轧制工艺对Ti55钛合金超塑性板材力学性能的影响

王新 王娟华 李会妮

摘 要：通过优化板材轧制工艺，可得到室温拉伸、高温拉伸性能良好，显微组织均匀，晶粒极细的Ti55钛合金超塑性板材。超塑性拉伸试验表明，在一定的变形温度（920℃）与变形速率（1.33×10-3S-1）下，Ti55钛合金板材超塑性延伸率均达到600%以上。

关键词：Ti55钛合金板材；超塑性；显微组织；力学性能

引言

Ti55钛合金是宝钛集团和中国科学院金属研究所联合开发的一种在550℃长时使用的近α型高温钛合金。随着高温钛合金在航天领域的逐步应用，根据该合金的力学性能特点，Ti55钛合金板材的短时使用温度可达600℃。Ti55钛合金板材规格为1.2×800×2400mm。由于该合金冷加工塑性差，冷轧轧制困难，因此板材采用包覆叠轧的方式轧制成品。轧制工艺是决定合金显微组织和力学性能的关键因素[1]。通过研究轧制工艺与Ti55钛合金板材显微组织和力学性能之间的联系，可为该合金板材的热加工工艺提供依据，文章采用两种工艺轧制Ti55钛合金板材，研究轧制工艺对板材的显微组织、力学性能及其超塑性性能的影响。

1 材料及试验方法

1.1 实验材料

本实验用的Ti55钛合金的名义成分为Ti-（5.0-5.4）Al-3.5Sn-3.0Zr-（1.0-1.5）Mo-0.4Ta-0.4Nb-（0.25-0.30）Si。铸锭采用2次真空自耗炉熔炼后，经水压机锻造成150mm厚度的板坯，再经不同轧制工艺轧制成1.2×800×2400mm的成品板材。

1.2 轧制工艺

采用了两种工艺进行轧制，轧制工艺均为包覆叠轧，开坯、二火及成品轧制时的加热温度不同，最终热处理温度相同，以下分别称为工艺A、B，两种工艺对比如表1所示。

2 实验结果及分析

2.1 板材的显微组织

不同轧制工艺条件下，板材的显微组织见图1所示。可以看出，由于板材轧制时在两相区成品变形量均达到65%以上，有效地改善了变形的不均匀性，保证了成品板材的晶粒被充分破碎[2-3]，两种工艺下板材的显微组织均为细小的等轴晶组织。由表1可知，由于采用了低温轧制，工艺B得到的晶粒尺寸（～5μm）明显比工艺A的细小。此外，由于轧制时进行了换向，板材横向和纵向的显微组织并没有较明显的差异。

2.2 板材的力学性能

不同轧制工艺条件下，Ti55钛合金板材的室温力学性能、高温力学性能见表2和表3。通过对表中数据分析可以看出，与工艺A相比，工艺B的室温拉伸强度和高温拉伸强度均略低，室温塑性相当，但高温塑性明显提高。这是因为包覆叠轧工艺是在钛板上包覆厚钢板，在钢板的保温作用下，中间叠放的Ti55钛合金薄板在轧制时可以稳定在850℃左右进行恒温变形，降低了轧制温度对力学性能的影响。同时，由于变形充分，板材不同方向的轧制织构较弱，因此不同轧制方向的强度差别不大。采用工艺B轧制时，由于轧制温度较低，得到的板材晶粒尺寸较小，在高温拉伸变形过程中，细小的晶粒更有利于产生均匀的变形，因此板材的拉伸塑性较好。

2.3 超塑性性能

不同工艺条件下板材的超塑性性能如表4所示。

由表4可以看出，工艺B得到的板材的延伸率达600%以上，显著高于工艺A。众所周知，晶粒尺寸是影响材料超塑性的重要因素，采用工艺B可得到晶粒度极细的板材。Ti55钛合金板材的超塑性主要是通过等轴α晶粒周围的β相的均匀变形获得，因此，晶粒越细小的组织，单位体积内参与变形的β相数量越多，因而超塑性就越好[4]。

3 结束语

（1）采用低温轧制的工艺B进行Ti55钛合金超塑性板材的生产试制，可使成品板材的晶粒充分破碎，得到组织均匀、晶粒细小的超塑性板材。

（2）Ti55钛合金超塑性板材的室温和高温力学性能优异，同时具有良好的超塑性性能，板材的超塑性性能均可达到600%以上。

参考文献

[1]徐锋，黄爱军，李阁平，等.热工艺对TC6钛合金显微组织的影响[J].金属学报，2002，38（增刊）：174-177.

[2]沙爱学，李兴无，马济民，等.热轧工艺对Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金显微组织和拉伸性能的影响[J].金属学报，2002，38（增刊）：183-185.

[3]王娟华，王红武，陈志勇.Ti55钛合金超塑性板材的显微组织与力学性能[J].金属学报，2010，38（增刊）：91-93.

[4]赵子博，葛敬鲁，陈志勇.Ti55钛合金板材超塑性变形行为[J].金属学报，2010，38（增刊）：847-851.