轧制工艺对BTi—6431S钛合金薄板组织和性能的影响

王新等

摘 要：采用两种轧制工艺制备了BTi-6431S钛合金2.0mm厚板材，对比研究了两种不同工艺对板材的显微组织和室温以及650°C、700°C和750°C高温力学性能的影响。结果表明，两种工艺轧制的板材，其显微组织均为两相区加工组织，组织无明显差别；成品火次轧制温度较高时，板材的室温及650°C高温抗拉强度均比成品火次轧制温度低的高约20～55MPa，延伸率则变化不大；两种不同工艺轧制的板材，其700°C和750°C的高温强度及塑性差别不明显；采用成品火次轧制温度较高的轧制工艺，可获得组织均匀、细小，且室温和高温力学性能均满足技术指标要求的板材。

关键词：BTi-6431S钛合金；轧制工艺；组织；性能

BTi-6431S钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-3Nb-3Mo-1W-0.2Si，是由宝钛集团有限公司自主研发的一种新型α+β型短时热强高温钛合金。该合金具有良好的室温强度、加工塑性和焊接性能，且在高温下显示出更高的瞬时强度以及大载荷持久和蠕变的良好匹配，与在400℃以下广泛使用的TC4钛合金相比，其高温蠕变性能、强度及使用温度进一步提高，在航空航天领域有着巨大的应用潜力，可用于制作650～700°C下短时应用的结构件[1，2]。该合金主要通过添加α稳定元素Al和β稳定元素Nb、Mo和W进行强化，以改善其工艺性能。合金的Al当量为8.9，Mo当量为4.6，属于高铝当量马氏体型两相钛合金，具有良好的热强性和可焊性，并具有较好的工艺塑性。

该合金自研制成功以来，在合金流变应力行为、超塑成型工艺及厚板研制等方面已开展了大量的研究工作[3-6]，但尚未见薄板研制相关报道。文章通过改变轧制工艺，对比研究不同工艺对板材显微组织、室温及高温力学性能的影响，进一步优化轧制工艺，为该合金板材的工业化生产提供理论和参考依据。

1 实验材料

试验用铸锭由宝鸡钛业股份有限公司研制，铸锭规格Φ518mm，單重800kg，在真空自耗电弧熔炼炉（VAR）中经2次真空熔炼而成，α+β/β转变温度为1020～1030°C。铸锭经开坯后锻成143mm×504mm×822mm的板坯，板坯在1200mm可逆式热轧机上经5火次轧至2mm×1000mm×2000mm成品板材。采用的轧制工艺如下：

工艺1：相变点以上轧制1火次，相变点以下轧制3火次，成品火次轧制温度为900～950°C；工艺2：除成品火次轧制温度为960～1000°C外，其余火次与工艺1相同。

2 实验方法

板材轧制完成后进行退火处理。在退火后的板材本体上切取横向试样，分别进行显微组织观察和室温、650°C、700°C和750°C高温力学性能测试。显微组织观察在金相显微镜（Axiovert 200mat）上进行，金相腐蚀剂采用配比为HF：HNO3：H2O=1：3：9（体积比）的侵蚀液腐蚀。室温拉伸试验按GB/T 3621-2007标准在INSTTON5885电子万能材料实验机上进行；高温拉伸试验按GB/T 4338-2006标准在WDW-3200电子万能试验机上进行。

3 结果与讨论

3.1 轧制工艺对板材显微组织的影响

图1所示为采用不同工艺轧制的板材的显微组织照片。由图可以看出，采用两种不同工艺轧制的板材，其组织均为α+β两相区加工组织，组织较细小，且等轴α相均匀分布在β转变基体上。两种不同工艺轧制的板材，其显微组织差别很小。这是因为BTi-6431S钛合金板坯经相变点以上1火次及相变点以下3火次轧制后，由于变形充分，晶粒已完全破碎。虽然成品火次轧制温度不同，但对板材显微组织影响很小。

3.2 轧制工艺对板材力学性能的影响

表1和表2所示为板材室温和高温力学性能测试结果。由表1中数据可知，两种工艺轧制的板材的室温和650°C高温力学性能均较高，其中采用工艺2轧制的板材，其室温和650°C抗拉强度均比采用工艺1轧制的板材高20～55MPa，而延伸率则变化不大。

由表2中数据可以看出，采用两种工艺轧制的板材，其700°C和750°C的高温拉伸性能较为接近，而延伸率均较高。不同轧制工艺对BTi-6431S钛合金薄板的700°C和750°C高温力学性能影响不大。

钛合金的性能是由其组织决定的，合金中初生α相主要对塑性起作用[7]。由于工艺2的成品火次轧制温度比工艺1的轧制温度高20°C，采用工艺2制备的板材，其显微组织中等轴α相的含量比采用工艺1制备的板材少，因此其室温和650°C抗拉强度显著增大，而屈服强度和延伸率变化不明显。由表1和表2中数据还可看出，采用成品火次轧制温度较高的工艺，能够获得组织均匀、细小，且室温和高温力学性能优异BTi-6431S钛合金薄板。

4 结束语

（1）采用两种不同工艺轧制的BTi-6431S钛合金2.0mm厚板材，其显微组织均为两相区加工组织，不同轧制工艺对板材显微组织的影响不明显；（2）成品火次轧制温度较高的板材，其室温和650°C高温抗拉强度均比成品火次轧制温度低的板材高20～55MPa，延伸率变化不明显；两种轧制工艺对板材700°C和750°C的高温力学性能影响不大；（3）采用成品火次轧制温度较高的轧制工艺，可获得组织均匀、细小，且室温和高温力学性能均能优异的板材。

参考文献

[1]王小翔，王韦琪，马鸿海.700°C时高温高强BTi-6431S合金的组织与力学性能[J].中国有色金属学报，2010，20（1）：792-795.

[2]杨伟，王俭，王红武，等.热加工工艺对BTi6431S钛合金厚板组织与性能的影响[J].中国有色金属学报，2010，20（S1）：104-106.

[3]陈伟，陈明和，王辉.BTi-6431S高温钛合金盒形件超塑成形工艺[J].机械工程材料，2008，32（6）：40-43.

[4]肖宁斌，陈明和，曹亚强.不同温度和应变速率下BTi-6431S新型钛合金流变应力行为[J].南京航空航天大学学报，2012，44（S）：121-123.

[5]肖宁斌.BTi-6431S钛合金板材热成形性能评价研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.1.

[6]张文婧，宋晓云，惠松骁，等.单级退火对BTi-6431S合金组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报，2013，23（6）：1530-1535.

[7]张利军，田军强，周中波，等.热处理制度对TC21钛合金锻件组织及力学性能的影响[J].中国材料进展，2009，28（9/10）：84-87.