海洋工程艦船用TA5鈦合金板材工藝對顯微組織和力學性能的影響

鈦合金具有密度小、比強度大、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，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，其抗拉強度比工業(yè)純鈦高，屬于中等強度合金，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)動裝置、動力裝置等，也應(yīng)用于各類兵器制造[2-4]。

試驗通過對不同工藝的TA5鈦合金板材組織和性能的對比分析，研究了鍛造開壞、板材軋制、火及熱矯形工藝對TA5合金板材顯微組織和力學性能的影響規(guī)律，希望能對今后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準的TA5合金板材。

1、試驗材料與方法

試驗采用撫順特鋼經(jīng)3次真空自耗重熔的TA5合金Φ610mm鑄錠，用化學分析法分析鑄錠的成分，化學成分滿足：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)量分數(shù)，% ）。用金相法測定合金的相變點為995℃~1005℃。鑄錠經(jīng)3150t快鍛機開壞后，采用1400mm軋機軋制成4.0mm板材。板材經(jīng)退火、熱矯形后進行力學性能測試和顯微組織觀察，分析不同工藝對TA5合金板材顯微組織和力學性能的影響，具體工藝如表1所示。采用工藝1~9生產(chǎn)的TA5合金板材力學性能如表2所示，其對應(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以上150℃變形。通過工藝1與工藝2、工藝4與工藝5對比可知，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軋制工藝對組織與性能的影響

工藝3熱軋開壞時采用換向軋制，壞料變形20%~30%后旋轉(zhuǎn)90°進行軋制，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)晶晶粒的長大，因此板材強度顯著降低，特別是抗拉強度降低幅度很大，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化，強度明顯升高，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)晶溫度以上進行，軋制過程發(fā)生動態(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，并伴隨晶粒長大，進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以下80℃、相變點以下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，存儲于晶粒內(nèi)部的能量更大，為熱變形過程中晶粒的回復和長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小晶粒可得到重新長大，促進組織均勻等軸化[5-6]，此精軋溫度升高，板材強度降低，塑性升高。

2.3退火及熱矯形工藝對組織與性能的影響

工藝6和工藝7的退火溫度分別為相變點以下270℃和相變點以下300℃，保溫時間相同，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。由于板材退火后進行熱矯形，熱矯形溫度為相變點以下280℃，保溫時間一般在(13~15）h，在保溫過程中，最后（2~4）h料溫可達到相變點以下300℃。這對于采用工藝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，基本不會影響板材的性能；而對于采用工藝7退火的板材來說，熱矯形過程相當于延長的退火保溫時間，因此，造成α相晶粒進一步長大，強度降低了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)熱矯形過程對板材組織性能產(chǎn)生影響。

板材一次熱矯形不平度可達到標準要求的5mm/m。為進一步改善不平度，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以下280℃，熱矯形次數(shù)/保溫時間分別為一次/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，顯微組織進一步均勻等軸化，并且再結(jié)晶α相晶粒長大，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，不會對室溫力學性能造成影響,不平度可達到(2~3）mm/m。

3、結(jié)論

（1）板壞鍛造時，第2火次采用相變點以上150℃變形，造成板材組織粗化，呈纖維狀，強度富余量大，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)晶晶粒均勻化長大趨勢明顯，強度降低，塑性升高。

（3）為了避免熱矯形過程對板材組織性能產(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，不平度可達到(2~3）m m /m ,室溫力學性能基本不變。

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

參考文獻：

[1]《稀有金屬材料加工手冊》編寫組.稀有金屬材料加工手冊［M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984：471-479.

[2]孫建科，盂祥軍，陳春和，等.我國船用鈦合金研究、應(yīng)用及發(fā)展[J].金屬學報，2002,38（z1）：33-36.

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[4]陳軍，趙永慶，常輝.中國船用鈦合金的研究和發(fā)展[J].材料導報, 2005, 19(6) : 67-70.

[5]廖強，謝文龍，曲恒磊，等.熱軋溫度對TA5-A鈦合金板材組織及拉伸性能的影響[J.熱加工工藝, 2012, 41(16) : 5052.

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