不同軋制工藝對Gr.38鈦合金板材組織性能的影響

鈦合金具有較高的強度密度比，優異的耐腐蝕性能、焊接性能，因此在航空、航天、兵器、艦船、民用等領域得到了廣泛的應用 [1–4] 。鈦合金與鋼相比結構減重可達30%以上，與鋁合金相比，同等質量的鈦合金裝甲比鋁合金裝甲防護力提高30%以上，因此鈦合金成為世界各裝甲強國為減輕整車質量和提高防護能力所競相采用的主要材料之一 [5] 。

Gr.38鈦合金是美國Allegheng技術公司(ATI)開發的一種新鈦合金，可代替通用的中高強鈦合金，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穩定元素，其強度與TC4合金相當，伸長率相當或略高。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、無縫管材以及鑄件和工程化產品。鑒于Gr.38鈦合金具有極佳的超塑成形性和開孔疲勞性能，還可進行摩擦攪動焊接，其用途十分廣泛，頗適合用來取代鋼、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方面有極其廣闊的應用前景 [6] 。

1 、實驗材料與方法

試驗用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其相變點（ T _β ）溫度為990 ℃。相變點以上開坯，兩相區反復鐓拔鍛造成厚度約144 mm的板坯，后經兩次加熱軋制成板。Gr.38鈦合金板材的化學成分見表1，板坯在兩相區開坯軋制至40 mm，顯微組織見圖1，為典型的兩相鈦合金組織。

然后經火焰切割機下料，隨后按照表2經過6種工藝軋制厚度為7.0~8.2 mm鈦合金熱態板材，其中1 # ~4 # 工藝成品軋制均采用7個軋制道次，道次變形量約12%，5 # 和6 # 工藝的區別在于熱軋道次及變形量不同，5 # 工藝采用6個軋制道次，道次變形量約15%，6 # 工藝采用4個軋制道次，道次變形量約20%。將熱態板材在750 ℃溫度下退火處理60 min后空冷，采用2450 mm四輥可逆熱軋機對Gr.38鈦合金板材進行軋制，24 m輥底式電阻退火爐對Gr.38鈦合金板材進行熱處理，在成品板材整體熱處理后取試樣進行力學性能及金相檢測。采用CMT5205電子萬能試驗機、NEXUS3001XLM-IMP硬度計進行力學性能測試，ICX41M光學顯微鏡進行顯微組織觀察。

2、 實驗結果與討論

2.1 軋制工藝對顯微組織的影響

Gr.38板材經過近β軋制：980 ℃軋制（1 # 工藝），退火后獲得初生等軸α相（體積分數10%~15%）+β轉變組織典型雙態組織（圖2(a)），β轉變組織中的次生條狀α相細密且交織成網狀。兩相鈦合金在α+β兩相區變形過程中，片層α相的等軸化是其塑性變形過程的重要行為，動態再結晶被認為是片層組織等軸化的重要機制 [7] ；Gr.38板材經過準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晶粒沿金屬流動方向被壓扁拉長，在β晶粒中產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小的等軸晶粒，發生了部分動態再結晶；Gr.38板材經過高溫淬火+低溫軋制：1010 ℃淬火+900 ℃軋制（3 # 工藝），退火后獲得細小混亂交織的網籃組織（圖2(c)），高溫淬火形成的原始β晶界獲得充分破碎，無明顯細晶界α存在；Gr.38板材經過低溫軋制：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，低溫軋制導致金屬加工流線更明顯，且拉長的層狀α增多；Gr.38板材經過5 # 和6 # 軋制工藝下退火后獲得的組織α相被拉長，排列更加有序，體現在橫向和縱向力學性能各向異性更加明顯。經對比發現，880 ℃低溫大變形換向軋制獲得的板材組織，初生層狀α相相對更加細小，長寬比更大，次生α相呈細密混亂交織狀。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 軋制工藝對力學性能的影響

工藝決定組織，組織決定性能，軋制工藝對鈦合金板材力學性能有著很大的影響。圖3是Gr.38鈦合金板材經不同軋制工藝后的力學性能表現，由圖3看出，對比1 # 和2 # 工藝的力學性能，隨著軋制溫度的升高，材料的強度指標急劇下降，表明過高的軋制溫度不利于改善材料的綜合力學性能。3 # 工藝表明材料在高溫淬火后進行低溫軋制，抗拉強度、屈服強度均有所提升。經過工藝4 # ~6 # 軋制，材料性能相對工藝3 # 來說變差。

Gr.38 鈦合金板材進行不同的軋制工藝處理后，其性能測試結果如表 3 所示。由表 3 可以看出，并非所有結果都能達到標準，具體來說，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 # 工藝符合預定指標要求。對于 3 # 和 6 # 工藝，在強度方面 3 # 工藝稍強于 6 # 工藝，但在塑性–韌性–硬度方面工藝 6 # 工藝要優于 3 # 。綜合來說，在符合指標要求的情況下，6 # 工藝性能匹配最佳。近一步分析發現，6 種軋制工藝生產的板材在縱向方向上均表現出比橫向更高的沖擊韌性，高出約 2~3 J。這一現象可以歸因于縱向方向上長條α 的交叉排列 ， 這種排列在沖擊過程中增加了斷裂裂紋的擴展路徑，從而使得裂紋擴展所需的能量逐級增加 [8] ，最終導致合金板材的沖擊韌性得到提升 。 在硬度方面， 3 # 和 6 # 工藝生產的板材硬度相對較高。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 ℃）生產的板材在力學性能的各向異性方面表現出明顯的優勢，因為板材中的織構是影響合金力學性能各向異性的主要因素之一 [9] 。Cheng 等 [10] 對 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，B 型織構逐漸減弱，織構強度的差異主要與初生 α 相和轉變 β 相體積分數有關。通常，基面織構會削弱各向異性，而 R 型織構和 T型織構會增加各向異性。通過對 4 # 和 6 # 工藝的力學性能數據進行對比，可以發現換向交叉軋制可以減小力學性能的各向異性，這也符合薄東明等 [11] 對 ZK60 鎂合金的研究：交叉軋制可以削弱基面織構，消弱板材各向異性，使材料組織更加均勻，提高斷后延伸率。在結合3# 工藝，可以給出結論：高溫淬火和換向交叉軋制能夠有效消弱織構，從而減小橫縱向性能的差異。

綜上所述，通過對Gr.38鈦合金板材的不同軋制工藝下組織及力學性能進行對比和分析發現，首先3 # 和6 # 工藝軋制的板材各項性能均滿足指標要求；其次適當的高溫淬火和低溫換向軋制工藝對于提高材料的力學性能和減少性能各向異性具有重要作用。這些發現對于優化鈦合金板材的生產和應用具有重要的指導意義。

2.3 抗彈性能

打靶測試選用了各項力學性能均滿足預期研發指標要求的3 # 和6 # 工藝生產的Gr.38鈦合金板材，板材熱處理后表面進行拋丸酸洗處理。按照 GJB59.18—1998 進行打靶測試，射擊參數：100 m 射距，53 式 7.62 mm 普通彈，經過 5 發子彈射擊后，打靶測試結果見圖 4，3 #工藝高溫淬火（T _β +20 ℃）+低溫軋制（T _β -90 ℃）生產的板材經 5 發子彈射擊后，3 發直接侵徹貫穿板材，兩發彈坑較深，背面開裂，防護等級較低；6 # 工藝低溫大變形換向軋制（T _β -110 ℃）生產的板材經 5 發子彈射擊后，板材正面 4 發子彈彈坑較淺，1 發子彈彈坑較深，板材背面均未出現開裂。測試結果表明在綜合性能匹配最佳的情況下，防彈效果最好，這與王幸運等 [7] 的研究結果一致。

3、結論

（1）經過不同軋制工藝研究發現，兩相區軋制+普通退火態（3 # —4 # 工藝）的板材強度、塑性以及韌性匹配要優于近 β 和準 β 軋制的板材，且經過高溫淬火+低溫軋制的板材各向異性明顯小于純低溫軋制的板材，說明高溫淬火可以消弱織構，減小橫縱向性能差異。

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

（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性能均能滿足指標要求，考慮到工程化應用的便捷性，選擇 6 # 工藝低溫大變形換向工藝進行 Gr.38 鈦合金板材的軋制。

（4）6 # 工藝生產的 Gr.38 鈦合金板材在強度、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：

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[11] 薄東明，盧遙，孫靜娜，等.軋制方式對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，主要從事鈦合金質量管理工作。通信地址：新疆維吾爾自治區哈密市伊州區花園鄉重工業園區新疆湘潤新材料科技有限公司；E-mail：2047207106@qq.com。