張亞峰，于振濤，余 森，皇甫強(qiáng)，賀新杰，劉春潮，袁思波

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

冷軋及熱處理對(duì)TA16鈦合金管材組織與性能的影響

張亞峰，于振濤，余 森，皇甫強(qiáng)，賀新杰，劉春潮，袁思波

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

通過改變冷軋過程中的工藝參數(shù)，研究了加工變形量、Q值(相對(duì)減壁量和相對(duì)減徑量的比值)對(duì)TC16(Ti-2Al-2.5Zr)鈦合金管材拉伸力學(xué)性能的影響，同時(shí)研究了退火溫度對(duì)管材拉伸力學(xué)性能及顯微組織的影響。結(jié)果表明:Ti-2Al-2.5Zr合金管材具有良好的冷加工性能，當(dāng)冷軋變形量在25%時(shí)可獲得較佳的強(qiáng)塑性匹配;當(dāng)軋制Q值在1.2～2.0變化時(shí)，管材強(qiáng)度、塑形均隨Q增大而提高，可獲得綜合性能優(yōu)異的管材。此外，研究發(fā)現(xiàn)隨著退火溫度的升高，管材強(qiáng)度、塑性及屈強(qiáng)比均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

Ti-2Al-2.5Zr管材;冷軋;熱處理;組織;力學(xué)性能

1 前言

為提高飛機(jī)的整體飛行性能，滿足飛機(jī)重量相對(duì)輕、壽命長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)性能好等要求，大型客機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)管路系統(tǒng)的工作壓力將逐步提高，因此需要對(duì)已經(jīng)研制的飛機(jī)管路用材料進(jìn)行完善、改進(jìn)，探索和研究綜合性能更好的新型材料及其相關(guān)的加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)的不斷升級(jí)［1］。

鈦及鈦合金作為一種先進(jìn)的輕量化結(jié)構(gòu)材料，憑借其優(yōu)異的綜合性能，已成為航空航天領(lǐng)域最具吸引力的材料之一。TA16(Ti-2Al-2.5Zr)合金是前蘇聯(lián)于20世紀(jì)60年代中期研制成功的一種中強(qiáng)、高塑的單相α鈦合金，具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的抗腐蝕性能和良好的冷加工性能等優(yōu)點(diǎn)，主要在國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)、艦船、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域充當(dāng)連接的管路系統(tǒng)，并已得到廣泛應(yīng)用［2－9］。在我國(guó)，鈦合金管材的應(yīng)用研究相對(duì)薄弱，在民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)上均還未獲得廣泛應(yīng)用，而且航空鈦合金管材的研制和加工技術(shù)尚未完全成熟，因此開展Ti-2Al-2.5Zr合金管材加工的相關(guān)研究具有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選擇0級(jí)海綿鈦、原子能級(jí)海綿鋯和鋁箔為原料，經(jīng)過2次真空自耗電弧爐熔煉制備成Ti-2Al-2.5Zr合金鑄錠(化學(xué)成分見表1)。鑄錠經(jīng)過鍛造、機(jī)械加工后制成擠壓坯，在600 t立式擠壓機(jī)上擠壓成管坯，經(jīng)過兩輥開坯軋制，在三輥軋機(jī)上進(jìn)行冷軋加工，變形量分別為20%、25%、30%、35%，得到外徑為4～6 mm管材。對(duì)冷軋管材進(jìn)行不同溫度的真空退火處理，退火溫度分別為600、650、700、750℃，保溫時(shí)間1 h，以充氬氣方式快速冷卻。

表1 Ti-2Al-2.5Zr合金鑄錠化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical compositions of Ti-2Al-2.5Zr alloy ingot

用MPG3立式金相顯微鏡觀察管材的顯微組織。管材室溫拉伸性能在INSTRON5985萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)定，管材高溫拉伸性能在INSTRON5982萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上按照GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 冷軋加工變形量對(duì)管材力學(xué)性能的影響

分別在經(jīng)過20%、25%、30%、35%4種不同變形量冷軋加工后的Ti-2Al-2.5Zr合金管材上取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)得的加工變形量與管材力學(xué)性能的關(guān)系如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)變形量在20%～30%時(shí)，隨變形量增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的強(qiáng)度增加比較明顯，但延伸率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這主要是由于金屬在塑性變形時(shí)，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎，金屬內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。當(dāng)變形量大于30%時(shí)，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的強(qiáng)度反而下降，延伸率變化不明顯。

圖1 變形量ε對(duì)管材力學(xué)性能的影響Fig.1 Effects of ε value on the mechanical properties of the tubes

3.2 軋制Q值對(duì)管材力學(xué)性能的影響

Q值是管材軋制過程中相對(duì)減壁量和相對(duì)減徑量的比值?？刂芉值能改變管材織構(gòu)取向，不同的織構(gòu)取向?qū)Σ牧闲阅艿挠绊懖煌?。圖2為不同軋制Q值所獲得的Ti-2Al-2.5Zr合金管材的力學(xué)性能。由圖2可見，Q值在0.5～1.2區(qū)間變化時(shí)，隨著Q值的增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材強(qiáng)度降低，塑性升高。這主要是由于在此Q值范圍內(nèi)，形成的織構(gòu)以環(huán)向織構(gòu)為主，管材的工藝性能提高［10］。當(dāng)Q值在1.2～2.0區(qū)間變化時(shí)，隨著 Q值的增大，Ti-2Al-2.5Zr合金管材強(qiáng)度、塑性均提高。這主要是由于當(dāng)在此Q值范圍內(nèi)，形成的織構(gòu)以徑向織構(gòu)為主，管材的強(qiáng)度和塑性提高［10］。

圖2 Q值對(duì)管材力學(xué)性能的影響Fig.2 Effects of Q value on the mechanical properties of the tubes

3.3 退火溫度對(duì)管材金相組織及力學(xué)性能的影響

3.3.1 退火溫度對(duì)管材金相組織的影響

圖3為不同熱處理溫度下管材的金相組織。由圖3可以看出:管材試樣在600℃以上退火后均為等軸組織，但隨著退火溫度的升高，再結(jié)晶組織出現(xiàn)了均勻長(zhǎng)大。

圖3 經(jīng)不同溫度熱處理后管材的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs of Ti-2Al-2.5Zr alloy tubes heat treated under differet temperature

3.3.2 退火溫度對(duì)管材力學(xué)性能的影響

經(jīng)過30%變形量軋制的管材試樣分別在600、650、700、750℃熱處理1 h后，以充氬氣的方式快速冷卻。圖4為退火溫度對(duì)Ti-2Al-2.5Zr合金管材室溫力學(xué)性能的影響曲線。結(jié)果表明:隨著熱處理溫度的升高，管材的強(qiáng)度和塑性均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但從700℃開始，管材的抗拉強(qiáng)度變化不明顯。

圖4 退火溫度對(duì)管材力學(xué)性能的影響Fig.4 Effects of annealing temperature on the mechanical properties of the tubes

屈強(qiáng)比是制定金屬塑性加工工藝的重要依據(jù)之一，屈強(qiáng)比大，變形條件差，不易進(jìn)行壓力加工。圖5為退火溫度對(duì)Ti-2Al-2.5Zr合金管材屈強(qiáng)比的影響曲線。結(jié)果表明，隨著退火溫度的升高，管材的屈強(qiáng)比減小，這與管材塑性的變化規(guī)律正好一致。

圖5 退火溫度對(duì)管材屈強(qiáng)比的影響Fig.5 Effect of solution annealing temperature on the yield-tensile ratio of the tubes

4 結(jié)論

(1)Ti-2Al-2.5Zr合金管材具有較好的冷加工性能，在冷軋變形量為25%時(shí)可獲得較佳的強(qiáng)塑性匹配。

(2)軋制Q值對(duì)Ti-2Al-2.5Zr合金管材性能具有重要的影響，當(dāng)1.2＜Q≤2.0時(shí)，可獲得綜合性能優(yōu)異的管材。

(3)隨著熱處理溫度的升高，Ti-2Al-2.5Zr合金管材的強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和塑性均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

［1］江志強(qiáng)，楊合，詹梅，等．鈦合金管材研制及其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀與前景［J］．塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16(4):44－50．

［2］于振濤，周廉，鄧炬，等．Ti-2Al-2.5Zr合金管、板材織構(gòu)研究［J］．稀有金屬材料與工程，2000，29(2):86－89．

［3］于振濤，周廉，鄧炬，等．Ti-2Al-2.5Zr合金再結(jié)晶特性及動(dòng)力學(xué)機(jī)制［J］．稀有金屬材料與工程，1999，28(6):340－344．

［4］佟學(xué)文，李勝杰，李勝杰，等．TA16鈦合金熱加工管材工藝研究［J］．金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊 1):397－399．

［5］李遠(yuǎn)睿，胡躍均，王書珍．Ti-2%Al-2.5%Zr鈦合金的高溫持久強(qiáng)度［J］．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30(3):56－59．

［6］王航，徐燕靈，孫巧艷，等．Ti-2Al-2.5Zr合金的高溫低周疲勞行為［J］．材料研究學(xué)報(bào)，2010，24(2):165－168．

［7］魏壽庸，祝瀑，劉峰，等．Ti-2Al-2.5Zr鈦合金簡(jiǎn)介［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，1998，15(3):6－8．

［8］張亞峰，于振濤，牛金龍，等．加工及熱處理對(duì)Ti5Zr6Mo15Nb鈦合金組織和性能的影響［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27(4):30－33．

［9］王治國(guó)，祖小濤，封向東，等．Ti-2Al-2.5Zr合金N+離子注入表面XPS和XRD分析［J］．中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2001，11(2):207－210．

［10］楊英麗，盧亞鋒，郭荻子，等．氧含量及軋制工藝對(duì)純鈦管材性能的影響［J］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2011，28(5):27－30．

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

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA030101);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAI18B021);陜西省“1311 5”科技創(chuàng)新工程重大科技專項(xiàng)(2010ZDKG-96)

張亞峰(1981—)，男，工程師。