TC16钛合金板材冷轧工艺及组织性能研究

2021-03-12刘志强张青来韩伟东柏秋生

钛工业进展 2021年1期

刘志强，张青来，韩伟东，柏秋生

(1.江苏大学材料科学与工程学院, 江苏镇江 212013)(2.宝鸡市博信金属材料有限公司, 陕西宝鸡 721013)

钛合金紧固件在飞机上使用不仅可以达到减重、耐腐蚀的目的，而且是钛合金构件与碳纤维复合材料构件连接的最佳连接件[1,2]。TC16(Ti-3Al-5Mo-4.5V)钛合金属于α+β两相合金，通过热轧或热拉拔加工成棒材和丝材，大量用于制备航空紧固件[3-5]。退火态TC16钛合金棒材或丝材具有良好的冷加工塑性，其室温冷镦比达到1∶4，冷镦后可直接使用或固溶时效后使用[6-8]。张青来等[9-11]对TC16钛合金熔炼工艺、锻造、热轧、热处理规范以及组织性能和冷镦成形等方面进行了大量的前期实验研究，所研制的TC16热轧棒材经退火处理后具有优异的室温成形性能，如断面收缩率达到64%，冷镦变形量达到80%。冷变形对材料力学性能具有明显的影响，如冷变形量的增加致使BT-14和近α型TC2钛合金板材抗拉强度和硬度得以提高[12,13]。经检索，国内关于α+β两相TC16钛合金的研究主要集中在其棒材和丝材的加工方面，鲜有关于其冷轧板材轧制的报道。

以TC16钛合金热轧棒材为研究对象，通过冷轧实验研究TC16钛合金冷轧成形性能，分析冷轧板材的组织与力学性能，为今后TC16钛合金板材冷轧工艺开发提供必要的技术支持。

1 实验

采用真空自耗电极熔化炉3次重熔制备直径为210 mm的TC16钛合金铸锭，其化学成分如表1所示。铸锭在β相区开坯，开始和结束温度分别控制在1150和800 ℃左右，之后热锻和轧制成直径为7.72 mm的棒材。为了提高TC16钛合金棒材的冷镦性能，根据前期的研究结果，本实验首先对TC16钛合金棒材进行退火处理：将热轧棒材加热至780 ℃，保温2 h后，随炉冷却至500 ℃时空冷。利用磨床去除热处理棒材表面氧化层。经拉伸和冷顶锻试验，退火态TC16钛合金棒材性能如表2所示。

表1 TC16钛合金化学成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC16 titanium alloy

表2 TC16钛合金棒材拉伸性能和冷镦性能Table 2 Tensile properties and cold upset of TC16 titanium alloy bars

采用两辊轧机对直径为7.72 mm的退火态TC16合金棒材进行纵向多道次冷轧板材试制试验，以观察合金冷轧成形性能和冷轧变形量对其组织与性能的影响。

从冷轧板材上截取试样。金相试样经过镶嵌、粗磨、精磨和抛光，采用Kroll试剂(HF、HNO3和H2O按体积比1∶2∶50混合)腐蚀。利用LEICA DM2500M型正置光学显微镜(OM)和JEOL JSEM-7001F型高分辨扫描电镜(SEM)观察和分析材料的微观组织。由于冷轧板材尺寸限制，拉伸试样采用非标准，其尺寸(mm)如图1所示。拉伸性能测试采用KX-WDW 3200万能试验机完成。使用HVS-1000Z型自动转塔数显显微硬度计，沿板材横断面取3～5个点测量显微硬度，加载载荷为4.9 N，保压时间为15 s。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

利用D8 ADVANCE型X射线衍射仪对试样进行物相分析，采用2θ角连续扫描模式，电压和电流分别为40 kV和200 mA，扫描速度为4°/min，扫描范围为30°～90°。

2 结果与分析

2.1 冷轧实验结果

退火态TC16合金的纵向多道次冷轧板材试制结果表明，当冷变形量为73%时，仅在冷轧板材头部出现微裂纹(见图2a)，板材其他部位未见任何缺陷出现；冷变形量达到79%时，板材头部裂纹向内扩展(见图2b)，即冷轧变形达到极限，与前期该合金冷镦极限变形量80%[10]结果吻合。因此，对TC16钛合金进行适当的退火处理，利用其优异的冷镦成形性能，完全可以实施冷轧加工，以代替传统的热轧工艺。

图2 不同变形量TC16冷轧板材照片Fig.2 Photos of TC16 cold rolled sheets with different deformations： (a) 73%; (b) 79%

2.2 微观组织

图3所示为不同冷轧变形量后TC16冷轧板材SEM照片。退火后的热轧TC16钛合金棒材组织由细小的等轴α晶粒和β相组成，如图3a所示。经过冷轧后，随着冷轧变形量的增加，α晶粒沿轧制方向逐渐被拉长、破碎，最后完全变成纤维状。当冷轧变形量为18%时，合金内组织变形不均匀，由原始的等轴α晶粒和弯曲交错状α晶粒以及β相组成，如图3b所示；当冷轧变形量为39%～47%时，等轴α晶粒被拉长，存有一定数量的未充分变形的α晶粒，如图3c和3d所示；当冷轧变形量为73%～79%时，等轴α晶粒完全被拉长成纤维状，但仍存有极少量的未充分变形的α晶粒，且组织分布均匀，如图3e和3f所示。

图3 不同变形量TC16冷轧板材的SEM照片Fig.3 SEM microstructures of TC16 cold rolled sheets with different deformations： (a) 0%; (b) 18%; (c) 39%; (d) 47%; (e) 73%; (f) 79%

图4为TC16冷轧板材的金相组织。由图4可见，冷轧板材组织为与压缩轴线方向垂直的纤维状组织；随着冷轧变形量的增加，β相比例增加，特别是冷轧变形量达到73%以后，可观察到明显的黑色带状组织，这些黑色带状组织几乎全部为β相。β或亚稳β钛合金剧烈冷轧变形后，组织中除了纤维组织和孪晶外，在高倍透射电镜(TEM)下还可观察到形成的高密度位错[14，15]。

图4 不同变形量TC16冷轧板材的金相组织Fig.4 Optical microstructures of TC16 cold rolled sheets with different deformations： (a) 47%; (b) 73%

2.3 XRD物相分析

图5为不同冷轧变形量TC16冷轧板材的XRD图谱。从图5可以看出，冷变形量为18%时，在2θ角56°附近出现少量的α″马氏体相[16]；变形量大于73%时，α相和β相峰值强度均得到增强，除了56°附近出现少量的α″马氏体相外，在45°附近发现新的α″马氏体相峰，其峰强度随着变形增加而增强，说明在剧烈的冷变形后产生了数量较多的α″马氏体相。

图5 不同变形量TC16冷轧板材的XRD图谱Fig.5 XRD patterns of TC16 cold rolled sheets with different deformations

2.4 显微硬度和力学性能

2.4.1 显微硬度

为了说明冷变形对TC16钛合金强化的影响，在冷轧过程中对不同冷轧变形量板材分别取样进行显微硬度测试，结果如图6所示。由图6可见，TC16冷轧板材显微硬度随冷轧变形量增大而增加，发生了冷变形强化，其强化程度取决于变形量大小[17]。当冷变形量为39%时，维氏显微硬度为3.07 GPa，相比原始态显微硬度(2.96 GPa)提高了3.72%；此时应力诱发的α″马氏体相含量很少(见图5)，对其硬度影响较小；之后显微硬度快速增加，当冷变形量为73%时，显微硬度为3.40 GPa，增加了14.86%，合金板材获得了明显的冷形变强化。除了冷加工硬化和形成的高密度位错外，产生的数量较多的α″马氏体相也是其影响因素之一。

图6 不同变形量TC16冷轧板材的显微硬度Fig.6 Microhardness of TC16 cold rolled sheets with different deformations

2.4.2 力学性能

图7为不同变形量TC16钛合金板材的室温拉伸应力-应变曲线。由图7可观察到，热轧棒材经780 ℃保温2 h，随炉冷却至500 ℃空冷后，其室温拉伸应力随应变的增加快速达到最大应力(900 MPa)，之后随应变增加而缓慢减小，发生明显的缩颈，最后断裂，延伸率和断面收缩率分别达到16%和64%。不同变形量的冷轧板材室温拉伸应力-应变曲线出现“双屈服”现象(图7中箭头所示)，第一屈服点“A”是由于少量的亚稳β相在应力驱使下转变成α″马氏体，即β→α″马氏体相变；随着应变的增加，生成新的α″马氏体所需要的应力超过了α相或β相屈服强度，应力诱发相变停止，出现第二屈服点“B”。

图7 不同变形量TC16冷轧板材的拉伸应力-应变曲线Fig.7 Tensile stress-strain curves of TC16 cold rolled sheets with different deformations

随着冷轧变形量的增加，抗拉强度(最大应力)相应增加，获得不同程度的应变强化。当冷变形量为73%时，冷轧板材拉伸断面收缩率为43.85%，伸长率则为15.96%，抗拉强度为1098.7 MPa(约提高22%)。TC16冷轧板材得到明显的加工硬化(形变强化)，这主要是由于剧烈的冷变形后形成的纤维结构、高密度位错和应变诱发形成的α″马氏体相所致。