海洋工程艦船用TA5鈦合金板材工藝對(duì)顯微組織和力學(xué)性能的影響

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度大、耐腐蝕性好、耐熱耐低溫性好、無磁性、抗沖擊性好、焊接性能好等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶與海洋工程領(lǐng)域。鈦合金在艦船上的應(yīng)用提高了艦船在海洋環(huán)境中服役的壽命和裝備的性能。因此鈦合金被譽(yù)為“未來金屬”、“第三金屬”、“海洋金屬”等[1]。TA5合金是一種全α型鈦合金，含有4%鋁、0.005% 硼，其抗拉強(qiáng)度比工業(yè)純鈦高，屬于中等強(qiáng)度合金，可制作成板材、棒材和鍛件，是海水環(huán)境下的理想結(jié)構(gòu)材料。目前該合金廣泛應(yīng)用于造船工業(yè)，如耐壓殼體、魚雷發(fā)動(dòng)裝置、動(dòng)力裝置等，也應(yīng)用于各類兵器制造[2-4]。

試驗(yàn)通過對(duì)不同工藝的TA5鈦合金板材組織和性能的對(duì)比分析，研究了鍛造開壞、板材軋制、火及熱矯形工藝對(duì)TA5合金板材顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，希望能對(duì)今后TA5合金板材研制與生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)，最終獲得滿足船舶標(biāo)準(zhǔn)的TA5合金板材。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用撫順特鋼經(jīng)3次真空自耗重熔的TA5合金Φ610mm鑄錠，用化學(xué)分析法分析鑄錠的成分，化學(xué)成分滿足：3.3~4.7A1,0.005B，0.30 Fe, ≤0.08 C, ≤0.04 N,≤0.015 H, ≤0.150,其余為Ti（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，% ）。用金相法測(cè)定合金的相變點(diǎn)為995℃~1005℃。鑄錠經(jīng)3150t快鍛機(jī)開壞后，采用1400mm軋機(jī)軋制成4.0mm板材。板材經(jīng)退火、熱矯形后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和顯微組織觀察，分析不同工藝對(duì)TA5合金板材顯微組織和力學(xué)性能的影響，具體工藝如表1所示。采用工藝1~9生產(chǎn)的TA5合金板材力學(xué)性能如表2所示，其對(duì)應(yīng)的顯微組織如圖1(a）~(i)所示。

2、結(jié)果與分析

2.1鍛造開壞工藝對(duì)組織與性能的影響

采用工藝1、2和工藝4、5生產(chǎn)的TA5合金板材的顯微組織，如圖1(a）、圖1(b）和圖1(d）、圖1(e）所示，力學(xué)性能見表2。工藝1和工藝4中板壞第2火次鍛造均在相變點(diǎn)以上150℃變形。通過工藝1與工藝2、工藝4與工藝5對(duì)比可知，采用工藝1和工藝4鍛造的板壞軋制成板材后，顯微組織粗化并且均勻化程度較低，再結(jié)晶等軸α相含量少，個(gè)別區(qū)域存在帶狀纖維組織，因此采用工藝1和4生產(chǎn)的板材強(qiáng)度較高，與技術(shù)條件要求相比富余量很大，但塑性變化不大。

2.2軋制工藝對(duì)組織與性能的影響

工藝3熱軋開壞時(shí)采用換向軋制，壞料變形20%~30%后旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行軋制，顯微組織如圖1(c)所示，與工藝1相比，如圖1(a)所示，換向軋制可充分破碎晶粒，消除方向性，組織均勻化程度高，含有大量的再結(jié)晶等軸α相。由于換向軋制組織均勻，退火過程中的能量將更多地用于再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，因此板材強(qiáng)度顯著降低，特別是抗拉強(qiáng)度降低幅度很大，塑性明顯升高。

工藝2為精軋采用冷軋，其顯微組織如圖1（b）所示。與工藝5和工藝6精軋采用熱軋相比，如圖1（e）、圖1(f），精軋采用冷軋的板材晶粒尺寸細(xì)化，強(qiáng)度明顯升高，塑性降低。這是由于冷軋是在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行，軋制過程無再結(jié)晶發(fā)生，產(chǎn)生加工硬化，退火過程才發(fā)生再結(jié)晶；而熱軋是在再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行，軋制過程發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，軋后冷卻及退火過程中繼續(xù)發(fā)生再結(jié)晶，并伴隨晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)一步使組織均勻等軸化。

工藝5和工藝6的精軋溫度分別為相變點(diǎn)以下80℃、相變點(diǎn)以下50℃，其顯微組織如圖1（e）、圖1(f)。由于精軋溫度升高，熱軋過程中產(chǎn)生的熱能更高，存儲(chǔ)于晶粒內(nèi)部的能量更大，為熱變形過程中晶粒的回復(fù)和長(zhǎng)大提供了較高的能量，在軋后冷卻和退火過程中部分被破碎的細(xì)小晶粒可得到重新長(zhǎng)大，促進(jìn)組織均勻等軸化[5-6]，此精軋溫度升高，板材強(qiáng)度降低，塑性升高。

2.3退火及熱矯形工藝對(duì)組織與性能的影響

工藝6和工藝7的退火溫度分別為相變點(diǎn)以下270℃和相變點(diǎn)以下300℃，保溫時(shí)間相同，然后均采用相同的熱矯形工藝。兩種工藝生產(chǎn)的板材顯微組織分別如圖1(f）、圖1（g）所示。

與工藝6相比，采用工藝7生產(chǎn)的板材α相晶粒尺寸明顯粗大，組織等軸均勻化程度高。由于板材退火后進(jìn)行熱矯形，熱矯形溫度為相變點(diǎn)以下280℃，保溫時(shí)間一般在(13~15）h，在保溫過程中，最后（2~4）h料溫可達(dá)到相變點(diǎn)以下300℃。這對(duì)于采用工藝6退火的板材來說，由于熱矯形過程中的料溫低于退火溫度，不足以破壞退火后的組織平衡關(guān)系，基本不會(huì)影響板材的性能；而對(duì)于采用工藝7退火的板材來說，熱矯形過程相當(dāng)于延長(zhǎng)的退火保溫時(shí)間，因此，造成α相晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，強(qiáng)度降低了50MPa左右。因此在退火過程中，退火溫度一定要高于熱矯形過程中的料溫，避免后續(xù)熱矯形過程對(duì)板材組織性能產(chǎn)生影響。

板材一次熱矯形不平度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的5mm/m。為進(jìn)一步改善不平度，板材需采用二次或三次熱矯形。工藝6、8、9熱矯形溫度均為相變點(diǎn)以下280℃，熱矯形次數(shù)/保溫時(shí)間分別為一次/保溫（13~15）h、一次/保溫（13~15）h+二次/保溫（6~8)h;一次/保溫（13~15）h+二次/保溫（6~8）h+三次/保溫（6~8）h。不同熱矯形工藝的顯微組織如圖1（f）、圖1（h）、圖1（i)所示。隨著熱矯形次數(shù)的增加，顯微組織進(jìn)一步均勻等軸化，并且再結(jié)晶α相晶粒長(zhǎng)大，但α相晶粒尺寸的這種輕微變化不足以影響室溫拉伸性能的明顯變化，如表2所示。因此，板材采用二次或三次熱矯形，不會(huì)對(duì)室溫力學(xué)性能造成影響,不平度可達(dá)到(2~3）mm/m。

3、結(jié)論

（1）板壞鍛造時(shí)，第2火次采用相變點(diǎn)以上150℃變形，造成板材組織粗化，呈纖維狀，強(qiáng)度富余量大，但塑性變化不大。

（2）采用換向軋制的板材組織均勻等軸化，并且再結(jié)晶晶粒尺寸增大，板材強(qiáng)度顯著降低，塑性明顯升高隨著精軋溫度的升高，再結(jié)晶晶粒均勻化長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯，強(qiáng)度降低，塑性升高。

（3）為了避免熱矯形過程對(duì)板材組織性能產(chǎn)生影響，退火溫度應(yīng)該高于熱矯形過程中的料溫；板材采用二次或三次熱矯形，不平度可達(dá)到(2~3）m m /m ,室溫力學(xué)性能基本不變。

（4）通過工藝1~9對(duì)比可知，工藝6不僅簡(jiǎn)單易行，而且采用其生產(chǎn)的板材組織為均勻細(xì)化的等軸組織，強(qiáng)度和塑性匹配良好，不平度達(dá)標(biāo)，因此工藝6為TA5鈦合金板材的最佳工藝。

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