冷轧过程中Q值对Gr.9钛合金管材组织及力学性能的影响

杨碧芸，雷 杨，陈 肖，赵文婷

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

Gr.9钛合金，也称Ti-3Al-2.5V型钛合金，是一种近α型钛合金[1]，具有抗裂纹扩展能力好、比强度高、密度小、疲劳强度好的优势，与TC钛合金相比，Gr.9钛合金的冷成形性能和焊接能力更优，因此被广泛的应用于航空领域[1，2]。Gr.9钛合金常用于加工管材、箔材、带材等，可用于飞机蜂窝制作等方面。

随着我国航空航天工业的快速发展，对性能更加优越的Gr.9钛合金的需求量逐渐增多，但是Gr.9钛合金管材在生产过程中仍然存在较多的技术难题，无法满足现阶段航空工业对Gr.9钛合金管材质量的基本要求[3]。基于此，本文以Gr.9钛合金管材为研究对象，分析冷轧过程中Q值（相对减壁量与相对减径量的比值）对Gr.9钛合金管材组织及力学性能的影响。

1 试验材料及过程

本次试验所采用的试验材料包括φ600mm的Gr.9钛合金、AlV55中间合金、0级海绵钛。

试验开始前将Gr.9钛合金锻造成棒材后钻孔，经过热挤压、酸洗等处理制作成φ55mm×9mm的管坯；再将φ55mm×9mm的管坯经过轧制、内外表面处理、退火处理等制作成φ16.4mm×2mm的中间管坯，以此作为试验原材料进行不同Q值的试验。试验过程中采用以下5种不同的管材：①冷轧工艺为φ16.4mm×2mm→φ14mm×1.8mm→φ12mm×1.6mm，此时Q值为0.75；②冷轧工艺为φ16.4mm×2mm→φ14mm×1.8mm→φ12mm×1.4 mm，Q值为1.12；③冷轧工艺为φ16.4mm×2mm→φ14 mm×1.4mm→φ12mm×1.0mm，Q值为1.86；④冷轧工艺为φ16.4mm×2mm→φ14mm×1.2mm→φ12mm×0.8mm，Q值为2.24；⑤冷轧工艺为φ16.4mm×2mm→φ1 4mm×0.9mm→φ13mm×0.7mm，此时Q值为3.14。对上述5种不同的轧制方案进行700℃×60min真空热退火处理，分析不同Q值对Gr.9钛合金管材组织及力学性能的影响。

2 试验结果及分析

2.1 冷轧过程中不同Q值对管材组织的影响

通过5种不同管材的冷轧试验表明，在不同的Q值（相对减壁量与相对减径量的比值）条件下，Gr.9钛合金管材的显微组织均发生明显的变形，均为变形的纤维状组织，在冷轧过程中α晶粒明显拉长，使得α晶粒的晶界变得模糊，总体上晶粒拉长的方向趋于一致，且β相呈点状分布在α相中[2]。

当Gr.9钛合金管材壁厚变形量相对径向变形量较小是，即Q值较小时，Gr.9钛合金管材的显微组织变形量较小，α晶粒虽然有拉长现象，但是拉长变形程度不均匀；当Q值从0.75逐渐增大时，Gr.9钛合金管材的显微组织变形量也随之增大，使得钛合金中金属流动更加强烈，导致，α晶粒变形拉长程度更加明显，且拉长变形程度逐渐向均匀化转变；当Q值持续增大时，Q值为3.14时变形量与Q值为2.24时的变形量基本一致，但是α晶粒的变形量持续增大，主要与Gr.9钛合金管材壁厚变形量持续增加有关。从上述实验结果可以得出，Gr.9钛合金管材在冷轧过程中的变形量不能完全反应钛合金中金属流动特征以及晶粒变形规律，还与Q值具有较为密切的关系，总体上具有“Q值越大，金属流动性越强烈，晶粒变形拉长程度越明显，晶粒纤维化和取向趋势越明显”的变化规律。

2.2 冷轧过程中不同Q值对管材力学性能的影响

管材的拉伸性能是反映管材力学性能的一个重要方面，对综合评估Gr.9钛合金管材的整体力学性能至关重要。因此，本文进行了不同Q值条件对Gr.9钛合金管材拉伸性能的影响。根据不同Q值条件下冷轧试验结果显示，不同的Q值对Gr.9钛合金管材的拉伸性能影响极为明显。当Q值小于1.12时，Gr.9钛合金管材的拉伸强度随着Q值的逐渐增加而增大，但是管材的拉伸延伸率却随着Q值的增加而逐渐降低，即在冷轧过程中Gr.9钛合金管材产生了一定程度的加工硬化。当Q值介于1.12和2.24之间时，Gr.9钛合金管材的拉伸强度和拉伸延伸率均随着Q值的增加而增加，但是Gr.9钛合金管材的屈服强度却随Q值增大而降低；当Q值为2.24时，Gr.9钛合金管材的延伸率和拉伸强度最大，此时屈服强度最小，Gr.9钛合金管材的强度、塑性匹配最好。当Q值从2.24持续增加至3.14时，管材的拉升强度明显较低，拉伸延伸率幅度也明显下降，此时Gr.9钛合金管材的拉伸性能明显恶化。从实验结果可以得出，在同样的中间管坯（φ16.4mm×2mm）条件下，Q值对管材的拉伸性能影响极为明显，最佳的Q值为2.24左右，综合考虑管材延伸率变化呈二次曲线分布规律，在Q值为1.86和2.62左右时管材的延伸率均较高，因此综合认为Q值为1.86～2.62时Gr.9钛合金管材冷轧效果较好。

3 结语

综上所述，Gr.9钛合金管材具有抗裂纹扩展能力好、比强度高、密度小、疲劳强度好、冷成形性能和焊接能力更优的优势逐渐应用于航空领域，促进了我国航空工业的快速发展。针对我国Gr.9钛合金管材总体性能无法满足航空工业需求的基本现状，本文以不同Q值条件进行了Gr.9钛合金管材的冷轧试验，进而总结了Q值对Gr.9钛合金管材显微组织和力学性能的影响，为进一步改进Gr.9钛合金管材冷轧工艺提供参考。