不同Q值冷轧对TA18钛合金管材织构及力学性能的影响

洪　权，戚运莲，赵　彬，杜　宇

(西北有色金属研究院,陕西　西安　710016)



不同Q值冷轧对TA18钛合金管材织构及力学性能的影响

洪权，戚运莲，赵彬，杜宇

(西北有色金属研究院,陕西西安710016)

研究不同Q值冷轧工艺对高强TA18钛合金管材织构及力学性能的影响。测试比较了两种工艺获得的管材的拉伸性能、CSR值和(0002)面极图、ODF截图。结果表明，冷轧加工TA18钛合金管材的Q>1时，管材径向压力占优势，会形成晶向[0002]与管材径向平行的织构，以径向织构为主的管材综合性能较好，可满足AMS标准要求；当冷轧加工TA18钛合金管材的Q<1时，切向压力占优势，会形成晶向[0002]与管材切向平行的织构，以切向织构为主的管材塑性较差，无法满足AMS标准要求。

TA18钛合金；管材；冷轧加工；收缩应变比；织构

0　引　言

高强TA18钛合金的名义成分为Ti-3Al-2.5V，其管材主要应用于航空管路系统，如液压、燃油、空调等的导管，被誉为飞机的血管[1-3]。由于TA18钛合金管材的用途十分重要，因此该产品的相关标准要求非常严格。不但要求管材的强度在862～979 MPa(与中强管材相比提高25%)范围内，而且对其延伸率、压扁、扩口、收缩应变比(CSR)等工艺塑性指标也提出了全面的要求。为保证高强TA18钛合金管材具备优良的力学性能，不仅要严格控制管材从熔炼到加工、热处理的全过程，而且要明确各工艺参数对管材性能的影响规律，精准的制定工艺参数。管材冷轧加工工艺参数决定了其组织形态、织构特征等，是影响管材力学性能的主要因素[4-7]。本研究探讨了Q值不同的冷轧加工工艺对高强TA18钛合金管材织构特征及力学性能的影响规律，为优化工艺制度提供依据。

1　实　验

实验选用真空自耗电弧炉3次重熔制备的TA18钛合金铸锭，其规格为φ160 mm，化学成分如表1所示。铸锭在β相区进行开坯锻造，然后在α+β相区轧制成φ30 mm棒材，并机加成管坯进行冷轧加工实验。冷轧加工在LD15三辊管材轧机上进行，按照轧制工艺参数Q值的不同，分为A工艺(Q>1)和B工艺(Q<1)。A工艺加工过程为φ16 mm×1.5 mm管坯经两个轧程加工至φ12 mm×0.9 mm管材；B工艺加工过程为φ16 mm×1.1 mm管坯，经两个轧程加工至φ12 mm×0.9 mm管材。

表1　TA18钛合金铸锭的化学成分(w/%)

采用真空退火炉对TA18钛合金管材进行中间热处理(650 ℃×1 h/FC)和成品热处理(400 ℃×30 min/FC)。热处理后，采用Axio Vert A1显微镜观察显微组织，采用598X材料试验机测试力学性能和CSR值。此外，为测试管材的织构，根据文献[7]介绍的方法，采用化学减薄法将管材壁厚减薄至0.05 mm左右，减薄酸液配比为V(H2O)∶V(HNO3)∶V(HF)=6∶3∶1。剪开展平后制成管材织构测试样品，在D8 Advanced X射线衍射仪上完成测试。

2　结果与分析

2.1管材力学性能

表2列出了经不同Q值轧制工艺加工的TA18钛合金管材的力学性能测试结果。其中，CSR是表征管材各向异性的重要指标。

表2　TA18钛合金管材的力学性能

由表2可以看出，A工艺轧制的管材各项性能较好，能够满足AMS 4946标准要求。而B工艺轧制的管材则不能完全满足标准要求，主要是塑性指标偏低，尤其是CSR与AMS 4946标准要求差距较大。

2.2管材的组织及织构特征

采用A、B两种轧制工艺获得的TA18钛合金管材的组织相似，图1给出A工艺轧制的管材横向及纵向的组织形貌。由于是不完全退火处理(400 ℃×30 min/FC)的，因此管材仍保持加工态变形组织，未发生再结晶。

图1　工艺A轧制的TA18钛合金管材不同方向的组织形貌Fig.1　OM microstructures of TA18 titanium alloy tube rolled by process A in T direction and L direction

图2、3分别为A、B两种轧制工艺获得的φ12 mm管材的(0002)极图。图2中AD表示管材的轴向，TD表示管材的切向。从图2中可以看出，A工艺管材(0002)面极图存在两个明显的密度极值点，其织构强度等级达到3.5。图3显示，B工艺管材(0002)面极图也存在两个明显的密度极值点，其织构强度等级为4.86。可见，A、B两种工艺获得的管材织构具有不同的特征。

图2　A工艺管材的(0002)极图Fig.2　Pole figure (0002) of the process A tube

图3　B工艺管材的(0002)极图Fig.3　Pole figure (0002) of the process B tube

用ODF(取向分布函数)能够更清楚地反映管材两种工艺下晶体的取向特征。图4、5分别为A、B工艺管材在φ2=0°时的ODF截图，图中用等高线标出了所对应织构强度的等级。从图中可以看出，A工艺管材密度极值点强度达到4.38，主织构的尤拉角参数为(0，25，0)，织构的(0002)面接近平行于管材径向；而B工艺管材密度极值点强度达到8.06，主织构的尤拉角参数为(0，85，0)，织构的(0002)面接近垂直于管材径向。两者呈现出明显不同的晶粒取向特征。

图4　A工艺管材的ODF截图Fig.4　ODF section figure of process A tube

造成上述两种管材织构特征不同的原因是Q值的大小会影响管材在冷轧过程中的变形方式，因而形成不同的织构[5]。当Q>1时管材径向压力占优势，会形成晶向[0002]与管材径向平行的织构；而当Q<1时管材切向压力占优势，会形成晶向[0002]与管材切向平行的织构。若Q=1，径向和切向的压力相当，此时织构类型为晶向[0002]在径向和切向平面内随机分布。在多道次冷轧加工过程中，开始以减壁厚为主，则会形成径向织构；开始以减径为主，则会形成切向织构。在实验过程中，A工艺管材以减壁加工变形为主，因而形成径向织构类型，其管材综合性能较好；而B工艺管材以减径加工变形为主，因而形成切向(周向)织构类型，其管材塑性明显低于A工艺管材。

图5　B工艺管材的ODF截图Fig.5　ODF section figure of process B tube

3　结　论

(1)当冷轧加工TA18钛合金管材的Q>1时，管材径向压力占优势，会形成晶向[0002]与管材径向平行的织构，以径向织构为主的管材，拉伸性能和CSR值满足AMS标准要求，综合性能较好。

(2)当冷轧加工TA18钛合金管材的Q<1时，管材切向压力占优势，会形成晶向[0002]与管材切向平行的织构。以切向织构为主的管材塑性较差，无法满足AMS标准要求。

[1]彭艳萍，曾凡昌，王俊杰，等.国外航空钛合金的发展应用及其特点分析[J].材料工程,1997(10):3-6.

[2]Clyde E F，Steven E M.Ti-3Al-2.5V Seamless Tubing Engineering Guide[M].Washington:Sandvik Special Metals Corporation,1990:5.

[3]Boyer R R.An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J].Materials Science and Engineering A,1996,213(1/2):103-114.

[4]于振涛，周廉.Ti-2Al-2.5Zr合金管、板材织构研究[J].稀有金属材料与工程,2000,29(2):86-89.

[5]Linga Murty K,Indrajit Charit.Texture development and anisotropic deformationof zircaloys[J].Progress in Nuclear Engergy，2006，48:325-359.

[6]张旺峰,王玉会,李艳,等.高强度TA18合金管材性能评价与控制方法研究[J].稀有金属材料与工程,2012,41(7):1239-1242.

[7]李兴荣,张晖,张旺峰,等.小口径TA18航空钛合金管材织构测定与分析[J].稀有金属材料与工程,2012,41(7):1243-1246.

Influence of Cold Rolling with DifferentQValues on Textures and Mechanical Properties of High Strength TA18 Titanium Alloy Tubes

Hong Quan,Qi Yunlian,Zhao Bin,Du Yu

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an,710016，China)

The influence of cold rolling process with differentQvalues on the texture and mechanical properties of high strength TA18 titanium alloy tubes were investigated. The tensile properties, CSR values, (0002) pole figures and ODF section figtures of tubes with two kinds of cold rolling processes were tested and compared. The results show that, during the colding rolling process, ifQvalue is above 1, the radial pressure is dominant, the crystal orientation [0002] is parallel to the radial direaction of tube (radial texture), and ifQvalue is under 1,the tangential pressure is dominant, the crystal orientation [0002] is parallel to the tangential direction of tube (circumference texture). The comprehensive performance of the tubes with the radial texture is better,which can meet the requirements of AMS standard.The ductility of the tubes with the circumference texture is poor,which can not meet the requirements of AMS standard.

TA18 titanium alloy; tube; cold rolling process; contractile strain ratio; texture

2015-08-18

陕西省重点科技创新团队计划“钛合金研发创新团队”(2012KCT-23)

洪权(1968—)，男，教授级高工。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)02-0016-04