冷轧及热处理对TA16钛合金管材组织与性能的影响

张亚峰，于振涛，余 森，皇甫强，贺新杰，刘春潮，袁思波

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

冷轧及热处理对TA16钛合金管材组织与性能的影响

张亚峰，于振涛，余 森，皇甫强，贺新杰，刘春潮，袁思波

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

通过改变冷轧过程中的工艺参数，研究了加工变形量、Q值(相对减壁量和相对减径量的比值)对TC16(Ti-2Al-2.5Zr)钛合金管材拉伸力学性能的影响，同时研究了退火温度对管材拉伸力学性能及显微组织的影响。结果表明:Ti-2Al-2.5Zr合金管材具有良好的冷加工性能，当冷轧变形量在25%时可获得较佳的强塑性匹配;当轧制Q值在1.2～2.0变化时，管材强度、塑形均随Q增大而提高，可获得综合性能优异的管材。此外，研究发现随着退火温度的升高，管材强度、塑性及屈强比均呈现下降趋势。

Ti-2Al-2.5Zr管材;冷轧;热处理;组织;力学性能

1 前言

为提高飞机的整体飞行性能，满足飞机重量相对轻、寿命长、机动性能好等要求，大型客机和战斗机管路系统的工作压力将逐步提高，因此需要对已经研制的飞机管路用材料进行完善、改进，探索和研究综合性能更好的新型材料及其相关的加工技术，实现管路系统的不断升级［1］。

钛及钛合金作为一种先进的轻量化结构材料，凭借其优异的综合性能，已成为航空航天领域最具吸引力的材料之一。TA16(Ti-2Al-2.5Zr)合金是前苏联于20世纪60年代中期研制成功的一种中强、高塑的单相α钛合金，具有高的比强度、优异的抗腐蚀性能和良好的冷加工性能等优点，主要在国外航空发动机、舰船、核反应堆等领域充当连接的管路系统，并已得到广泛应用［2－9］。在我国，钛合金管材的应用研究相对薄弱，在民用飞机和军用飞机上均还未获得广泛应用，而且航空钛合金管材的研制和加工技术尚未完全成熟，因此开展Ti-2Al-2.5Zr合金管材加工的相关研究具有重要意义。

2 实验

实验选择0级海绵钛、原子能级海绵锆和铝箔为原料，经过2次真空自耗电弧炉熔炼制备成Ti-2Al-2.5Zr合金铸锭(化学成分见表1)。铸锭经过锻造、机械加工后制成挤压坯，在600 t立式挤压机上挤压成管坯，经过两辊开坯轧制，在三辊轧机上进行冷轧加工，变形量分别为20%、25%、30%、35%，得到外径为4～6 mm管材。对冷轧管材进行不同温度的真空退火处理，退火温度分别为600、650、700、750℃，保温时间1 h，以充氩气方式快速冷却。

表1 Ti-2Al-2.5Zr合金铸锭化学成分(w/%)Table 1 Chemical compositions of Ti-2Al-2.5Zr alloy ingot

用MPG3立式金相显微镜观察管材的显微组织。管材室温拉伸性能在INSTRON5985万能材料实验机上按照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》测定，管材高温拉伸性能在INSTRON5982万能材料实验机上按照GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》测定。

3 结果与讨论

3.1 冷轧加工变形量对管材力学性能的影响

分别在经过20%、25%、30%、35%4种不同变形量冷轧加工后的Ti-2Al-2.5Zr合金管材上取样进行拉伸试验，测得的加工变形量与管材力学性能的关系如图1所示。由图1可见，当变形量在20%～30%时，随变形量增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的强度增加比较明显，但延伸率呈现下降趋势。这主要是由于金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎，金属内部产生残余应力。当变形量大于30%时，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的强度反而下降，延伸率变化不明显。

图1 变形量ε对管材力学性能的影响Fig.1 Effects of ε value on the mechanical properties of the tubes

3.2 轧制Q值对管材力学性能的影响

Q值是管材轧制过程中相对减壁量和相对减径量的比值。控制Q值能改变管材织构取向，不同的织构取向对材料性能的影响不同。图2为不同轧制Q值所获得的Ti-2Al-2.5Zr合金管材的力学性能。由图2可见，Q值在0.5～1.2区间变化时，随着Q值的增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材强度降低，塑性升高。这主要是由于在此Q值范围内，形成的织构以环向织构为主，管材的工艺性能提高［10］。当Q值在1.2～2.0区间变化时，随着 Q值的增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材强度、塑性均提高。这主要是由于当在此Q值范围内，形成的织构以径向织构为主，管材的强度和塑性提高［10］。

图2 Q值对管材力学性能的影响Fig.2 Effects of Q value on the mechanical properties of the tubes

3.3 退火温度对管材金相组织及力学性能的影响

3.3.1 退火温度对管材金相组织的影响

图3为不同热处理温度下管材的金相组织。由图3可以看出:管材试样在600℃以上退火后均为等轴组织，但随着退火温度的升高，再结晶组织出现了均匀长大。

图3 经不同温度热处理后管材的金相照片Fig.3 Metallographs of Ti-2Al-2.5Zr alloy tubes heat treated under differet temperature

3.3.2 退火温度对管材力学性能的影响

经过30%变形量轧制的管材试样分别在600、650、700、750℃热处理1 h后，以充氩气的方式快速冷却。图4为退火温度对Ti-2Al-2.5Zr合金管材室温力学性能的影响曲线。结果表明:随着热处理温度的升高，管材的强度和塑性均呈现下降趋势，但从700℃开始，管材的抗拉强度变化不明显。

图4 退火温度对管材力学性能的影响Fig.4 Effects of annealing temperature on the mechanical properties of the tubes

屈强比是制定金属塑性加工工艺的重要依据之一，屈强比大，变形条件差，不易进行压力加工。图5为退火温度对Ti-2Al-2.5Zr合金管材屈强比的影响曲线。结果表明，随着退火温度的升高，管材的屈强比减小，这与管材塑性的变化规律正好一致。

图5 退火温度对管材屈强比的影响Fig.5 Effect of solution annealing temperature on the yield-tensile ratio of the tubes

4 结论

(1)Ti-2Al-2.5Zr合金管材具有较好的冷加工性能，在冷轧变形量为25%时可获得较佳的强塑性匹配。

(2)轧制Q值对Ti-2Al-2.5Zr合金管材性能具有重要的影响，当1.2＜Q≤2.0时，可获得综合性能优异的管材。

(3)随着热处理温度的升高，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的强度、屈强比和塑性均呈现下降趋势。

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Effects of Cold Rolling and Heat Treatment on Microstructure and Properties of TA16 Titanium Alloy Tubes

Zhang Yafeng，Yu Zhentao，Yu Sen，Huang Fuqiang，He Xinjie，Liu Chunchao，Yuan Sibo
(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research，Xi’an 710016，China)

The effects of process deformation and Q value on tensile mechanical properties of Ti-2Al-2.5Zr titanium alloy tubes were investigated by changing the process parameters in cold rolling process．And the effects of heat treatment temperature on microstructure and tensile property of the alloy tubes were also studied．The results show that Ti-2Al-2.5Zr titanium alloy tubes have good cold rolling properties，and have excellent tensile strength and plasticity when the process deformation is 25%．When the Q value in the range of 1.2～2.0，both the strength and elongation increase．Besides，the strength and ductility of the tubes shows a downward trend with the increasing of annealing temperature．

Ti-2Al-2.5Zr titanium alloy;tube;cold rolling;heat process;microstructure;mechanical property

2012－03－13

国家863计划资助项目(2011AA030101);国家科技支撑计划项目(2012BAI18B021);陕西省“1311 5”科技创新工程重大科技专项(2010ZDKG-96)

张亚峰(1981—)，男，工程师。