TC1鈦合金寬幅薄板軋制工藝研究

李 輝，劉松良，沙春鵬，盧影鋒，王瑞琴，王 興，舒 瀅，唐 進

(1.西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)(2.海空駐沈陽地區航空軍事代表室，遼寧 沈陽 110000)(3.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

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TC1鈦合金寬幅薄板軋制工藝研究

李 輝1，劉松良2，沙春鵬3，盧影鋒3，王瑞琴1，王 興1，舒 瀅1，唐 進1

(1.西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201)(2.海空駐沈陽地區航空軍事代表室，遼寧 沈陽 110000)(3.沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

對比分析了包覆疊軋和冷軋兩種工藝制備TC1鈦合金寬幅薄板表面質量、組織形貌和力學性能，并研究了成品退火溫度對冷軋板材力學性能和組織的影響。結果表明: 這兩種工藝生產的TC1鈦合金薄板力學性能均可滿足GJB 2505A—2008要求，冷軋工藝生產的TC1鈦合金成品板材表面質量良好，性能穩定，晶粒更為細小；冷軋板材成品退火溫度控制在550～580 ℃較為適宜。

TC1鈦合金薄板；包覆疊軋；冷軋；組織形貌；力學性能

0 引 言

我國從20世紀60年代初開始研制TC1鈦合金，然而到目前為止，我國僅有少數幾家公司可生產1 000 mm以內的TC1鈦合金薄板，并且所生產的薄板在尺寸精度、板形、表面質量方面與國外存在一定差距。由于國內生產的TC1鈦合金薄板幅寬較窄，在加工大型零件時往往需要進行大量的焊接。不僅焊接過程復雜，而且焊接中由于單位體積內熱量集中，會造成熱影響區變寬，組織性能不穩定，焊縫常成為易腐蝕源和斷裂源，極大影響零件使用的安全性和壽命。此外，由于軋制工藝的問題，國內生產的TC1鈦合金薄板微觀組織不均勻，存在各向異性，成形性不穩定。因此，我國航空航天工業中所需的高性能TC1鈦合金薄板尚需大量進口。

近年來，隨著我國航空工業的發展以及高性能戰機研發項目的推進，對更寬更薄的TC1鈦合金薄板的需求更為迫切。如何生產出能夠滿足使用要求的TC1鈦合金寬幅薄板，成為我國鈦材加工行業亟待解決的問題。因此研制幅寬在1 200～1 500 mm的高性能鈦合金薄板勢在必行。

目前，西部鈦業有限責任公司(以下簡稱西部鈦業)已建成一條稀有難熔金屬板帶材生產線。該生產線自投產以來，在純鈦板材生產的基礎上，結合軍工需要，研制了各種牌號的鈦合金寬幅薄板，其厚度為0.4～2.5 mm(精度為±0.05 mm)、幅寬為1 200～1 500 mm、長度為2 000～3 000 mm，填補了國內寬幅鈦合金薄板的空白。為了進一步優化生產工藝，提高批次穩定性，本研究分別采用包覆疊軋和冷軋兩種工藝，制備TC1鈦合金寬幅薄板，對比分析兩種工藝制備的板材外觀質量、組織與性能，并研究成品退火溫度對冷軋板材組織及性能的影響，旨在為大規模生產提供參考。

1 實 驗

實驗原料為1級小顆粒海綿鈦和Al-Mn55中間合金，經包合金包、電極壓制、等離子組焊后，采用真空自耗電弧熔煉得到3.0 t的φ640 mm TC1鈦合金鑄錠。鑄錠經鋸床鋸切下料，用大噸位壓機鍛造加工至180±10 mm的板坯。板坯經二火次開坯軋制軋至5 mm。再經表面處理后，轉至包覆疊軋工藝試制和冷軋工藝試制。包覆疊軋工藝：將4塊板組合，之間涂敷隔離層，上下用鋼板包覆封焊，一火次軋制到成品尺寸；再經退火、堿酸洗、砂帶拋光至成品。冷軋工藝：單塊板經二火次軋制到成品厚度，再經退火、蠕變矯形、堿酸洗。對比兩種工藝制備的板材外觀質量、組織及性能。分別在550、580、620、680 ℃對冷軋工藝制備的板材進行熱處理，研究成品退火溫度對冷軋板材組織與力學性能的影響。在OLYMPUS PMG3光學顯微鏡上進行顯微組織觀察，在Instron-1851萬能材料試驗機上按照GB/T 228—2002進行力學性能測試，拉伸速度為 1 mm/min。

2 結果與討論

2.1 兩種工藝制備的TC1鈦合金寬幅板材的對比

2.1.1 板材的外觀質量

圖1為兩種工藝制備的幅寬為1 350 mm的TC1鈦合金板材的表面照片。其中圖1a為包覆疊軋工藝制備的TC1鈦合金板材，圖1b為冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材。對比圖1a和圖1b可以看出，冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材表面質量明顯優于包覆疊軋板材。采用包覆疊軋工藝制備的TC1鈦合金板材堿酸洗后存在橘皮、小凸起、凹坑等缺陷，需經過砂帶砂光機進行磨削處理，表面處理較為困難，且費用也比較高；而采用冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材堿酸洗后表面均勻一致，光潔度好，缺陷少，可根據成品要求砂光或不砂光。

圖1 不同軋制工藝制備的TC1鈦合金板材的表面照片Fig.1 Surface of TC1 titanium alloy plate processed by different rolling methods

2.1.2 板材的組織及性能

表1為采用包覆疊軋和冷軋兩種工藝分別制備的厚度為1.0 mm和0.8 mm的 TC1鈦合金板材的室溫力學性能。從表1可以看出，包覆疊軋和冷軋兩種工藝制備的厚度為1.0 mm和0.8 mm的TC1鈦合金板材的室溫力學性能均符合標準GJB 2505A—2008要求。

對比表1中的檢測結果可見，包覆疊軋工藝制備的厚度為1.0 mm的板材抗拉強度偏差約為33 MPa，厚度為0.8 mm的約為28 MPa；而冷軋工藝制備的厚度為1.0 mm的板材抗拉強度偏差約為2 MPa，厚度為0.8 mm的約為14 MPa。由此可見，冷軋板材強度較為集中，分散性小，其產生原因可能與軋制方式有關[1-2〗[3-4]，形核少且易聚集長大，因此組織較為粗大，如圖2a～d所示，因此性能波動較大。而冷軋為再結晶溫度以下的加工，對組織破碎充分，畸變能增大[5-6]，形核充分，熱處理后晶粒更為細小，如圖2e～h所示，因此性能更為穩定。

表1 包覆疊軋和冷軋兩種工藝制備的TC1鈦合金板材室溫力學性能

圖2 不同軋制工藝制備的TC1鈦合金板材的金相照片Fig.2 Metallographs of TC1 titanium alloy plate processed by different rolling methods

綜上可知，與包覆疊軋工藝相比，采用冷軋工藝獲得的TC1鈦合金薄板的表面質量更為良好，性能更為穩定，晶粒更為細小，且各項性能指標均滿足標準GJB 2505A—2008的要求。

2.2 熱處理對冷軋TC1鈦合金板材力學性能的影響

圖3為冷軋工藝得到的0.8 mm厚的TC1鈦合金板材經550、580、620、680 ℃熱處理后的室溫力學性能變化趨勢。從圖3可以看出，板材的抗拉強度和屈服強度均隨退火溫度的升高而降低，延伸率隨退火溫度的升高略有增大。當退火溫度為550 ℃時，Rm=668 MPa，Rp0.2=619 MPa，A=37%；當退火溫度為580 ℃時，Rm=631 MPa，Rp0.2=540 MPa，A=41.0%，均滿足GJB 2505A—2008中590 MPa≤Rm≤735 MPa，Rp0.2≥460 MPa，A≥25%的要求，且富余量較大。當退火溫度升高至620 ℃時，其抗拉強度略高于標準要求，但富余量不大；當退火溫度從620 ℃升高至680 ℃時，抗拉強度下降幅度不大，均為略高于或低于標準要求。而板材的屈服強度和延伸率在4種退火制度下均能滿足標準要求。因此成品板材退火溫度控制在550～580 ℃較為合適。

圖3 退火溫度對0.8 mm厚冷軋TC1鈦合金板材力學性能的影響Fig.3 The effect of annealing temperature on mechanical properties of 0.8 mm cold rolling TC1 titanium alloy sheets

在實際生產中，由于原料化學成分的波動、軋制工藝的影響，要獲得滿足標準要求的力學性能，且有一定的富余量，對板材的熱處理制度可作適當調整，例如可以依據裝爐量選擇合適的退火保溫時間。

2.3 熱處理對冷軋TC1鈦合金板材組織的影響

圖4為經冷軋工藝得到的0.8 mm厚的TC1鈦合金板材經550、580、620、680 ℃退火后的顯微組織。由圖4可見，退火溫度為550 ℃時，TC1鈦合金板材已發生部分再結晶，但再結晶程度較低，因此板材的抗拉強度較高(如圖3所示)；當退火溫度提高到580 ℃，板材已發生完全再結晶，等軸晶的數量明顯增多，同時纖維組織較550 ℃退火時明顯減少；退火溫度提高至620 ℃時，板材的顯微組織形貌與580 ℃時相似，變形纖維組織基本消失，因此其強度較580 ℃有所降低；當退火溫度提高至680 ℃時，有個別大晶粒出現，但其顯微組織形貌與620 ℃相似，因此板材的性能與620 ℃時相當。

圖4 0.8 mm厚冷軋TC1鈦合金板材經不同溫度退火后的顯微組織Fig.4 Microstructures of 0.8 mm cold rolling TC1 titanium alloy sheets at different annealing temperatures

3 結 論

(1)包覆疊軋工藝制備的TC1鈦合金板材表面質量較差，堿酸洗后仍存在橘皮、小凸起、凹坑等缺陷，表面處理較為困難；而冷軋工藝制備的TC1鈦合金板材表面均勻一致，光潔度好，且缺陷少，表面質量明顯優于包覆疊軋板材。

(2)冷軋TC1鈦合金薄板成品退火溫度控制在550～580 ℃較為合適。原料化學成分波動、軋制工藝改變，熱處理制度可作適當調整。

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Research on Rolling Technology of TC1 Titanium Alloy Wide Sheet

Li Hui1，Liu Songliang2,Sha Chunpeng3，Lu Yingfeng3，Wang Ruiqin1，Wang Xing1，Shu Ying1，Tang Jin1

(1. Western Titanium Technologies Co., Ltd.， Xi’an 710201, China)(2. Aviation Military Representative Office of Navy in Shenyang， Shenyang 110000, China)(3. Shenyang Aircraft Corporation, Shenyang 110000, China)

The surface quality, microstructures and mechanical properties of TC1 titanium alloy sheets which were produced by canning ply-rolling and cold rolling were studied and compared, and the influence of annealing temperature on the sheets produced by cold rolling was also researched. The results indicate that the properties of the sheets produced by the two different processes can both meet the standard of GJB 2505A—2008. But the sheets produced by cold rolling can obtain better finished products with good surface quality, stable mechanical properties and small grain. Besides, it is found that the adequate annealing temperature for cold rolling sheet is between 550 ℃ and 580 ℃.

TC1 titanium alloy sheet; canning ply-rolling; cold rolling; microstructure; mechanical property

2014-07-02

李輝(1973—)，男，高級工程師。