TA6钛合金板材换向轧制工艺研究

黄先明，王瑞琴，谢文龙，朱晓翠，张嫦娟，李 辉

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)



TA6钛合金板材换向轧制工艺研究

黄先明，王瑞琴，谢文龙，朱晓翠，张嫦娟，李 辉

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

通过设计两种换向轧制工艺，采用2 800 mm四辊可逆热轧机成功制备了满足GJB 2505A—2008标准要求的3.5 mm厚TA6钛合金薄板，并研究了轧制工艺对TA6钛合金板材显微组织和力学性能的影响。研究结果表明：采用这两种不同轧制工艺轧制TA6钛合金板材，当总变形量为72%时，板材内部均为混乱的魏氏组织，且组织均匀性差，纵横向抗拉强度差值大于50 MPa；随着变形量增大，组织不断细化，强度不断提高，当变形量达到89%以上时，与B工艺相比，采用A工艺得到的板材组织均匀性更好，且纵横向抗拉强度差值小于20 MPa。采用A工艺制备的TA6钛合金板材退火后为细小均匀的再结晶组织，且力学性能满足GJB 2505A—2008标准要求。

TA6钛合金；板材；轧制变形率；显微组织；力学性能

0 引 言

TA6钛合金是一种α型钛合金，名义成分为Ti-5Al，该合金具有良好的焊接性、耐蚀性，有较高的蠕变强度，可热状态下变形，当承受轴向负荷时，对切口没有敏感性，切削性能尚好，可用于加工成在400 ℃以下工作的零件及焊接件[1-2]。虽然TA6钛合金具有上述优点，但工艺可塑性较低。在工业生产中，具体表现为加工塑性差，即加工过程中易开裂，且热加工窗口狭窄，对加工温度特别敏感，加工难度大。目前，国内外只有宝钛集团有限公司、俄罗斯上萨尔达冶金生产联合公司等少数厂家可生产该合金板材，但是未见相关生产工艺的报道。本研究采用两种换向轧制工艺制备TA6钛合金板材，研究轧制工艺对合金板材组织和性能的影响规律，探索满足GJB 2505A—2008《航空用钛及钛合金板材和带材规范》要求的TA6钛合金板材的加工工艺，旨在为西部钛业有限责任公司(以下简称西部钛业)批量生产TA6钛合金板材提供工艺指导。

1 实 验

实验材料为质量3 t的φ640 mm TA6钛合金铸锭，其化学成分见表1。

表1 TA6钛合金铸锭的化学成分(w/%)

经2 500 t快锻机开坯拔长锻造成规格为180 mm×1 000 mm×3 700 mm(厚度×宽度×长度)的板坯，沿长度方向一分为三，每块板坯长度为1 200 mm。锻造板坯的显微组织如图1所示。

图1 TA6钛合金锻造板坯的显微组织Fig.1 Microstructures of TA6 titanium alloy forging slab

由图1可见，晶粒沿板坯长度方向明显拉长。参考西部钛业其它难变形α型钛合金的轧制工艺，先用辊底式电加热炉将板坯加热，加热温度为1 080～1 100 ℃，然后在2 800 mm四辊可逆热轧机上进行四火次轧制，累积变形量分别为72%、89%、95%及98%，具体轧制工艺如下。

2 结果与讨论

2.1 轧制变形对显微组织的影响

两种轧制工艺下，每火次轧制后TA6钛合金板材的显微组织如图2所示。

图2 TA6钛合金板材加工态的显微组织Fig.2 Microstructures of TA6 titanium alloy sheets under hot working state

由图2可以看出，随着总变形量的增加，板材组织发生了显著变化，且组织随变形量的变化规律与其它α钛合金相似[3-6]。变形量为72%的板材保留了大量的锻态组织，主要为粗大混乱的魏氏组织；当变形量增大至89%时，板材组织已明显细化，晶粒取向性变得明显，呈现典型的纤维组织形貌；当变形量为95%时，板材粗大的组织被进一步破碎，晶粒非常细小，分辨不出明显的晶界；当变形量为98%时，α晶粒愈加被拉长或破碎成链状排列，组织破碎最为充分，晶粒最细小。由图2f、h还可以看出，采用B工艺得到的变形量为89%的板材内部组织仍然不均匀，存在残留的长条组织，且组织遗传性较强，当变形量达到98%时，局部组织不均匀的现象仍然存在。而采用A工艺时，当变形量达到89%以上，得到的TA6钛合金板材的组织细小且均匀。

2.2 轧制变形对力学性能的影响

TA6钛合金板坯经一火次轧制后，得到的板材的室温力学性能如表2所示。从表2可以看出，两种工艺条件下得到的板材的纵横向性能差异均较大，抗拉强度相差达到50MPa以上，结合板材的组织形貌可知，由于火次变形量较小，板坯的魏氏组织未得到充分破碎，组织均匀性差，因此造成纵横向的力学性能差异大。同A工艺相比，B工艺一火次轧制没有换向，加工硬化更为明显，故板材的强度比A工艺得到的板材的强度高。

表2 一火次轧制后TA6钛合金板材加工态的室温力学性能

板材经过二火次轧制后，厚度为20mm，总变形量达到89%，室温力学性能如表3所示。二火次两种工艺下的板材均经过了换向轧制，强度和延伸率明显提高，纵横向抗拉强度全部稳定达到830MPa以上，并且差值小于20MPa，变形均匀性得到明显改善。对照板材的微观组织也能明显看出，魏氏组织已经完全消失，组织较一火次轧制后均相对均匀。

表3 二火次轧制后TA6钛合金板材加工态的室温力学性能

板材经过三火次轧制后，总变形量达到95%，其室温力学性能如表4所示。从表中可以看出，板材的强度进一步提高，尤其是A工艺得到的板材的纵横向抗拉强度全部达到900MPa以上，且差值小于20MPa，而采用B工艺得到的板材，纵横向抗拉强度差值接近100MPa。

表4 三火次轧制后TA6钛合金板材加工态的室温力学性能

板材经过四火次轧制后，累积变形量达到98%，其室温力学性能如表5所示。

表5 四火次轧制后TA6钛合金板材加工态的室温力学性能

从表中可以看出，经本火次轧制后，A工艺得到的板材的强度没有提高反而略有下降，抗拉强度下降至880～900MPa之间，但是纵横向差值仍然较小。主要原因是随着板材变薄，本次热加工过程中板材发生的动态回复抵消了加工硬化的影响，造成板材强度有所下降。而B工艺得到的板材纵横向强度与三火次轧制得到的板材强度基本相当，纵横向抗拉强度差值依旧较大，达到50MPa，这是因为B工艺轧制过程中较A工艺少了一次换向，内部组织的均匀性不如A工艺得到的板材。

2.3 成品板材的组织及力学性能

由于A工艺得到的加工态板材内部组织均匀性更好、纵横向性能差异更小，考虑到后续成品退火对组织均匀性的改善有限，因此实际生产过程中优先采用A工艺制备TA6钛合金板材。A工艺得到的3.5mm厚TA6钛合金板材经780 ℃×60min退火后的显微组织如图3所示，板材内部为细小均匀的再结晶组织，且纵横向无明显差别。

图3 A工艺轧制的TA6钛合金板材退火态的显微组织Fig.3 Microstructures of TA6 titanium alloy sheet rolled by process A after annealing

表6为采用A工艺轧制的TA6钛合金板材退火后的室温力学性能。由表6可以看出，退火后其室温力学性能优于GJB2505A—2008标准要求，且抗拉强度富余量达到50MPa以上，纵横向性能差异很小。

表6 A工艺轧制的TA6钛合金板材退火态的室温力学性能

3 结 论

(1)两种轧制方式下的TA6钛合金板材，随着变形量增大，纤维组织被逐渐拉长、细化，板材强度不断提高，当变形量达到95%时，板材抗拉强度达到峰值900MPa左右，之后随着变形量增加，板材强度开始下降。

(2)当变形量达到89%以上时，与B工艺相比，采用A工艺轧制的板材的组织均匀性更好，且纵横向抗拉强度差值小于20MPa。

(3)采用A工艺得到的3.5mm厚TA6钛合金板材，经780 ℃×60min退火后，板材内部组织细小均匀，且力学性能完全满足GJB2505A—2008标准要求。

[1]稀有金属材料加工手册编写组. 稀有金属材料加工手册[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1985: 56-58.

[2]王瑞琴, 陈均伟, 邓家彬, 等. 退火温度对TA6合金板材组织和性能的影响[J]. 金属热处理, 2015, 40(6): 142-144.

[3]余永宁. 金属学原理[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2003: 436-437.

[4]邢秋丽, 王蕊宁, 朱晓翠, 等. 制备工艺对TA7钛合金板材外观、力学性能和组织的影响[J]. 钛工业进展, 2015, 32(3): 26-29.

[5]王瑞琴, 黄先明, 付文杰, 等.TA1钛板材的组织和性能改进[J]. 金属热处理, 2014, 39(8): 88-91.

[6]王怀柳. 改善TA1板材硬度的工业生产研究[J]. 钛工业进展, 2012, 29(1): 32-34.

Study on Alternative Rolling Process of TA6 Titanium Alloy Sheet

Huang Xianming, Wang Ruiqin, Xie Wenlong, Zhu Xiaocui, Zhang Changjuan, Li Hui

(Western Titanium Technologies Co. ,Ltd. , Xi’an 710201, China)

TA6 titanium alloy sheets with thickness of 3.5 mm had been produced by the 2.8-meter high reversible hot mill, the effects of alternative rolling process on microstructure and mechanical properties of TA6 titanium alloy sheets were studied in this paper.The results indicate that under 72% deformation the microstructure is the disorderd widmanstatten structure,and the tensile strength difference between transverse and longitudinal is more than 50 MPa; with the increasing ofdeformation,the structure is refined and the strength is improved,while the total deformation is up to 89% or more,the process A is better for the uniformity of the sheet compare to process B, the tensile strength difference between transverse and longitudinal is less than 20 MPa.The annealed recrystallizationmicrostructure of TA6 titanium alloy sheet is tiny and uniform prepared by the process A, andmechanical properties can meet the requirement of GJB 2505A—2008.

TA6 titanium alloy; sheet; rolling deformation ratio; microstructure; mechanical properties

2016-08-09

陕西省重大科技创新专项资金项目(2015ZKC05-03)

黄先明(1982—)，男，工程师。

TG335.5+5

A

1009-9964(2016)05-0021-04