冷軋Q值對(duì)TA34鈦合金管材性能和織構(gòu)的影響

郭荻子，杜 宇，劉 偉，趙永慶

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

鈦合金不僅具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且具有優(yōu)異的低溫性能，是航天領(lǐng)域不可或缺的低溫結(jié)構(gòu)材料。隨著液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)向著大推力、高可靠、可重復(fù)使用的方向發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)管路系統(tǒng)用低溫鈦合金也提出了更高的要求，不僅要求具有高比強(qiáng)度、優(yōu)異低溫性能，還應(yīng)具備良好的室溫強(qiáng)塑性匹配及優(yōu)異的彎曲、壓扁等工藝性能。

金屬加工過(guò)程中的變形條件(變形程度、速度、溫度、幾何條件等)、材料性質(zhì)(晶粒度、初始織構(gòu)、合金成分等)和退火工藝等因素都會(huì)對(duì)其晶體位相分布產(chǎn)生影響，使多晶體材料的取向呈現(xiàn)出某種擇優(yōu)取向的狀態(tài)，即織構(gòu)[1-3]。管材冷軋加工時(shí)采用的變形率等參數(shù)以及不同的熱處理制度，都會(huì)導(dǎo)致其軸向織構(gòu)、環(huán)向織構(gòu)等形變織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)發(fā)生變化，從而對(duì)管材的力學(xué)性能及工藝性能產(chǎn)生影響[4-7]。對(duì)于滑移行為受限的密排六方鈦金屬α-Ti，可通過(guò)控制晶粒的各向異性改善材料的力學(xué)性能[2]。目前對(duì)鈦材織構(gòu)的研究主要集中在板、棒材上[8-11]。

軋制變形率ε和Q值均是管材加工過(guò)程中的重要工藝參數(shù)。其中，ε表示材料變形程度，Q值為管材相對(duì)減壁量和相對(duì)減徑量的比值，用于表示管材變形中尺寸的協(xié)同變化關(guān)系。在軋制鈦及鈦合金管材時(shí)，除考慮變形程度的影響外，還必須考慮Q值對(duì)管材質(zhì)量的影響[12]。借助與鈦同族金屬、室溫具有相同結(jié)構(gòu)的鋯管織構(gòu)的研究結(jié)果，能夠有效引導(dǎo)分析鈦合金織構(gòu)的形成機(jī)制。鋯管材軋制變形后的晶體基面與主要形變方向平行，最終的織構(gòu)可以通過(guò)改變Q值來(lái)控制[13]。Girard等[14-15]對(duì)Zr-4合金冷軋管材形變織構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明采用合適的冷軋參數(shù)可以獲得需要的管材織構(gòu)。Vaibhaw等[16]對(duì)采用不同Q值軋制的Zr-4合金管材形變織構(gòu)及再結(jié)晶織構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明軋制Q值的變化會(huì)引起管材直徑方向(0002)形變織構(gòu)強(qiáng)度的變化。

TA34鈦合金是一種Ti-Al-Mo-Zr系近α型低溫鈦合金，可進(jìn)行冷軋及冷彎變形。采用傳統(tǒng)冷軋工藝加工的TA34鈦合金管材需進(jìn)行復(fù)雜的等溫?zé)崽幚矸侥塬@得優(yōu)異的室、低溫力學(xué)性能，但等溫處理會(huì)導(dǎo)致管材尺寸精度降低，組織均勻性變差，擴(kuò)口、壓扁等工藝性能不穩(wěn)定，后續(xù)冷彎時(shí)易開裂。針對(duì)TB34鈦合金管材工藝性能差的問(wèn)題，以相同變形率、不同Q值軋制的TA34鈦合金管材為研究對(duì)象，通過(guò)X射線衍射技術(shù)確定其形變織構(gòu)和退火織構(gòu)類型，研究軋制工藝參數(shù)Q值對(duì)織構(gòu)類型的影響，及織構(gòu)與性能之間的關(guān)系，以期提高TA34鈦合金管材的成品率，解決管材冷彎工藝性能差的問(wèn)題。

1 實(shí) 驗(yàn)

以0級(jí)海綿鈦、Al-Mo中間合金、Al豆和原子能級(jí)海綿鋯為原料，經(jīng)3次真空自耗電弧爐熔煉得到TA34鈦合金鑄錠，化學(xué)成分見表1。

表1 TA34鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)

鑄錠經(jīng)開坯、鍛造后得到棒坯，通過(guò)雙包套正擠壓得到φ72 mm×9 mm的管坯，再經(jīng)過(guò)兩輥開坯、三輥精軋、去應(yīng)力退火獲得φ41.5 mm×1.8 mm、φ40 mm×1.88 mm、φ37 mm×2 mm的管坯。對(duì)上述3種規(guī)格的管坯進(jìn)行完全再結(jié)晶退火處理，其金相組織一致，均為平均晶粒尺寸為8 μm的完全再結(jié)晶等軸組織，如圖1所示。

圖1 TA34鈦合金管坯再結(jié)晶熱處理后的顯微組織

將TA34鈦合金管坯冷軋得到φ35 mm×1.5 mm的成品管材，3種規(guī)格管坯的變形量ε均為30%，Q值分別為4.63、1.61、1.06。樣品編號(hào)與工藝參數(shù)見表2。成品TA34鈦合金管材經(jīng)除油、酸洗后，進(jìn)行750 ℃/1 h去應(yīng)力退火處理。

表2 TA34鈦合金樣品的編號(hào)與工藝參數(shù)

圖2 TA34鈦合金管材樣品的方向示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖3為不同Q值軋制TA34鈦合金管材去應(yīng)力退火后的顯微組織。從圖3可以看出，去應(yīng)力退火后的管材仍保留著加工變形組織，管坯組織中的部分等軸晶粒被拉長(zhǎng)。隨著Q值的增大，晶粒被拉長(zhǎng)的程度也更加明顯，組織不均勻程度增加，組織由等軸晶與隨機(jī)分布的拉長(zhǎng)晶粒構(gòu)成。總體來(lái)說(shuō)，不同Q值軋制管材退火態(tài)的顯微組織中晶粒度差別不大，可以認(rèn)為相同變形率條件下，Q值對(duì)完全再結(jié)晶管材軋制后的組織特征影響不大。

圖3 不同Q值軋制TA34鈦合金管材去應(yīng)力退火后的顯微組織

2.2 力學(xué)性能

圖4是不同Q值軋制TA34鈦合金管材去應(yīng)力退火前后的室溫拉伸性能。管材在經(jīng)過(guò)變形程度相同的冷軋加工后，隨著Q值的增大，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度出現(xiàn)同等幅度的降低，塑性變化不大，發(fā)生了類似“加工軟化”的現(xiàn)象，當(dāng)Q=1.06時(shí)管材的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最高。去應(yīng)力退火后，管材的屈強(qiáng)比大幅降低，隨著Q值的增大，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先降低后增高，且變化趨勢(shì)相同。Q=4.63時(shí)，退火前后管材抗拉強(qiáng)度的減小最少，僅降低了60 MPa；Q=1.06時(shí)，退火前后管材抗拉強(qiáng)度的減少最多，達(dá)140 MPa。退火后TA34鈦合金管材的塑性因應(yīng)力釋放得到了提高，但退火前及退火后塑性處于同一水平線上，表明冷軋Q值對(duì)完全再結(jié)晶TA34鈦合金管材軋制后的塑性影響不大。

圖4 TA34鈦合金管材去應(yīng)力退火前后的室溫力學(xué)性能

金屬塑性變形后，其組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，必然會(huì)導(dǎo)致性能變化，尤其是力學(xué)性能。材料的塑性變形抗力通常會(huì)隨著變形程度的增大而提高，即所謂的“加工硬化”現(xiàn)象。對(duì)于多晶體材料，一般認(rèn)為管材變形程度是所有晶粒變形體現(xiàn)出的平均效果，而Q值則體現(xiàn)管材壁厚與外徑同時(shí)變化時(shí)的協(xié)調(diào)性。本實(shí)驗(yàn)中管材的冷軋Q值不同，但變形率ε相同，即管材的整體變形效果相同，表明管材的力學(xué)性能僅與其宏觀變形效果有關(guān)。

2.3 工藝性能

表3為不同Q值軋制TA34鈦合金管材的壓扁工藝性能。對(duì)于冷軋態(tài)管材，Q=1.06時(shí)，壓扁性能最差；Q=1.61時(shí)，壓扁性能有所改善，可以承受較小的壓力變形；Q值越大，其壓扁性能越好，即使壓扁系數(shù)較大時(shí)，管材表面仍然完好。由表3可以看出，去應(yīng)力退火態(tài)TA34鈦合金管材均顯示出良好的壓扁性能，能承受較大的變形，具有良好的工藝性能。

表3 不同Q值TA34鈦合金管材的壓扁性能

2.4 織構(gòu)

2.4.1 織構(gòu)類型

圖5 1#試樣RD-TD、AD-TD和AD-RD面的和不完整極圖

從上述9張極圖可以確定出TA34鈦合金的織構(gòu)類型特征如下。

圖6 3#試樣RD-TD面的面和AD- RD面的(0002)不完整極圖

2.4.2 形變織構(gòu)

圖7 不同Q值軋制TA34鈦合金管材RD-TD面的極圖

Holt等[17]曾研究了Q值對(duì)Zr-2.5Nb合金管材織構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)在溫度(>1025 K)和擠壓比一定的條件下，增大Q值會(huì)促使管材產(chǎn)生周向織構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中管坯軋制前組織相同(為均勻粗大的等軸組織)，冷軋過(guò)程中的加工變形量相同，因此TA34鈦合金管材的織構(gòu)類型僅隨Q值的變化而改變，但變化規(guī)律依賴于原始管坯的組織狀態(tài)。

2.4.3 退火織構(gòu)

圖8 不同Q值軋制TA34鈦合金管材去應(yīng)力退火后RD-TD面的極圖

TA34鈦合金管坯經(jīng)過(guò)再結(jié)晶退火后，晶粒完全再結(jié)晶并長(zhǎng)大，新產(chǎn)生的周向織構(gòu)屬于再結(jié)晶織構(gòu)，是晶粒定向結(jié)晶生長(zhǎng)造成的[18]。這是由于變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，原子活動(dòng)能力增大，晶粒形狀發(fā)生變化并重新形核生長(zhǎng)為穩(wěn)定的等軸晶粒，取代了原來(lái)被拉長(zhǎng)或破碎的晶粒，晶粒的位向已脫離了與原加工時(shí)外力方向的關(guān)系，導(dǎo)致織構(gòu)類型改變。去應(yīng)力退火后，由于管材加熱溫度不高，原子的活動(dòng)能力有限，不能使變形組織發(fā)生變化，所以織構(gòu)類型沒有明顯改變。

結(jié)合表3中不同Q值軋制TA34鈦合金管材的壓扁工藝性能，可以解釋織構(gòu)對(duì)管材壓扁工藝性能的影響。對(duì)于冷軋態(tài)的TA34鈦合金管材，Q=1.06時(shí)，壓扁性能最差，此時(shí)為徑向織構(gòu)；Q值越大，其壓扁性能越好，即使取較大的壓扁系數(shù)時(shí)，管材表面仍然完好，此時(shí)管材已顯示為周向織構(gòu)?？梢?，對(duì)于再結(jié)晶的TA34鈦合金來(lái)說(shuō)，沿管材橫斷面分布的周向織構(gòu)有利于提高材料工藝性能，而增大冷軋Q值恰好可以增強(qiáng)管材的周向織構(gòu)，因此對(duì)于完全再結(jié)晶態(tài)的TA34鈦合金管坯，采用大Q值軋制有助于提高管材的壓扁工藝性能。

3 結(jié) 論

(1) 冷軋Q值對(duì)完全再結(jié)晶TA34鈦合金管材軋制后的塑性影響不大。

(3) 完全再結(jié)晶退火后的TA34鈦合金管坯，在冷軋加工過(guò)程中提高Q值會(huì)使管材產(chǎn)生周向織構(gòu)，即基面法線方向沿TD方向分布，其壓扁性能隨著周向織構(gòu)的增強(qiáng)而愈顯優(yōu)異。去應(yīng)力退火不改變TA34鈦合金管材的織構(gòu)類型。