制备工艺对TA7钛合金板材外观、力学性能和组织的影响

邢秋丽，王蕊宁，朱晓翠,李 辉，周玉川，谢英杰，王瑞琴

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

制备工艺对TA7钛合金板材外观、力学性能和组织的影响

邢秋丽，王蕊宁，朱晓翠,李 辉，周玉川，谢英杰，王瑞琴

(西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201)

TA7钛合金可被用于制造飞机蒙皮、喷气发动机焊接轮环等中等强度的焊接结构件，但由于存在成形塑性差、易开裂、成品率低等问题，TA7钛合金板材的加工难度较大。为此，针对TA7钛合金板材的生产工艺进行了探索性实验，对比了3种不同制备工艺对TA7钛合金板材开裂情况、显微组织及力学性能的影响。结果表明：开坯轧制在低温区域进行，一火轧制后板材表面开裂明显，成品板材晶粒细小，但组织均匀性不高；开坯轧制在相变点附近的高温区域进行，一火轧制后板材开裂程度明显改善，成品板材晶粒有所长大，但组织均匀性依旧较差；开坯轧制在低温区域进行，且后期采用换向轧制得到的板材表现出最优的综合性能。此外，3种工艺制备的TA7钛合金成品板材的室温力学性能相差不大。

TA7钛合金；板材；制备工艺；力学性能；显微组织

0 引 言

TA7钛合金含有5%Al和2.5%Sn(质量分数)，是美国20世纪50年代研制的单相α型钛合金。该合金在-257～540 ℃具有足够高的强度、抗蠕变性能以及良好的热稳定性和焊接性能，可在500 ℃长期工作，短时间工作温度可以达到800 ℃。因此，TA7钛合金可以用于制造重要的中等强度的焊接结构件，例如，飞机蒙皮、喷气发动机焊接轮环、喷管等。

20世纪60年代初，TA7钛合金就已成为美国航空用钛合金中的骨干合金，TA7、TC4、工业纯钛在航空领域中的用量占到了钛合金总用量的80%。但是，由于成形塑性差、易开裂、成品率低等原因，该合金在国内的应用较少。目前，TA7钛合金板材成品率通常只有30%左右，且质量非常不稳定，是已产业化的钛合金板材中“最难生产”的牌号。

本研究则针对TA7钛合金板材生产工艺进行了探索性实验，采用不同的工艺路线，制备3.0 mm厚的TA7钛合金板材，并对其宏观形貌、显微组织、力学性能进行了对比和评价，旨在为西部钛业有限责任公司采用2 800 mm大型轧机实际生产TA7钛合金板材制定工艺提供参考依据。

1 实 验

1.1 实验材料及设备

实验所选用的φ640 mm TA7钛合金铸锭由西部钛业有限责任公司采用3次真空自耗电弧熔炼而成，其化学成分如表1所示。金相法测得其相变点为1 050～1 055 ℃。

表1 TA7钛合金铸锭的化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TA7 titanium alloy ingot

铸锭在快锻机上经多次镦拔锻成厚度为48 mm的方坯，在锯床上将其锯切成若干个280 mm×280 mm×48 mm的热轧坯料后，再在550 mm小型轧机上进行轧制实验。

1.2 实验方案及检测

实验制定了3种不同制备TA7钛合金板材的工艺路线，具体如下。

A工艺 加热(960 ℃)→一火轧制(69%变形量)→修磨→二火加热(960 ℃)→二火轧制(60%变形量)→三火加热(920 ℃)→三火轧制(50%变形量)→成品退火(800 ℃)。

B工艺 加热(1 020 ℃)→一火轧制(69%变形量)→修磨→二火加热(960 ℃)→二火换向轧制(60%变形量)→三火加热(920 ℃)→三火轧制(50%变形量)→成品退火(800 ℃)。

C工艺 前两火同A工艺→三火加热(920 ℃)→三火换向轧制(50%变形量)→成品退火(800 ℃)。

首先对3种工艺制备的厚度为3.0 mm的TA7钛合金板材进行外观观察，再在剪床上进行剪切取样，并利用线切割将所取试样加工成哑铃状拉伸试样，在万能试验机上进行室温力学性能测试，在OLYMPUS光学显微镜上进行组织观察。

2 结果与讨论

2.1 制备工艺对TA7板材外观及力学性能的影响

图1为经一火轧制后A、B工艺制备的TA7钛合金板材的外观照片。从图1可以看到，A工艺轧制的TA7钛合金板材边裂严重，可见明显裂纹；B工艺因加热温度较高，轧制后板材表面氧化较明显，但基本无轧制裂纹出现。这说明TA7钛合金的轧制对温度敏感，合理的轧制温度、轧制工艺将直接决定合金板材的外观质量、后期表面处理方式及最终成材率。

图1 一火轧制后TA7钛合金板材的外观照片Fig.1 Photos of TA7 titanium alloy sheets after the first hot rolled

对经A工艺与B工艺一火轧制后的板材在800 ℃下对其进行热处理后，板材的力学性能测试结果如表2所示。

表2 不同工艺一火轧制后TA7钛合金板材的室温力学性能Table 2 Room-temperature mechanical properties of TA7 sheets prepared by different processes after the first hot rolled

由表2可以看到，经A工艺与B工艺一火轧制后，TA7钛合金板材的力学性能比较接近，这是因为A工艺与B工艺的一火轧制温度均在TA7钛合金的相变点以下，且该合金为全α钛合金，因此在变形工艺相同的情况下，轧制温度对力学性能的影响不大。但由于在高温状态下晶粒会略有长大，且会有次生α相析出，因此，经B工艺一火轧制后板材的屈服强度和塑性较A工艺一火轧制后板材的低。

图2为经三火轧制后，不同工艺得到的TA7钛合金板材的外观照片。经三火轧制后，TA7钛合金板材的表面开裂程度明显减少，主要表现为少量的边裂。这与TA7钛合金随着变形量的增加，晶粒被破碎，组织逐渐均匀化，加工塑性也随之改善有关。

图2 三火轧制后TA7钛合金板材的外观照片Fig.2 Photos of TA7 titanium alloy sheets after the third hot rolled

表3为3种工艺制备的TA7钛合金板材经800 ℃退火后的室温力学性能。

表3 不同工艺制备的TA7钛合金成品板材的室温力学性能Table 3 Room-temperature mechanical properties of TA7 sheets prepared by different processes

由表3可以看出，3种工艺制备的TA7钛合金板材的强度差别不大，A工艺制备的TA7钛合金板材具有中等的强度与塑性；B工艺制备的TA7钛合金板材的延伸率低于其他2种制备工艺，这与一火轧制温度较高有关，后续轧制过程中若不能完全消除粗大的魏氏组织，则易造成组织不均匀，延伸率降低的情况；C工艺制备的TA7钛合金板材具有优良的塑性，这与该工艺轧制过程均在低温段进行有关。此外，换向轧制可以明显改善加工织构，从而影响板材性能，第三火进行换向轧制更有利于板材组织均匀性的提高。

2.2 制备工艺对TA7板材组织的影响

图3为采用3种工艺制备的厚度为3.0 mm的TA7钛合金板材经800 ℃热处理后的显微组织。

图3 不同工艺制备的TA7钛合金成品板材的显微组织Fig.3 Microstructures of TA7 titanium alloy sheets prepared by different processes

由图3可以看出，A工艺制备的板材具有更加细小的显微组织，但组织均匀性不高，还存在少量片状粗大组织，这与再结晶不充分有关。B工艺制备的板材其晶粒明显长大，但也存在少量片状粗大组织，这是由于B工艺轧制温度较高，晶粒有所长大，虽然后期加工温度降低，但晶粒破碎并不明显，因此对应的性能也表现出较低的塑性，这与组织不均匀有关。在相同的热处理工艺下，A工艺轧制得到的板材表现出更加细小的组织，这说明低温轧制对TA7钛合金的晶粒破碎有明显作用。此外，经A工艺得到的板材的再结晶程度更高，这与低温轧制更易于畸变能的储存有关，而且全α钛合金滑移系较少，位错集聚容易，在相同热处理工艺下，A工艺轧制得到的板材也同时表现出更优的强度与塑性。C工艺与A工艺的一火和二火轧制温度相同，但第三火进行了换向轧制，这对单相钛合金的织构影响较大。由于减少了单方向轧制在单个晶粒上产生的变形量，因此其组织表现出比A工艺的晶粒尺寸略大，但组织均匀性又明显优于A与B工艺的特点，这与其轧制均在低温区进行有关，进而表现出最优的塑性。可见，采用换向轧制可以改善TA7 钛合金板材的组织均匀性，优化力学性能。

3 结 论

(1)TA7钛合金对温度敏感，一火轧制在高温区域(即相变点附近)进行可明显减少裂纹，若降低一火轧制温度则开裂明显。

(2)3种工艺制备的TA7钛合金成品板材的强度差别不大，其中，A、B工艺制备的板材组织均匀性较差，C工艺为换向工艺，由于其明显改善了板材的加工织构，因而表现出优良的组织均匀性及塑性。

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Effect of Process on Appearance,Mechanical Properties and Microstructure of TA7 Titanium Alloy Sheet

Xing Qiuli,Wang Ruining,Zhu Xiaocui,Li Hui,Zhou Yuchuan,Xie Yingjie,Wang Ruiqin

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

TA7 titanium alloy can be used for manufacturing welded components with moderate strength,such as the skin of aircraft,welding ring of jet engine and so on.But it is difficult to process TA7 titanium alloy sheet,for the limits of low forming plasticity,easily cracked and low qualified.So the effect of three different processing technologies on appearance,microstructure and mechanical properties of TA7 titanium alloy sheet was studied in this paper.The results show that nonhomogeneous microstructure with fine grains are found in TA7 titanium alloy sheet which rolled in single direction and low temperature of the first hot rolled,while the homogeneous microstructure with fine grains are found in TA7 titanium alloy sheet which with cross rolling at the same rolling temperature,so the sheet prepared by this process has the best comprehesive performance.In addition,the nonhomogeneous microstructure and fewer cracks are found in the TA7 titanium alloy sheet which the first hot rolled at high temperature.Besides,the mechanical properties of TA7 titanium alloy sheet prepared by the three processes do not appear to be much different.

TA7 titanium alloy; sheet; process; mechanical properties; microstructure

2015-03-17

邢秋丽(1968—)，女，高级工程师。