軋制方式對(duì)TC16 鈦合金線(xiàn)材組織和性能的影響

文／孫虎代，陶海林，黃帆，張偉·寶雞鈦業(yè)股份有限公司

張永強(qiáng)，關(guān)蕾·寶鈦集團(tuán)有限公司

在相同的軋制工藝下，對(duì)比研究了縱連軋和橫列式軋制兩種不同軋制方式對(duì)TC16 合金線(xiàn)坯顯微組織、力學(xué)性能及冷鐓成形性能的影響。結(jié)果表明，縱連軋軋制得到的線(xiàn)坯為細(xì)片層+少量等軸α 組織，M 態(tài)線(xiàn)材強(qiáng)度低、塑性高，冷變形能力強(qiáng)，有利于冷鐓緊固件生產(chǎn)。試樣經(jīng)熱處理強(qiáng)化后，強(qiáng)度及塑性與橫列式軋制生產(chǎn)線(xiàn)坯相當(dāng)。

TC16 鈦合金是前蘇聯(lián)研制的一種馬氏體型α+β 兩相鈦合金，其名義成分為T(mén)i-3Al-5Mo-4.5V，β 穩(wěn)定系數(shù)為0.83。TC16 鈦合金因具有高塑性、高強(qiáng)度、良好淬透性、優(yōu)異的冷鐓成形性，抗疲勞和焊接性能好，對(duì)應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于航空航天緊固件制造。

鈦合金小規(guī)格棒線(xiàn)材以軋制生產(chǎn)為主，根據(jù)軋機(jī)形式可分為橫列式軋制和縱向連續(xù)軋制。橫列式軋機(jī)由人工將軋件喂入軋制孔型進(jìn)行往復(fù)軋制，軋件每軋制一道次頭尾交換一次，軋制速度慢，時(shí)間長(zhǎng)、軋制過(guò)程溫降快。熱連軋線(xiàn)由縱向連續(xù)排布的若干架軋機(jī)組成，坯料從第一架次軋制到成品架次，軋件從頭至尾依次通過(guò)每一架軋機(jī)，軋制速度快，軋制過(guò)程同時(shí)存在溫降與溫升，軋件質(zhì)量一致性高。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的TC16 合金鑄錠，經(jīng)鍛造、軋制等方式制備的φ51mm軋制坯料。分別在熱連軋生產(chǎn)線(xiàn)和φ250mm 橫列式軋機(jī)上采用相同的加熱溫度、軋制變形量軋制為φ8.0mm 線(xiàn)坯。軋制工藝如表1 所示。

表1 試驗(yàn)用材料生產(chǎn)工藝

在軋制的線(xiàn)坯上取樣，試樣加熱到780℃后保溫2h，爐冷熱處理后進(jìn)行M 態(tài)組織及力學(xué)性能分析；加熱到800℃后保溫2h，水淬+560℃保溫6h，空冷熱處理后，進(jìn)行STA 態(tài)性能分析。依據(jù)GB/T 5168-2020《鈦及鈦合金高低倍組織檢驗(yàn)方法》，采用金相顯微鏡、EBSD 等分析顯微組織。試樣加工為R7 標(biāo)準(zhǔn)試樣，依據(jù)GB/T 228.1-2021《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)》，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試力學(xué)性能和冷頂鍛試驗(yàn)，冷頂鍛試樣原始高徑比2:1，試樣鐓制前尺寸為φ6.0mm×12mm，按一定比例鐓制后在電子放大鏡下放大100倍觀(guān)察表面是否開(kāi)裂，未開(kāi)裂則判定為合格。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

軋制方式對(duì)顯微組織的影響

圖1 為橫列式軋制和熱連軋兩種不同方式軋制線(xiàn)坯，780℃保溫2h，爐冷熱處理后觀(guān)察高倍組織。由圖1(a)可以看出橫列式軋機(jī)生產(chǎn)的線(xiàn)材高倍組織為細(xì)小的等軸α 相組織，α 相基本呈等軸顆?；蚵晕⒗L(zhǎng)，其長(zhǎng)短軸基本一致；圖1(b)為縱連軋生產(chǎn)線(xiàn)材的橫向高倍組織，其為細(xì)小的片狀+少量等軸α相的混合組織，在β 轉(zhuǎn)變基體上分布著少量的等軸α 相，片狀α 相的長(zhǎng)度很短。

圖1 不同軋制方式對(duì)橫向顯微組織的影響

采用EBSD 分析了不同方式軋制線(xiàn)坯相比例及晶粒尺寸，結(jié)果如圖2 所示。橫列式軋制線(xiàn)材橫向組織中α 相含量約為74.6%；晶粒尺寸最大約為12μm，大部分晶粒尺寸為1 ～6μm，分布不均勻，如圖2(a)所示?？v連軋軋制線(xiàn)材橫向組織中α 相含量約為70.3%，晶粒尺寸呈正態(tài)分布規(guī)律，最大晶粒尺寸約4μm，基本集中在1 ～3μm，大小均勻一致，如圖2(b)所示。

圖2 不同方式軋制線(xiàn)材的晶粒分布及相比例

金屬材料軋制變形過(guò)程伴隨著晶粒破碎和動(dòng)態(tài)恢復(fù)過(guò)程，變形溫度和變形速度是決定材料顯微組織的主要因素。利用橫列式軋機(jī)軋制線(xiàn)材時(shí)，軋件在每一道次停留的時(shí)間相對(duì)于縱連軋長(zhǎng)很多，前道次軋制中生成的小晶粒在停留的這段時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)大、球化，β相轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟牡容Sα 相。因此，橫列式軋制后的顯微組織以等軸組織為主；軋制過(guò)程中受人為因素影響大、軋制時(shí)間長(zhǎng)、終軋溫度低，軋制后的組織不均勻，α 相含量相對(duì)較高。而縱連軋時(shí)，因軋件在每軋制道次的停留時(shí)間很短，原始β 相經(jīng)軋制變形生成的晶核來(lái)不及長(zhǎng)大與等軸化就進(jìn)入到下一道次繼續(xù)軋制變形，再結(jié)晶過(guò)程很不充分，得到的顯微組織為細(xì)小的片狀+少量等軸α 相，且組織均勻細(xì)小。

軋制方式對(duì)力學(xué)性能的影響

圖3 為橫列式軋制和縱連軋兩種不同方式軋制線(xiàn)坯，780℃保溫2h，爐冷熱處理(M 態(tài))的室溫拉伸性能。由圖可以看出，橫列式軋機(jī)軋制的線(xiàn)材M 態(tài)強(qiáng)度高于縱連軋線(xiàn)材，而塑性水平略低。顯微組織是材料性能的內(nèi)在表現(xiàn)形式，鈦合金顯微組織的形成由材料的熱加工工藝控制，在雙相鈦合金中α 相的形態(tài)會(huì)對(duì)鈦合金的力學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響。如上文所述，兩種不同軋制方式，得到不同形態(tài)的α 相，縱連軋得到的超細(xì)片狀α 相與傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)籃組織不同，片層厚度和長(zhǎng)度均很小，且片狀組織中間分布著細(xì)小等軸α 相。已有研究表明，縱連軋得到的超細(xì)片狀組織具有與等軸組織相當(dāng)甚至更好的塑性。

女?huà)z三皇之一，曾摶土造人，為拯救人類(lèi)煉五彩石，能單殺巨鱉、單殺黑龍，然后把天補(bǔ)了。

圖4 為兩種不同方式軋制的線(xiàn)坯，800℃保溫2h，水淬+560℃保溫6h，空冷熱處理(STA 態(tài))的室溫拉伸性能。相對(duì)于M 態(tài)性能，TC16 合金線(xiàn)材經(jīng)固溶+時(shí)效處理后的強(qiáng)度提升明顯，不同方式軋制線(xiàn)材的抗拉強(qiáng)度提升約30%，但塑性指標(biāo)變化不明顯。這主要是因?yàn)楣倘軙r(shí)效后合金由初生等軸α 相和析出針狀α 相的β 相組成，絲材得到彌散強(qiáng)化。不同方式軋制絲材經(jīng)STA 處理后的強(qiáng)度和塑性差別不明顯，這說(shuō)明縱連軋得到的M 態(tài)強(qiáng)度較低而塑性較高的絲材，經(jīng)相同工藝強(qiáng)化熱處理后，STA 態(tài)性能明顯提升，可滿(mǎn)足STA 態(tài)緊固件使用要求。

圖4 不同方式軋制線(xiàn)坯的STA 態(tài)性能

神農(nóng)三皇之一，三皇是有先后順序的，女?huà)z接替伏羲統(tǒng)治，后來(lái)風(fēng)姓氏族出了神農(nóng)，神農(nóng)嘗百草，教人醫(yī)療與農(nóng)耕。在女?huà)z之后成為第三任部落領(lǐng)袖。

軋制方式對(duì)工藝性能的影響

TC16 合金因具有較強(qiáng)的冷變形能力，冷頂鍛是評(píng)估金屬材料冷成形性能最簡(jiǎn)便的方法之一。兩種不同方式軋制的線(xiàn)坯，均按照1:4 鐓比進(jìn)行冷鐓試驗(yàn)，縱連軋線(xiàn)坯的冷頂鍛合格率100%，明顯高于橫列式軋制線(xiàn)坯的92%，鐓制結(jié)果如圖5(a)所示。另外，采用相同的鐓制方法測(cè)試了不同方式軋制的線(xiàn)坯可承受的最大冷頂鍛變形量，縱連軋生產(chǎn)線(xiàn)坯按照1:6 鐓制后，仍不會(huì)鐓裂，說(shuō)明其冷變形性能優(yōu)越，如圖5(b)所示。

圖5 冷頂鍛合格率及不同鐓比變形后的宏觀(guān)形貌

文獻(xiàn)研究表明，TC16 合金在應(yīng)力的作用下進(jìn)行著α 相→β 相的轉(zhuǎn)變，并隨之會(huì)形成α"相，這種斜方晶格的α"相具有不高的強(qiáng)度和良好的塑性。縱連軋得到細(xì)片層間分布的α"相能有利地促進(jìn)鐓制過(guò)程中片層的滑移變形，表現(xiàn)出更加優(yōu)越的冷鐓性能；而橫列式軋制得到的等軸組織變形時(shí)晶粒間的協(xié)調(diào)性不如細(xì)片狀好，冷鐓過(guò)程容易在試樣表面形成拉應(yīng)力，從而造成試樣表面開(kāi)裂，鐓制合格率下降。

軒轅五帝之一，五帝分東南西北中。有一說(shuō)黃帝軒轅坐鎮(zhèn)中央，東方青帝，西方白帝少昊，北方玄帝顓頊，南方赤帝炎帝。神話(huà)時(shí)代三大戰(zhàn)役，兩次都是由黃帝主導(dǎo)，并最終取得勝利。

結(jié)論

⑴相同的軋制工藝下，縱連軋軋制的TC16 合金線(xiàn)坯顯微組織為細(xì)片層+少量等軸α 相組織，而橫列式軋制得到的組織為全等軸α 相組織。

⑵相對(duì)于橫列式軋制，縱連軋生產(chǎn)的TC16 合金線(xiàn)坯M 態(tài)強(qiáng)度低，塑性高，試樣經(jīng)熱處理強(qiáng)化后兩者性能水平相當(dāng)。

⑶縱連軋生產(chǎn)能有效地提高TC16合金線(xiàn)材冷鐓性能，可用于冷鐓緊固件用TC16 合金絲材的生產(chǎn)。