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點，廣泛應用于船舶與海洋工程領域。鈦合金在艦船上的應用提高了艦船在海洋環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，是海水環境下的理想結構材料。目前該合金廣泛應用于造船工業，如耐壓殼體、魚雷發動裝置、動力裝置等，也應用于各類兵器制造[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律，希望能對今后TA5合金板材研制與生產提供一定的理論依據，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（質量分數，% ）。用金相法測定合金的相變點為995℃~1005℃。鑄錠經3150t快鍛機開壞后，采用1400mm軋機軋制成4.0mm板材。板材經退火、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生產的TA5合金板材力學性能如表2所示，其對應的顯微組織如圖1(a）~(i)所示。

2、結果與分析

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，再結晶等軸α相含量少，個別區域存在帶狀纖維組織，因此采用工藝1和4生產的板材強度較高，與技術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晶溫度以下進行，軋制過程無再結晶發生，產生加工硬化，退火過程才發生再結晶；而熱軋是在再結晶溫度以上進行，軋制過程發生動態再結晶，軋后冷卻及退火過程中繼續發生再結晶，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，熱軋過程中產生的熱能更高，存儲于晶粒內部的能量更大，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，避免后續熱矯形過程對板材組織性能產生影響。

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/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。隨著熱矯形次數的增加，顯微組織進一步均勻等軸化，并且再結晶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生影響，退火溫度應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、應用及發展[J].金屬學報，2002,38（z1）：33-36.

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[6]孫虎代，王田，陶海林，等.軋制溫度及退火溫度對TA5鈦合金棒材組織和性能的影響[J].中國鈦業，2017,(4) :40-43.