不同軋制工藝對(duì)Gr.38鈦合金板材組織性能的影響

鈦合金具有較高的強(qiáng)度密度比，優(yōu)異的耐腐蝕性能、焊接性能，因此在航空、航天、兵器、艦船、民用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [1–4] 。鈦合金與鋼相比結(jié)構(gòu)減重可達(dá)30%以上，與鋁合金相比，同等質(zhì)量的鈦合金裝甲比鋁合金裝甲防護(hù)力提高30%以上，因此鈦合金成為世界各裝甲強(qiáng)國(guó)為減輕整車質(zhì)量和提高防護(hù)能力所競(jìng)相采用的主要材料之一 [5] 。

Gr.38鈦合金是美國(guó)Allegheng技術(shù)公司(ATI)開發(fā)的一種新鈦合金，可代替通用的中高強(qiáng)鈦合金，其名義成分為Ti–4Al–2.5V–1.5Fe–0.25O，是一種α+β型高強(qiáng)鈦合金。和TC4合金相比，Gr.38合金利用鐵代替較高成本的釩作為β穩(wěn)定元素，其強(qiáng)度與TC4合金相當(dāng)，伸長(zhǎng)率相當(dāng)或略高。但與之不同的是Gr.38鈦合金既能熱加工又能冷加工，可制成薄板、卷材、條材、精密熱軋帶材、厚板、無(wú)縫管材以及鑄件和工程化產(chǎn)品。鑒于Gr.38鈦合金具有極佳的超塑成形性和開孔疲勞性能，還可進(jìn)行摩擦攪動(dòng)焊接，其用途十分廣泛，頗適合用來(lái)取代鋼、鋁、純鈦材及其他鈦合金，特別是在航空航天以及軍事防御系統(tǒng)方面有極其廣闊的應(yīng)用前景 [6] 。

1 、實(shí)驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用Gr.38鈦合金板材采用3次真空自耗電弧熔煉?220 mm鑄錠，在鑄錠上扒皮后取樣檢測(cè)其相變點(diǎn)（ T _β ）溫度為990 ℃。相變點(diǎn)以上開坯，兩相區(qū)反復(fù)鐓拔鍛造成厚度約144 mm的板坯，后經(jīng)兩次加熱軋制成板。Gr.38鈦合金板材的化學(xué)成分見表1，板坯在兩相區(qū)開坯軋制至40 mm，顯微組織見圖1，為典型的兩相鈦合金組織。

然后經(jīng)火焰切割機(jī)下料，隨后按照表2經(jīng)過(guò)6種工藝軋制厚度為7.0~8.2 mm鈦合金熱態(tài)板材，其中1 # ~4 # 工藝成品軋制均采用7個(gè)軋制道次，道次變形量約12%，5 # 和6 # 工藝的區(qū)別在于熱軋道次及變形量不同，5 # 工藝采用6個(gè)軋制道次，道次變形量約15%，6 # 工藝采用4個(gè)軋制道次，道次變形量約20%。將熱態(tài)板材在750 ℃溫度下退火處理60 min后空冷，采用2450 mm四輥可逆熱軋機(jī)對(duì)Gr.38鈦合金板材進(jìn)行軋制，24 m輥底式電阻退火爐對(duì)Gr.38鈦合金板材進(jìn)行熱處理，在成品板材整體熱處理后取試樣進(jìn)行力學(xué)性能及金相檢測(cè)。采用CMT5205電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、NEXUS3001XLM-IMP硬度計(jì)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，ICX41M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

2、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 軋制工藝對(duì)顯微組織的影響

Gr.38板材經(jīng)過(guò)近β軋制：980 ℃軋制（1 # 工藝），退火后獲得初生等軸α相（體積分?jǐn)?shù)10%~15%）+β轉(zhuǎn)變組織典型雙態(tài)組織（圖2(a)），β轉(zhuǎn)變組織中的次生條狀α相細(xì)密且交織成網(wǎng)狀。兩相鈦合金在α+β兩相區(qū)變形過(guò)程中，片層α相的等軸化是其塑性變形過(guò)程的重要行為，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶被認(rèn)為是片層組織等軸化的重要機(jī)制 [7] ；Gr.38板材經(jīng)過(guò)準(zhǔn)β軋制：1010 ℃軋制（2 # 工藝），退火后獲得典型的片層組織（圖2(b)），β晶粒沿金屬流動(dòng)方向被壓扁拉長(zhǎng)，在β晶粒中產(chǎn)生了明顯的彎曲變形帶，在變形晶粒的交叉處以及變形帶上有部分細(xì)小的等軸晶粒，發(fā)生了部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；Gr.38板材經(jīng)過(guò)高溫淬火+低溫軋制：1010 ℃淬火+900 ℃軋制（3 # 工藝），退火后獲得細(xì)小混亂交織的網(wǎng)籃組織（圖2(c)），高溫淬火形成的原始β晶界獲得充分破碎，無(wú)明顯細(xì)晶界α存在；Gr.38板材經(jīng)過(guò)低溫軋制：900 ℃軋制（4 # 工藝）退火后獲得典型的等軸組織（圖2(d)），初生α相含量增多，低溫軋制導(dǎo)致金屬加工流線更明顯，且拉長(zhǎng)的層狀α增多；Gr.38板材經(jīng)過(guò)5 # 和6 # 軋制工藝下退火后獲得的組織α相被拉長(zhǎng)，排列更加有序，體現(xiàn)在橫向和縱向力學(xué)性能各向異性更加明顯。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，880 ℃低溫大變形換向軋制獲得的板材組織，初生層狀α相相對(duì)更加細(xì)小，長(zhǎng)寬比更大，次生α相呈細(xì)密混亂交織狀。而900 ℃軋制的板材組織中，初生α相粗大且呈云朵狀，次生α相沿金屬加工流線方向呈條狀且混亂交織程度較小。

2.2 軋制工藝對(duì)力學(xué)性能的影響

工藝決定組織，組織決定性能，軋制工藝對(duì)鈦合金板材力學(xué)性能有著很大的影響。圖3是Gr.38鈦合金板材經(jīng)不同軋制工藝后的力學(xué)性能表現(xiàn)，由圖3看出，對(duì)比1 # 和2 # 工藝的力學(xué)性能，隨著軋制溫度的升高，材料的強(qiáng)度指標(biāo)急劇下降，表明過(guò)高的軋制溫度不利于改善材料的綜合力學(xué)性能。3 # 工藝表明材料在高溫淬火后進(jìn)行低溫軋制，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均有所提升。經(jīng)過(guò)工藝4 # ~6 # 軋制，材料性能相對(duì)工藝3 # 來(lái)說(shuō)變差。

Gr.38 鈦合金板材進(jìn)行不同的軋制工藝處理后，其性能測(cè)試結(jié)果如表 3 所示。由表 3 可以看出，并非所有結(jié)果都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，具體來(lái)說(shuō)，1 # 、2 # 、4 # 工藝軋制后的板材均未能滿足既定的性能要求，僅 3 # 和 6 # 工藝符合預(yù)定指標(biāo)要求。對(duì)于 3 # 和 6 # 工藝，在強(qiáng)度方面 3 # 工藝稍強(qiáng)于 6 # 工藝，但在塑性–韌性–硬度方面工藝 6 # 工藝要優(yōu)于 3 # 。綜合來(lái)說(shuō)，在符合指標(biāo)要求的情況下，6 # 工藝性能匹配最佳。近一步分析發(fā)現(xiàn)，6 種軋制工藝生產(chǎn)的板材在縱向方向上均表現(xiàn)出比橫向更高的沖擊韌性，高出約 2~3 J。這一現(xiàn)象可以歸因于縱向方向上長(zhǎng)條α 的交叉排列 ， 這種排列在沖擊過(guò)程中增加了斷裂裂紋的擴(kuò)展路徑，從而使得裂紋擴(kuò)展所需的能量逐級(jí)增加 [8] ，最終導(dǎo)致合金板材的沖擊韌性得到提升 。 在硬度方面， 3 # 和 6 # 工藝生產(chǎn)的板材硬度相對(duì)較高。特別值得注意的是，3 # 工藝，即高溫淬火（T _β +20 ℃）+低溫軋制（T _β -90 ℃）生產(chǎn)的板材在力學(xué)性能的各向異性方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榘宀闹械目棙?gòu)是影響合金力學(xué)性能各向異性的主要因素之一 [9] 。Cheng 等 [10] 對(duì) TA32 高溫鈦合金的研究表明：隨著退火溫度升高，α 相中逐漸形成 R 型織構(gòu)，B 型織構(gòu)逐漸減弱，織構(gòu)強(qiáng)度的差異主要與初生 α 相和轉(zhuǎn)變 β 相體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。通常，基面織構(gòu)會(huì)削弱各向異性，而 R 型織構(gòu)和 T型織構(gòu)會(huì)增加各向異性。通過(guò)對(duì) 4 # 和 6 # 工藝的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)換向交叉軋制可以減小力學(xué)性能的各向異性，這也符合薄東明等 [11] 對(duì) ZK60 鎂合金的研究：交叉軋制可以削弱基面織構(gòu)，消弱板材各向異性，使材料組織更加均勻，提高斷后延伸率。在結(jié)合3# 工藝，可以給出結(jié)論：高溫淬火和換向交叉軋制能夠有效消弱織構(gòu)，從而減小橫縱向性能的差異。

綜上所述，通過(guò)對(duì)Gr.38鈦合金板材的不同軋制工藝下組織及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比和分析發(fā)現(xiàn)，首先3 # 和6 # 工藝軋制的板材各項(xiàng)性能均滿足指標(biāo)要求；其次適當(dāng)?shù)母邷卮慊鸷偷蜏負(fù)Q向軋制工藝對(duì)于提高材料的力學(xué)性能和減少性能各向異性具有重要作用。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于優(yōu)化鈦合金板材的生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

2.3 抗彈性能

打靶測(cè)試選用了各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足預(yù)期研發(fā)指標(biāo)要求的3 # 和6 # 工藝生產(chǎn)的Gr.38鈦合金板材，板材熱處理后表面進(jìn)行拋丸酸洗處理。按照 GJB59.18—1998 進(jìn)行打靶測(cè)試，射擊參數(shù)：100 m 射距，53 式 7.62 mm 普通彈，經(jīng)過(guò) 5 發(fā)子彈射擊后，打靶測(cè)試結(jié)果見圖 4，3 #工藝高溫淬火（T _β +20 ℃）+低溫軋制（T _β -90 ℃）生產(chǎn)的板材經(jīng) 5 發(fā)子彈射擊后，3 發(fā)直接侵徹貫穿板材，兩發(fā)彈坑較深，背面開裂，防護(hù)等級(jí)較低；6 # 工藝低溫大變形換向軋制（T _β -110 ℃）生產(chǎn)的板材經(jīng) 5 發(fā)子彈射擊后，板材正面 4 發(fā)子彈彈坑較淺，1 發(fā)子彈彈坑較深，板材背面均未出現(xiàn)開裂。測(cè)試結(jié)果表明在綜合性能匹配最佳的情況下，防彈效果最好，這與王幸運(yùn)等 [7] 的研究結(jié)果一致。

3、結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)不同軋制工藝研究發(fā)現(xiàn)，兩相區(qū)軋制+普通退火態(tài)（3 # —4 # 工藝）的板材強(qiáng)度、塑性以及韌性匹配要優(yōu)于近 β 和準(zhǔn) β 軋制的板材，且經(jīng)過(guò)高溫淬火+低溫軋制的板材各向異性明顯小于純低溫軋制的板材，說(shuō)明高溫淬火可以消弱織構(gòu)，減小橫縱向性能差異。

（2）隨著軋制溫度的升高，Gr.38 鈦合金板材的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)急劇下降，過(guò)高的軋制溫度不利于改善材料的綜合力學(xué)性能。

（3）3 # 工藝高溫淬火+低溫變形和 6 # 工藝低溫大變形換向軋制的板材縱橫力學(xué)性能均能滿足指標(biāo)要求，考慮到工程化應(yīng)用的便捷性，選擇 6 # 工藝低溫大變形換向工藝進(jìn)行 Gr.38 鈦合金板材的軋制。

（4）6 # 工藝生產(chǎn)的 Gr.38 鈦合金板材在強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、硬度綜合性能匹配最佳的情況下，防彈效果最好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李毅，趙永慶，曾衛(wèi)東. 航空鈦合金的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì).材料導(dǎo)報(bào)，2020，34(S1)：280

[2] 鄒武裝.鈦及鈦合金在航天工業(yè)的應(yīng)用及展望.中國(guó)有色金屬，2016(1)：70.

[3] 陳京生，孫葆森，安康. 鈦合金在兵器裝備上的應(yīng)用.兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2020，41(12)：14

[4] 常輝，王向東，周廉. 鈦合金及其在艦船裝備上的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢(shì).中國(guó)材料進(jìn)展，2014，33(Z1)：603

[5] 朱知壽，商國(guó)強(qiáng)，王新南，等. 低成本高性能鈦合金研究進(jìn)展.鈦工業(yè)進(jìn)展，2012，29(6)：1

[6] 李永林，袁紅君，朱寶輝，等.Gr.38鈦合金的退火工藝.金屬熱處理，2014，39(11)：117

[7] 王幸運(yùn)，雷文光，岳旭，等. 低成本XRF001鈦合金抗彈性能研究.鈦工業(yè)進(jìn)展，2022，39(3)：7

[8] 馬英杰，劉建榮，雷家峰，等. 多重?zé)崽幚韺?duì)TC4合金的組織和力學(xué)性能的影響.材料研究學(xué)報(bào)，2008(5)：555

[9] 吳汐玥，陳志勇，程超，等. 熱處理對(duì)Ti65鈦合金板材的顯微組織、織構(gòu)及拉伸性能的影響.材料研究學(xué)報(bào)，2019，33(10)：785

[10] Cheng C, Feng Y, Chen Z Y, et al. Effect of annealing temperature on microstructure, texture and tensile properties of TA32 plate. Mater Sci Eng A, 2021, 826(4): 141971

[11] 薄東明，盧遙，孫靜娜，等.軋制方式對(duì)ZK60鎂合金組織與性能的影響.精密成形工程，2023，15(12)：1

作者簡(jiǎn)介

景亞婷（1994—），女，甘肅省武威市人，本科，助理工程師，主要從事鈦合金質(zhì)量管理工作。通信地址：新疆維吾爾自治區(qū)哈密市伊州區(qū)花園鄉(xiāng)重工業(yè)園區(qū)新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司；E-mail：2047207106@qq.com。