轧制温度对TB6钛合金棒材组织和力学性能的影响

李雪飞，黄利军，丁小明，赵志伟

(北京航空材料研究院，北京 100095)



轧制温度对TB6钛合金棒材组织和力学性能的影响

李雪飞，黄利军，丁小明，赵志伟

(北京航空材料研究院，北京 100095)

采用三辊螺旋轧机，在Tβ-40 ℃、Tβ-30 ℃ 和Tβ+160 ℃三种不同温度下对TB6钛合金棒材进行轧制，研究轧制温度对棒材组织和力学性能的影响。研究结果表明，经Tβ-40 ℃轧制后的组织为等轴组织，Tβ-30 ℃轧制后的组织为双态组织，Tβ+160 ℃轧制后的组织为网篮组织；具有等轴组织和双态组织的TB6钛合金棒材的拉伸强度相当，均高于具有网篮组织的，而等轴组织的塑性与网篮组织的相当，但低于双态组织的；综合分析知， 经Tβ-30 ℃轧制后的TB6钛合金棒材的综合力学性能最优。

轧制温度；TB6钛合金；显微组织；力学性能

0 引 言

钛合金是一种重要的新型金属结构材料，具有密度低、比强度高、耐腐蚀和焊接性能好等突出优点。近年来，航空用钛合金得到了迅速发展，例如，国内之前的二代战机钛合金用量不超过2%，而现在的三代战机钛合金用量迅速增加到15%。国外四代战机F/A-22钛合金用量已达到41%[1-2]。

Ti-1023合金是20世纪70年代美国TIMET公司开发的一种高强高韧近β型钛合金，相应的国内牌号为TB6。该合金的相转变温度为805±25 ℃，其主要特点是比强度高、断裂韧度好、锻造温度低、抗应力腐蚀能力强，经热处理后，抗拉强度可达965～1 310 MPa，断裂韧度在33～99 MPa ·m1/2范围内，并且可长期在低于300 ℃的环境中使用。

钛合金棒材有多种加工方法，生产大尺寸棒材一般选用锻造或挤压工艺，小尺寸棒材则选用轧制工艺。目前，国内有关TB6钛合金轧制棒材的研究较少，为此，选取Tβ-40 ℃、Tβ-30 ℃ 以及Tβ+160 ℃三种温度来研究轧制温度对TB6钛合金棒材组织和力学性能的影响，旨在获得强度和塑性等综合性能良好匹配的TB6钛合金棒材。

1 实 验

实验所用原材料为北京航空材料研究院钛合金研究所经真空自耗熔炼炉三次熔炼得到的650 kg TB6钛合金铸锭，其化学成分见表1。利用金相法测得相变点温度Tβ为795 ℃。铸锭经过锻造锻成φ60 mm棒坯，其组织为等轴组织，如图1所示。

表1 TB6钛合金铸锭的化学成分(w/%)

图1 TB6钛合金棒坯的显微组织Fig.1 Microstructure of TB6 titanium alloy billet

三辊螺旋轧机是一种新型、高效和大压下量的轧制设备，螺旋轧制是局部循环加载的非封闭复杂体积变形过程。利用三辊螺旋轧机在Tβ-40 ℃、Tβ-30 ℃ 以及Tβ+160 ℃三种温度下将φ60 mm棒材轧制成φ20 mm棒材，轧制后对棒材进行固溶和时效处理，热处理制度为755 ℃×2 h/WC+515 ℃×8 h/AC。利用LEICA DMI 3000M光学显微镜对热处理后的棒材进行显微组织观察，INSTRON 5887 万能材料试验机对热处理后的棒材进行室温拉伸性能测试，CamScan 3100扫描电镜对拉伸断口进行分析，对比不同轧制温度对棒材组织和力学性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 轧制温度对显微组织的影响

钛合金棒材轧制过程中显微组织的变化与变形温度有密切关系，在相变点温度之上与相变点温度之下对棒材进行轧制会得到不同类型的显微组织。图2为经不同温度轧制后TB6钛合金棒材的显微组织。

经Tβ-40 ℃轧制后棒材的显微组织与原始组织基本相同，均为等轴组织，但轧制后的显微组织中α相含量有所减少，并且经大变形量变形后等轴α相的尺寸也有所减小，如图2a所示。经Tβ-30 ℃轧制后棒材的显微组织为双态组织，由于变形温度进一步接近相变点，α相含量进一步减少，等轴α相长大，其中少量聚集长大成短棒状，尺寸比Tβ-40 ℃轧制后的大，如图2b所示。经Tβ+160 ℃轧制后棒材的显微组织为网篮组织，轧制温度在相变点之上，α相全部转变为β相，最初变形时组织为全β相，终了变形温度在相变点之下，变形后空冷形成网篮组织，如图2c所示。

图2 经不同温度轧制的TB6钛合金棒材的显微组织Fig.2 Microstructures of TB6 titanium alloy bars rolled at different temperatures

2.2 轧制温度对力学性能的影响

由成分、工艺、组织和性能四者之间的关系可知,材料的组织决定力学性能。不同轧制温度得到的TB6钛合金棒材的组织不同，因此力学性能也不相同，如表2所示。室温下，Tβ-40 ℃和Tβ-30 ℃ 轧制的棒材强度相当，高于Tβ+160 ℃轧制的棒材。轧制温度对棒材延伸率的影响不大，均在12.0%～16.5%之间。Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃轧制的棒材断面收缩率相当，但明显低于Tβ-30 ℃轧制的棒材。综上比较，Tβ-30 ℃ 轧制的棒材的力学性能更优。

表2 经不同温度轧制的TB6钛合金棒材的室温力学性能

2.3 断口形貌分析

图3为经不同温度轧制的TB6钛合金棒材的室温拉伸断口形貌，其中，图3a、d是Tβ-40 ℃轧制棒材的断口形貌，图3b、e是Tβ-30 ℃轧制棒材的断口形貌，图3c、f是Tβ+160 ℃轧制棒材的断口形貌。从图3b可以看出，经Tβ-30 ℃轧制的棒材的室温拉伸断口有明显颈缩，呈杯状，断口表面平直，局部放大图如图3e所示，可见韧窝较深，分布均匀，表现出很好的塑性断裂特征。从图3a、c可知，经Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃轧制的棒材的室温拉伸断口没有明显颈缩，断口表面高低起伏，图3d、f中的韧窝较图3e中的浅。综合分析可知，经Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃轧制的棒材塑性不如Tβ-30 ℃轧制的棒材，这与室温拉伸数据分析结果一致。

图3 经不同温度轧制的TB6钛合金棒材的室温拉伸断口形貌Fig.3 Room-temperature tensile fracture morphologies of TB6 titanium alloy bars rolled at different temperatures

3 结 论

(1)经Tβ-40 ℃轧制后的棒材组织为等轴组织，Tβ-30 ℃轧制后的组织为双态组织，Tβ+160 ℃轧制后的组织为网篮组织。

(2)经Tβ-40 ℃和Tβ-30 ℃轧制的棒材的室温拉伸强度相当，高于Tβ+160 ℃轧制棒材的拉伸强度；Tβ-40 ℃和Tβ+160 ℃轧制棒材的塑性相当，低于Tβ-30 ℃轧制棒材的塑性。综合考虑，Tβ-30 ℃轧制的TB6钛合金棒材的综合性能最为优异。

[1] 莱茵斯C，皮特尔斯 M.钛与钛合金[M].陈振华，译.北京：化学工业出版社，2005.

[2]曹春晓. 航空用钛合金的发展概况[J]. 航空科学技术,2005(4):3-6.

Effect of Rolling Temperature on Microstructure and Mechanical Properties of TB6 Titanium Alloy Bars

Li Xuefei, Huang Lijun, Ding Xiaoming, Zhao Zhiwei

(Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

In order to research the effect of rolling temperature on microstructure and mechanical properties,TB6 titanium alloy bars were rolled at three different temperatures thatTβ-40 ℃,Tβ-30 ℃ andTβ+160 ℃ by three roll mill. The results show that the microstructure of TB6 titanium alloy bar is equiaxed microstructure rolling atTβ-40 ℃, duplex microstructure rolling atTβ-30 ℃, and basketweave microstructure rolling atTβ+160 ℃. The tensile strength of TB6 titanium alloy bar with equiaxed microstructure is equal to duplex microstructure, higher than basketweave microstructure. The ductility of equiaxed microstructure is equal to basketweave microstructure, lower than duplex microstructure. In summary, the comprehensive mechanical properties of TB6 titanium alloy bar rolled atTβ-30 ℃ are the best.

rolling temperature; TB6 titanium alloy; microstructure; mechanical properties

TG335.6+2

A

1009-9964(2016)05-0030-03

2016-05-31

李雪飞(1989—)，男，工程师。