冷轧Q值对TA34钛合金管材性能和织构的影响

2022-11-24郭荻子赵永庆

钛工业进展 2022年5期

郭荻子，杜宇，刘伟，赵永庆

(西北有色金属研究院，陕西西安 710016)

钛合金不仅具有比强度高、耐高温、耐腐蚀等诸多优点，而且具有优异的低温性能，是航天领域不可或缺的低温结构材料。随着液体火箭发动机向着大推力、高可靠、可重复使用的方向发展，对发动机管路系统用低温钛合金也提出了更高的要求，不仅要求具有高比强度、优异低温性能，还应具备良好的室温强塑性匹配及优异的弯曲、压扁等工艺性能。

金属加工过程中的变形条件(变形程度、速度、温度、几何条件等)、材料性质(晶粒度、初始织构、合金成分等)和退火工艺等因素都会对其晶体位相分布产生影响，使多晶体材料的取向呈现出某种择优取向的状态，即织构[1-3]。管材冷轧加工时采用的变形率等参数以及不同的热处理制度，都会导致其轴向织构、环向织构等形变织构和再结晶织构发生变化，从而对管材的力学性能及工艺性能产生影响[4-7]。对于滑移行为受限的密排六方钛金属α-Ti，可通过控制晶粒的各向异性改善材料的力学性能[2]。目前对钛材织构的研究主要集中在板、棒材上[8-11]。

轧制变形率ε和Q值均是管材加工过程中的重要工艺参数。其中，ε表示材料变形程度，Q值为管材相对减壁量和相对减径量的比值，用于表示管材变形中尺寸的协同变化关系。在轧制钛及钛合金管材时，除考虑变形程度的影响外，还必须考虑Q值对管材质量的影响[12]。借助与钛同族金属、室温具有相同结构的锆管织构的研究结果，能够有效引导分析钛合金织构的形成机制。锆管材轧制变形后的晶体基面与主要形变方向平行，最终的织构可以通过改变Q值来控制[13]。Girard等[14-15]对Zr-4合金冷轧管材形变织构进行了数值模拟及实验验证，表明采用合适的冷轧参数可以获得需要的管材织构。Vaibhaw等[16]对采用不同Q值轧制的Zr-4合金管材形变织构及再结晶织构进行分析，结果表明轧制Q值的变化会引起管材直径方向(0002)形变织构强度的变化。

TA34钛合金是一种Ti-Al-Mo-Zr系近α型低温钛合金，可进行冷轧及冷弯变形。采用传统冷轧工艺加工的TA34钛合金管材需进行复杂的等温热处理方能获得优异的室、低温力学性能，但等温处理会导致管材尺寸精度降低，组织均匀性变差，扩口、压扁等工艺性能不稳定，后续冷弯时易开裂。针对TB34钛合金管材工艺性能差的问题，以相同变形率、不同Q值轧制的TA34钛合金管材为研究对象，通过X射线衍射技术确定其形变织构和退火织构类型，研究轧制工艺参数Q值对织构类型的影响，及织构与性能之间的关系，以期提高TA34钛合金管材的成品率，解决管材冷弯工艺性能差的问题。

1 实验

以0级海绵钛、Al-Mo中间合金、Al豆和原子能级海绵锆为原料，经3次真空自耗电弧炉熔炼得到TA34钛合金铸锭，化学成分见表1。

表1 TA34钛合金铸锭的化学成分(w/%)

铸锭经开坯、锻造后得到棒坯，通过双包套正挤压得到φ72 mm×9 mm的管坯，再经过两辊开坯、三辊精轧、去应力退火获得φ41.5 mm×1.8 mm、φ40 mm×1.88 mm、φ37 mm×2 mm的管坯。对上述3种规格的管坯进行完全再结晶退火处理，其金相组织一致，均为平均晶粒尺寸为8 μm的完全再结晶等轴组织，如图1所示。

图1 TA34钛合金管坯再结晶热处理后的显微组织

将TA34钛合金管坯冷轧得到φ35 mm×1.5 mm的成品管材，3种规格管坯的变形量ε均为30%，Q值分别为4.63、1.61、1.06。样品编号与工艺参数见表2。成品TA34钛合金管材经除油、酸洗后，进行750 ℃/1 h去应力退火处理。

表2 TA34钛合金样品的编号与工艺参数

图2 TA34钛合金管材样品的方向示意图

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图3为不同Q值轧制TA34钛合金管材去应力退火后的显微组织。从图3可以看出，去应力退火后的管材仍保留着加工变形组织，管坯组织中的部分等轴晶粒被拉长。随着Q值的增大，晶粒被拉长的程度也更加明显，组织不均匀程度增加，组织由等轴晶与随机分布的拉长晶粒构成。总体来说，不同Q值轧制管材退火态的显微组织中晶粒度差别不大，可以认为相同变形率条件下，Q值对完全再结晶管材轧制后的组织特征影响不大。

图3 不同Q值轧制TA34钛合金管材去应力退火后的显微组织

2.2 力学性能

图4是不同Q值轧制TA34钛合金管材去应力退火前后的室温拉伸性能。管材在经过变形程度相同的冷轧加工后，随着Q值的增大，其抗拉强度和屈服强度出现同等幅度的降低，塑性变化不大，发生了类似“加工软化”的现象，当Q=1.06时管材的抗拉强度和屈服强度最高。去应力退火后，管材的屈强比大幅降低，随着Q值的增大，抗拉强度和屈服强度先降低后增高，且变化趋势相同。Q=4.63时，退火前后管材抗拉强度的减小最少，仅降低了60 MPa；Q=1.06时，退火前后管材抗拉强度的减少最多，达140 MPa。退火后TA34钛合金管材的塑性因应力释放得到了提高，但退火前及退火后塑性处于同一水平线上，表明冷轧Q值对完全再结晶TA34钛合金管材轧制后的塑性影响不大。

图4 TA34钛合金管材去应力退火前后的室温力学性能

金属塑性变形后，其组织结构发生变化，必然会导致性能变化，尤其是力学性能。材料的塑性变形抗力通常会随着变形程度的增大而提高，即所谓的“加工硬化”现象。对于多晶体材料，一般认为管材变形程度是所有晶粒变形体现出的平均效果，而Q值则体现管材壁厚与外径同时变化时的协调性。本实验中管材的冷轧Q值不同，但变形率ε相同，即管材的整体变形效果相同，表明管材的力学性能仅与其宏观变形效果有关。

2.3 工艺性能

表3为不同Q值轧制TA34钛合金管材的压扁工艺性能。对于冷轧态管材，Q=1.06时，压扁性能最差；Q=1.61时，压扁性能有所改善，可以承受较小的压力变形；Q值越大，其压扁性能越好，即使压扁系数较大时，管材表面仍然完好。由表3可以看出，去应力退火态TA34钛合金管材均显示出良好的压扁性能，能承受较大的变形，具有良好的工艺性能。

表3 不同Q值TA34钛合金管材的压扁性能

2.4 织构

2.4.1 织构类型

图5 1#试样RD-TD、AD-TD和AD-RD面的和不完整极图

从上述9张极图可以确定出TA34钛合金的织构类型特征如下。

图6 3#试样RD-TD面的面和AD- RD面的(0002)不完整极图

2.4.2 形变织构

图7 不同Q值轧制TA34钛合金管材RD-TD面的极图

Holt等[17]曾研究了Q值对Zr-2.5Nb合金管材织构的影响，发现在温度(>1025 K)和挤压比一定的条件下，增大Q值会促使管材产生周向织构。本实验中管坯轧制前组织相同(为均匀粗大的等轴组织)，冷轧过程中的加工变形量相同，因此TA34钛合金管材的织构类型仅随Q值的变化而改变，但变化规律依赖于原始管坯的组织状态。

2.4.3 退火织构

图8 不同Q值轧制TA34钛合金管材去应力退火后RD-TD面的极图

TA34钛合金管坯经过再结晶退火后，晶粒完全再结晶并长大，新产生的周向织构属于再结晶织构，是晶粒定向结晶生长造成的[18]。这是由于变形金属被加热到较高温度时，原子活动能力增大，晶粒形状发生变化并重新形核生长为稳定的等轴晶粒，取代了原来被拉长或破碎的晶粒，晶粒的位向已脱离了与原加工时外力方向的关系，导致织构类型改变。去应力退火后，由于管材加热温度不高，原子的活动能力有限，不能使变形组织发生变化，所以织构类型没有明显改变。

结合表3中不同Q值轧制TA34钛合金管材的压扁工艺性能，可以解释织构对管材压扁工艺性能的影响。对于冷轧态的TA34钛合金管材，Q=1.06时，压扁性能最差，此时为径向织构；Q值越大，其压扁性能越好，即使取较大的压扁系数时，管材表面仍然完好，此时管材已显示为周向织构。可见，对于再结晶的TA34钛合金来说，沿管材横断面分布的周向织构有利于提高材料工艺性能，而增大冷轧Q值恰好可以增强管材的周向织构，因此对于完全再结晶态的TA34钛合金管坯，采用大Q值轧制有助于提高管材的压扁工艺性能。