軋制工藝對源于EB熔鑄TC4板材組織和性能的影響

                                               
                                                  軋制工藝對源于EB熔鑄TC4板材組織和性能的影響

 
     鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕、高低溫特性好等諸多優點，廣泛應用于航空航天、海洋工程、化 工、醫療等領域。由于鈦合金熔煉過程要求苛刻，成形難度大，生產成本居高不下 ，限制了其更廣泛應用。目前，低成本加工成形技術是鈦合金低成本化的主要途徑之一 ，已成為當前鈦合金技術研究的熱點。

    Ti-6Al-4V（TC4）是應用最廣泛的鈦合金，目前工業TC4鈦合金板材是將2~3次真空自耗電極電弧熔鑄成鈦合金圓錠，經開坯熱加工成扁錠，去除表層氧化皮后軋制成各種規格的板材。電子束冷床熔煉（electron beam cold hearth melting，EB）有可直接熔鑄滿足軋制尺寸要求鈦合金扁錠的優勢，若直接用于板材軋制，較 現行的真空自耗電極電弧熔鑄流程，可省去由圓錠開坯成扁錠的熱加工工序及相應的表面處理工序，從而縮短工藝流程和提高材料利用率，實現產品成本的降低。目前科研工作者在這方面已開展了一些研究，Ka‐ linyuk 等和 Wood 研究均表明，EB 熔鑄 TC4 合金成分波動較兩次真空自耗電極電弧熔鑄的寬，軋制板材的力學性能與之相當或更好。研究了 EB 鑄坯直接軋制出合格的 TC4鈦合金板材，通過提高材料利用率成本節省了 37%。報道了單次 EB熔鑄的TC4鈦合金鑄坯多火次軋制情況，結果表明鑄坯直軋的板材力學性能滿足國家標準要求，且顯微組織與力學性能達到鍛坯制備板材的水平。研究了低成本 TC4 鈦合金寬幅板的研制，提出用 0.6~2.0 mm 純鈦板包覆軋制 EB 熔鑄 TC4 鈦合金板坯的方法，可有效控制軋制裂紋的產生。研究了軋制火次對顯微組織、織構和力學性能的影響規律，同時研究了EB熔鑄TC4鈦合金鑄坯的熱變形行為并建立了本構方程。研究了 EB 熔鑄 TC4 鑄 錠單向及交叉軋制對顯微組織及力學性能的影響，發現兩次換向軋制得到的板材性能最佳。鈦合金鑄態組織為片層結構，必須通過兩相區的強烈變形才能使其等軸化 ，真空自耗電極電弧熔鑄流程 TC4鈦合金板材的軋制溫度均在β相變點（Tβ ）以下，目前關于EB熔鑄 TC4鈦合金鑄坯在 Tβ上、下直接軋制，對顯微組織、 力學性能的影響研究鮮有報道。 

對EB熔鑄的TC4鈦合金扁錠，分別在Tβ 上、下直接軋制，研究相應工藝條件對合金板材顯微組織和力學性能的影響規律，為完善EB鑄坯制備低成本 TC4鈦合金板材工藝技術體系提供經驗和理論依據。

1.1 材 料 

用 0級海綿鈦、Al-55V 合金和純鋁豆（Al≥99.9%， 質量分數，下同），考慮到 EB 熔鑄過程中 Al 的揮發損 失，將Al以7~8%的比例添加，其余成分按名義成分添加，原料先經真空自耗電極電弧爐熔煉1次，進行合金化和初步成分均勻化，然后在 3 150 kW 大型 EB 爐熔 鑄成 TC4 鈦合金鑄錠，經銑面、修磨后得到尺寸為 1 250 mm×200 mm×7 800 mm 的扁錠，分切后進行軋制，扁錠的實物圖及金相組織所示。采用連續升溫金相法測得相變溫度為（995±5）℃
 

1.2 軋制工藝 

 試驗設置 A、B 兩種工藝，均分 3 個軋程軋制得到 8 mm厚度的板材，第1軋程沿鑄錠長度方向軋制，第2 軋程換向軋制，第 3軋程軋制方向與第 2軋程的相同， 單個軋程變形量約為 60%。工藝 A第 1軋程加熱溫度 為（965±5）℃，工藝 B 第 1 軋程加熱溫度為（1 065± 5）℃；兩種工藝第2軋程加熱溫度為（945±5）℃；工藝 A 第 3 軋程加熱溫度為（930±5）℃，工藝 B 第 3 軋程加 熱溫度為（920±5）℃。1.3 分析檢測金相試樣用 V（HF）∶V（HNO3 ）∶V（H2O）=1∶3∶7腐蝕液浸蝕，在 OLYMPUS GX51 光學顯微鏡和 Gemini SEM300 場發射掃描電子顯微鏡上進行顯微組織觀察；拉伸性能檢測在 Instron1251 型萬能試驗機上進行，力學性能測試后對試樣的拉伸斷口形貌進行觀察， 用 Image -ProPlus 軟件對顯微組織進行測量和統計分析。
 

2.1 表面質量 

 

 TC4 鈦合金扁錠第 1 軋程軋制變形后的板材形貌。板材表面均呈黃褐色，這是由于在加熱及軋制過程中板坯氧化所致，依據氧化色判斷為淺表氧化 。工藝A第1軋程得到的半成品板面出現多處宏觀裂紋，板面中部裂紋最深為 3 mm，邊部裂紋尤為突出，最深裂紋為5 mm。工藝B得到的半成品表面質量較好，僅出現較少的淺表裂紋，最深為 0.5 mm，邊部表面質量明顯改善。兩種工藝的第2、3軋程軋制后表面質量較好，僅出現少許淺表裂紋。

  第1軋程軋制前對鑄錠長時間的駐爐加熱勢必在其表層形成富氧α層，其是一種硬脆相 ，在軋制變形時易產生微裂紋。試驗扁錠顯微組織為魏氏組織，本身塑性差，在軋制中由于表層散熱及與低溫軋輥接觸傳熱，使淺表金屬降溫較快，進而導致淺表金屬塑性下降，在軋制過程中協調變形能力變差。而淺表區域在軋制過程中變形應力高、應變大 ，為表層微裂紋擴展提供了有利條件，板坯邊部降溫更快，材料塑性更低，導致開裂更嚴重。工藝 B 第 1 軋程加熱溫度為 1 065 ℃，TC4 合金進入 β 單相區，晶體結構轉變為體心立方結構而具有更多滑移系，溫度升高，滑移系的臨界分切應力降低，材料塑性變形能力增強，更高的加熱溫度減弱了表層降溫較快的影響，因此表面開裂明顯改善。

 

對第 1 軋程半成品板材試樣進行拉伸測試，工藝 A第1軋程板材橫向（TD）的伸長率為9%，斷面收縮率為 27%；工藝 B 第 1軋程板材 TD 方向的伸長率為 9%， 斷面收縮率為20%，塑性指標明顯改善。文獻研究表明，TC4鑄坯第 1軋程板材表層和心部組織不均勻， 表層的片層α更易被破碎和等軸化，塑性更好。同時， 由于板材厚度減薄，第 2、3 軋程坯料均熱所需的駐爐時間縮短，表層氧化程度減輕。因此，后續兩個軋程的板材表面質量好轉。

 

2.2 顯微組織 

 

工藝A第1軋程半成品板材的金相組織，初生 α 呈多種形態，由 EB 鑄態長片狀部分斷裂為多個連續的短棒狀 α，部分仍為片狀 α，但長寬比較鑄態明顯變小，局部出現等軸α，顯微組織不 均勻。工藝B第1軋程半成品板材金相組織如圖3d所示。為細片層 α和 β晶界，與鑄態組織相比，α片層顯著變薄，β 晶粒內出現多個不同取向的 α 集束并相互截斷。工藝A第2軋程軋制后板材的金相組織，α破碎更充分，顯微組織主要由等軸初生α和β 轉變組織構成，且有次生 α 析出，存在個別拉長的 α 條。工藝B第2軋程軋制后板材的組織，主要由短棒狀初生 α、等軸初生 α和 β轉變組織構成，局部存在與軋制方向（RD）同向的長條狀 α，較工藝 A 初生α相比例高、β相比例低。工藝A第3軋程軋制后組織破碎得更充分，初生α長寬比進一步減小， 而工藝 B第 3軋程軋制后初生 α相沿 RD方向被拉長， 呈纖維狀（圖 3f），初生 α 相間存在 β 相，與工藝 A 相 比，工藝B條件下α等軸化程度低。

2.3 力學性能 

 

 第 3 軋程軋制后 TC4 鈦合金板材的拉伸測試結果。工藝 A 獲得板材 TD 方向的抗拉強度 Rm為 939 MPa、屈服強度 Rp0.2為 850 MPa、斷后伸長率 A 為 12.5%，工藝 B 獲得板材 TD 方向的 Rm為 926 MPa、Rp0.2 為 884 MPa、A為 16.5%，均滿足 GB/T 3621—2007中對 TC4 鈦合金板材室溫力學性能的要求（Rm≥895 MPa、 Rp0.2≥830 MPa、A≥10%），表明兩種工藝均能獲得力學性能合格的板材。兩種工藝條件下沿 RD方向的抗拉 強度均較 TD方向的高，工藝 A條件下高出 19 MPa，工藝 B 條件下高出 48 MPa，這可能與第 3 軋程軋制后初生 α 晶粒長度方向與 RD 方向相同有關，當沿 RD 拉伸 時，拉伸軸與拉長的條狀α成較小角度，相互平行的條 狀 α 起到增強作用；當沿 TD 方向拉伸時，拉伸軸與條狀α相呈較大角度，使條狀α相間的聯系大幅減弱，導致條狀 α的增強作用基本消失 。工藝 B獲得的 TC4 鈦合金板材，β 相以片層狀和小島狀存在，分散更均勻，增加了兩相界面，從而屈服強度較高。工藝B獲得的板材 RD 和 TD 方向的塑性指標相當，工藝 A 條件下伸長率明顯各向異性，這可能與軋制織構有關，織構是影響合金力學性能各向異性的主要因素之一。
 

2.5 討 論 

 

以EB爐熔鑄的TC4鈦合金扁錠為坯料，通過直接軋制工藝生產鈦合金板材，與真空自耗電極電弧熔煉流程生產板材相比，省去了鑄坯開坯環節，工藝流程變短，同時也省去了開坯后的銑面、修磨等需人工處理的瓶頸環節，提高了材料利用率和生產效率，從而降低生 產成本。雖然在兩種工藝條件下均能獲得性能合格的產品，但 Tβ以下進行第 1 軋程導致中間半成品表面開裂，需通過大量表面修磨才能去除，不適合工業大批量生產和降低成本的技術目標。而在Tβ以上進行第1軋 程，利用了 TC4鈦合金在 Tβ以上塑性變形能力提升的性質，半成品板材表面質量明顯改善，這與鈦合金鍛件需要在 Tβ溫度以上開坯的原理相同。但 Tβ以上進行 第 1 軋程獲得的依然是魏氏組織，片層組織的破碎承壓到后續軋制環節，研究發現，第1軋程軋制后的片層組織相比鑄態片層組織更薄更密，在后續軋制過程中有利于組織細化，第 2 軋程軋制取得了較好地破碎和球化效果，但仍存在長條狀的初生 α，在第 3軋程軋制后組織均勻性改善。本研究中目標板材厚度為8 mm， 第 2、3 軋程軋制的單次變形量均接近 60%，較大的變形量為組織的細化和均勻化提供了有利條件。然而用相同厚度的鑄坯直接軋制更厚規格板材，Tβ以下的累計變形量勢必減小，相關工藝需進一步研究。 
 

1）以 EB 爐熔鑄的 TC4 鈦合金扁錠為坯料，用 A、 B兩種工藝，分3個軋程制備8 mm厚度的鈦合金板材， 第 1 軋程的加熱溫度顯著影響半成品板材的表面質量，工藝A加熱溫度在Tβ以下（965 ℃），半成品板材表面出現嚴重的宏觀裂紋，而工藝 B 加熱溫度在 Tβ以上 （1 065 ℃），半成品板材表面質量顯著改善，得到薄片 層α的魏氏組織，片層厚度減薄有利于組織的破碎，從而工藝 B 第 2軋程后板材初生 α 細化程度與工藝 A 相 當，第3軋程軋制后組織均勻性進一步提高。

 

2）兩種工藝第3軋程變形后，工藝A獲得板材TD 方向的Rm為939 MPa、Rp0.2為850 MPa、A為12.5%，工藝 B獲得板材TD方向的Rm為926 MPa、Rp0.2為884 MPa、A 為16.5%，均滿足GB/T 3621—2007中對TC4鈦合金板材室溫力學性能的要求，但工藝 B 制備的板材 Rp0.2較高且表現出各向異性。因此，推薦采用工藝 B，即第 1軋程加熱溫度為1 065 ℃、第2軋程為945 ℃、第3軋程 為 920 ℃和單次變形量約為 60% 的工藝來實施 EB 鑄坯直接軋制TC4鈦合金板材。

 

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