軋制工藝對Ti55鈦合金超塑性板材力學性能的影響

王新 王娟華 李會妮

摘 要：通過優化板材軋制工藝，可得到室溫拉伸、高溫拉伸性能良好，顯微組織均勻，晶粒極細的Ti55鈦合金超塑性板材。超塑性拉伸試驗表明，在一定的變形溫度（920℃）與變形速率（1.33×10-3S-1）下，Ti55鈦合金板材超塑性延伸率均達到600%以上。

關鍵詞：Ti55鈦合金板材；超塑性；顯微組織；力學性能

引言

Ti55鈦合金是寶鈦集團和中國科學院金屬研究所聯合開發的一種在550℃長時使用的近α型高溫鈦合金。隨著高溫鈦合金在航天領域的逐步應用，根據該合金的力學性能特點，Ti55鈦合金板材的短時使用溫度可達600℃。Ti55鈦合金板材規格為1.2×800×2400mm。由于該合金冷加工塑性差，冷軋軋制困難，因此板材采用包覆疊軋的方式軋制成品。軋制工藝是決定合金顯微組織和力學性能的關鍵因素[1]。通過研究軋制工藝與Ti55鈦合金板材顯微組織和力學性能之間的聯系，可為該合金板材的熱加工工藝提供依據，文章采用兩種工藝軋制Ti55鈦合金板材，研究軋制工藝對板材的顯微組織、力學性能及其超塑性性能的影響。

1 材料及試驗方法

1.1 實驗材料

本實驗用的Ti55鈦合金的名義成分為Ti-（5.0-5.4）Al-3.5Sn-3.0Zr-（1.0-1.5）Mo-0.4Ta-0.4Nb-（0.25-0.30）Si。鑄錠采用2次真空自耗爐熔煉后，經水壓機鍛造成150mm厚度的板坯，再經不同軋制工藝軋制成1.2×800×2400mm的成品板材。

1.2 軋制工藝

采用了兩種工藝進行軋制，軋制工藝均為包覆疊軋，開坯、二火及成品軋制時的加熱溫度不同，最終熱處理溫度相同，以下分別稱為工藝A、B，兩種工藝對比如表1所示。

2 實驗結果及分析

2.1 板材的顯微組織

不同軋制工藝條件下，板材的顯微組織見圖1所示。可以看出，由于板材軋制時在兩相區成品變形量均達到65%以上，有效地改善了變形的不均勻性，保證了成品板材的晶粒被充分破碎[2-3]，兩種工藝下板材的顯微組織均為細小的等軸晶組織。由表1可知，由于采用了低溫軋制，工藝B得到的晶粒尺寸（～5μm）明顯比工藝A的細小。此外，由于軋制時進行了換向，板材橫向和縱向的顯微組織并沒有較明顯的差異。

2.2 板材的力學性能

不同軋制工藝條件下，Ti55鈦合金板材的室溫力學性能、高溫力學性能見表2和表3。通過對表中數據分析可以看出，與工藝A相比，工藝B的室溫拉伸強度和高溫拉伸強度均略低，室溫塑性相當，但高溫塑性明顯提高。這是因為包覆疊軋工藝是在鈦板上包覆厚鋼板，在鋼板的保溫作用下，中間疊放的Ti55鈦合金薄板在軋制時可以穩定在850℃左右進行恒溫變形，降低了軋制溫度對力學性能的影響。同時，由于變形充分，板材不同方向的軋制織構較弱，因此不同軋制方向的強度差別不大。采用工藝B軋制時，由于軋制溫度較低，得到的板材晶粒尺寸較小，在高溫拉伸變形過程中，細小的晶粒更有利于產生均勻的變形，因此板材的拉伸塑性較好。

2.3 超塑性性能

不同工藝條件下板材的超塑性性能如表4所示。

由表4可以看出，工藝B得到的板材的延伸率達600%以上，顯著高于工藝A。眾所周知，晶粒尺寸是影響材料超塑性的重要因素，采用工藝B可得到晶粒度極細的板材。Ti55鈦合金板材的超塑性主要是通過等軸α晶粒周圍的β相的均勻變形獲得，因此，晶粒越細小的組織，單位體積內參與變形的β相數量越多，因而超塑性就越好[4]。

3 結束語

（1）采用低溫軋制的工藝B進行Ti55鈦合金超塑性板材的生產試制，可使成品板材的晶粒充分破碎，得到組織均勻、晶粒細小的超塑性板材。

（2）Ti55鈦合金超塑性板材的室溫和高溫力學性能優異，同時具有良好的超塑性性能，板材的超塑性性能均可達到600%以上。

參考文獻

[1]徐鋒，黃愛軍，李閣平，等.熱工藝對TC6鈦合金顯微組織的影響[J].金屬學報，2002，38（增刊）：174-177.

[2]沙愛學，李興無，馬濟民，等.熱軋工藝對Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V合金顯微組織和拉伸性能的影響[J].金屬學報，2002，38（增刊）：183-185.

[3]王娟華，王紅武，陳志勇.Ti55鈦合金超塑性板材的顯微組織與力學性能[J].金屬學報，2010，38（增刊）：91-93.

[4]趙子博，葛敬魯，陳志勇.Ti55鈦合金板材超塑性變形行為[J].金屬學報，2010，38（增刊）：847-851.