPa，如圖9（a）藍(lán)色實(shí)線所示。

（2）晶界α 長(zhǎng)條組織遺傳。晶界長(zhǎng)條α 拉長(zhǎng)、扭曲或斷續(xù)的現(xiàn)象在TC4、TA32、Ti65、SP700 等包套疊軋制備的鈦合金薄板中均時(shí)有出現(xiàn)。主要是由于Ⅲ均一化過(guò)程 （圖8（a））冷速控制不當(dāng)，冷速過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致晶界α 沿原始β 晶界大量析出并粗化，如圖9（b）所示，SP700 板材的均一化組織。長(zhǎng)條晶界α 組織一旦形成，在熱軋過(guò)程很難徹底消除，即使累積變形量達(dá)到90%，也只會(huì)扭著、彎曲或斷裂，最終形成圖9（c）所示的異常組織，影響SP700 材料的超塑成形性能。通過(guò)嚴(yán)格控制Ⅲ均一化過(guò)程的冷速避免晶界α 相形成，或降低溫度增大變形量軋制均可消除鈦合金薄板的長(zhǎng)條α 異常組織。

（3）薄板力學(xué)性能各向異性問(wèn)題突出。包套疊軋制備技術(shù)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，由于軋制變形量和軋制方向設(shè)計(jì)不合理，易形成強(qiáng)橫向織構(gòu)或者雙峰基面織構(gòu)，導(dǎo)致沿板材不同方向的力學(xué)性能產(chǎn)生差異，影響板材的深加工和服役性能。這種各向異性問(wèn)題在TA32、TA15、TC4、Ti65 等合金薄板中常見，如圖9（d）[40]為強(qiáng)橫向織構(gòu)的Ti65 合金薄板沿TD 和RD方向高溫蠕變性能的位移–時(shí)間曲線，可以看出TD 方向的高溫蠕變持續(xù)時(shí)間約為RD 方向的3 倍。此外，強(qiáng)織構(gòu)作用下Ti65 合金板材沿TD和RD 方向的蠕變變形機(jī)理不同，沿TD 方向的蠕變變形受晶界滑移和擴(kuò)散控制，沿RD 方向的蠕變變形受位錯(cuò)滑移控制。通過(guò)控制軋制方向和優(yōu)化換向軋制前后變形量比可以有效地改善板材各向異性問(wèn)題。

3 結(jié)論

整體而言，鈦及鈦合金薄板的軋制制備技術(shù)在過(guò)去幾十年間形成了較為完整的體系，通過(guò)冷軋和包套疊軋制備技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鈦合金國(guó)標(biāo)牌號(hào)的大部分產(chǎn)品生產(chǎn)制備，國(guó)內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)了鈦合金薄板自給自足、自主可控。但在高品質(zhì)鈦合金薄板制備技術(shù)上進(jìn)展緩慢，高合金化板材加工效率低、高性能板材外觀精度不良和各向異性較大、宇航級(jí)板材批次穩(wěn)定性不良等問(wèn)題依舊存在。另外，鈦合金薄板自動(dòng)化制備技術(shù)發(fā)展緩慢。軋制裝備、控制方式發(fā)展緩慢，制備過(guò)程人工干預(yù)較多、自動(dòng)化程度偏低，導(dǎo)致板材產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低，人工成本高，板材組織性能的均勻性、批次穩(wěn)定性不易控制。

關(guān)于鈦合金板材制備技術(shù)的精細(xì)化控制和自動(dòng)化研究工作從未停止。未來(lái)鈦合金薄板制備過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、控軋控冷技術(shù)應(yīng)用、低成本鈦合金和高性能鈦合金薄板制備技術(shù)開發(fā)將成為鈦合金薄板加工行業(yè)的重點(diǎn)工作。